有关激光或雷达测速的一个问题

土豆

现在的脉冲多普勒雷达测速已经很普通了，
激光脉冲多普勒雷达好象也有了，
可问题是：
这里有两个频率：
1、雷达的载波频率f，比如微波雷达的载波频率一般是MHz--GHz的量级，
激光脉冲雷达就是发射激光的光频率，
2、雷达的脉冲调制频率F，大功率微波脉冲雷达的脉冲调制频率在1000Hz左右，
激光脉冲雷达的脉冲调制频率可能就比较宽了？大概从数百赫到数兆赫吧？

那么“脉冲多普勒雷达”所说的多普勒频移效应是对载波f而言的呢？
还是对脉冲调制波频率F而言的呢？
就是说：
这个多普勒频移是载波频率f的变化呢？
还是调制波频率F的变化呢？

是否有人想过这个问题？或者有知情者给点指点？

joe

我想应该是调制波频率的变化，载波频率太高变化范围太窄难于精确测量。

土豆

我也是这么想的，载波的频移是可以测量的，但是难于精确测量，
比如把载波看成是高频方波，那么方波的宽度就会因物体运动而被压缩或展宽，
但是一个周期内的方波宽度（周期）变化量是很小的，
所以最好是统计很多个周期内的方波宽度变化累积值，
这也就相当于观测一个低频方波（矩形脉冲波）的方波宽度变化量了？
再进一步的也就相当于观测一个低频脉冲波（尖脉冲波）的脉冲间距变化量了？

这个问题本身已经是比较成熟的技术了（但是也有不少的模糊认识），
可是学过相对论“时慢公式”的人是否想过其中存在的问题呢？
只要把地面雷达发射-接收的模式改成飞机发射脉冲波，地面接收，
那么飞机上发出的脉冲波周期是t’’的话，地面接收到的脉冲波周期就是t了，
t与t’’的关系是怎样的呢？
你认为是用“时慢公式”计算呢？还是用光的多普勒公式计算呢？
是否还要作出如下规定：
当闪光次数等于2时：
t=t’’/sqr(1-vv/cc)
当等时差t’’的闪光次数大于2时：
t=t’’ [(c-v)/c /sqr(1-vv/cc)]
这是相对论与现代技术之间存在的一个明显不协调地方吧？

现在有关这方面的资料都有点闪烁其词，好象在有意回避什么似的？
不过可以参考：
《现代雷达原理》
作者： （美）杰里L·伊伏斯 爱德华K·里迪
书目： 737页 1991年3月第1版
SS号： 10057954

这本书说的比较清楚，
不过好象书中也有一点关键性的小错误，有必要的话再细说了，

退一步说，如果现在不是根据调制波频率F的变化计算多普勒频移的，
（即不是根据脉冲调制波的脉冲间隔变化---相位变化）
那么是否可以发明一种用脉冲间隔变化测速的新方法呢？
（可惜呀，估计现在的脉冲多普勒雷达测速就是用的这个原理）

joe

不要把相对论的东西用地球上，实际应用领域里，相对论的结论是没法测量的。时慢效应太细微了，没有使用价值的。物理算是科学里的浪漫主义---只有在极优化的条件下才会出现结果的！

yydyyd

   不对，多普勒效应是指载波的频率发生移动，对于激光雷达而言，这种移动量通常为MHz或数10MHz量级。为了测量这种频率移动，一般采用外差探测或自差探测技术，即把本振光与目标回光混频，检出差频信号，再进行信号放大和处理。这方面的文献很多。
  不过我也有一个问题没有想清楚：外差和自差探测都需要信号光与本征光之间干涉才能实现混频，激光雷达通常探测的是随机粗糙目标表面的反射（或散射光），或大气分子（或气溶胶）的后向散射信号，这种散射信号波面是随机的，为什么还能与本振光发生良好的干涉？
  希望高手指点！

土豆

一个实际的“飞船闪光”试验：

现在的飞船速度达到v=10000m/s是平常的事，
在地球附近飞船可以这个速度v作接近或远离地球的飞行，
然后按相对论上所说的那样：
在飞船上的同一位置xo’’处，向地球发出两个激光闪光信号S1和S2，
S1和S2的时间间隔假设是Δt’’=t2’’-t1’’=1秒，
飞船发出S1的地点是任意的，
先假设发出S1的地点是距离地球为x1=L1=30万公里=3*10^8m，
如果飞船停留在L1=3*10^8m处，相对地球静止，
那么地球接收到的激光脉冲闪光时间间隔显然应该是：
Δt =t2-t1 =t2’’-t1’’ =1秒，

飞船接近地球：
如果飞船以v=10000m/s接近地球，
1、按加利略变换：
在发出S2的t2’’时刻，两个激光脉冲闪光的间距为：
ΔL= cΔt’- vΔt’’=（c-v）Δt’’，
两个闪光S1和S2将保持这个间距ΔL，以光速c向地球运动，
地球接收者测得这两个闪光的时间差为：
Δt=t2-t1 =ΔL/c = [（c-v）/c] Δt’’
这就是加利略光多普勒的周期变换式：
Δt= [（c-v）/c] Δt’’

=[（3*10^8 - 10^4）/3*10^8] *1
=2.9999*10^8 / 3*10^8
=0.9999666666 (秒)

2、按光多普勒公式：
Δt=[（c-v）/c] Δt’’ / sqr(1-vv/cc)
=0.9999666666 (秒) / sqr[1-（10^4/3*10^8）^2]
=0.9999666666 (秒) / 0.9999999994444
=0.999966667（秒）

在低速下，这个结果当然是与经典声多普勒结果差不多，
你说的难以检测、鉴别大概就是这个意思了吧？
不过搞工程的人都知道要经过计算和实验才知道结果？
注意：
现在检验的不是声多普勒与光多普勒哪个正确的问题，
而是要检验：
“时慢公式”与多普勒公式（声或光）哪个正确的问题，

3、按相对论时慢公式：
Δt= Δt’’/sqr(1-vv/cc)
= 1/sqr[1-（10^4/3*10^8）^2]
=1.00000000055555（秒）

那么地球实际测量到的Δt是多少呢？
是声多普勒公式的结果：Δt= 0.9999666666（秒）？
或光多普勒公式的结果：Δt=0.999966667（秒）
还是时慢公式的结果：Δt= 1.0000000005（秒）？

这个实验要求的测量精度很高吗？不算高：
1.0000000005 - 0.999966667 =0.0000333335 = 3.33335*10^-5（秒）
这个要求不高吧？
现在GPS上测量时间的精度一般是10^-12（秒），
“时钟环球飞行”实验的精度是：
发现向东飞行时四只原子钟的读数比地球上的原子钟读数平均慢了5.9 X 10-8秒；
而向西飞行时四只原子钟的读数比地球上的原子钟读数平均快了2.73 X 10-7秒。

显然比较起来，10^-5秒的测量精度并不算要求很高吧？
所以这个检验性实验还是很可行的？
这就是“时慢公式”与纵向声或光多普勒公式之间的矛盾问题了，
这个鉴别实验简单、明了，没有什么纠缠不清的问题，
实际实施的可行性也很充分？

土豆

先按你说的吧，
如果“多普勒效应是指载波的频率发生移动”，
那是否可以探讨一下利用激光调制频率的多普勒频移来测速呢？
是否会简单的多？

不过以后还要探讨一下现在的多普勒测速方法，问题可能会逐步搞清楚？