利用多普勒效應(yīng)對(duì)違規(guī)行駛的監(jiān)控

林傳杰

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人民生活水平和質(zhì)量的提高，越來(lái)越多的家庭選擇汽車(chē)作為出行的代步工具，帶來(lái)極大方便的同時(shí)，也使得不安全行車(chē)的危害越來(lái)越大。為了及時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)控道路交通狀況，提醒司機(jī)師傅們安全駕駛，我通過(guò)自己學(xué)習(xí)的物理知識(shí)，設(shè)計(jì)了一種多普勒效應(yīng)儀，希望能減少交通安全事故的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：交通安全；多普勒效應(yīng)；違規(guī)行駛；預(yù)防

中圖分類(lèi)號(hào)：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）08-0220-01

1 多普勒效應(yīng)

由于聲源和接收者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，會(huì)對(duì)接收者收到的頻率產(chǎn)生影響，這就是多普勒效應(yīng)。由于聲源的運(yùn)動(dòng)，聲波的波長(zhǎng)會(huì)變化，而由于接收者的運(yùn)動(dòng)，會(huì)使波速產(chǎn)生變化。具體推導(dǎo)過(guò)程如下圖1。

由于波源的運(yùn)動(dòng)，波長(zhǎng)變?yōu)椋╲-vs）T，其中v是真空中的聲速，T為波的周期，vs是波源的速度。接收者實(shí)際接收到的聲速為（u+v），u是接收者的速度。

因此，最后接收者收到的信號(hào)頻率為f=（u+v）f0/（v-vs），f0是波源的頻率。

可以看到，接收到的信號(hào)和兩者的速度有關(guān)，因此多普勒效應(yīng)可以非常方便的測(cè)量出物體的速度。在天文學(xué)中，我們根據(jù)天體光譜的紅移就能推斷出天體在遠(yuǎn)離我們，我就是根據(jù)這個(gè)原理想到用多普勒儀去監(jiān)測(cè)車(chē)輛的速度。

2 多普勒儀的組裝

考慮到車(chē)速和光速比起來(lái)可以忽略，激光的多普勒效應(yīng)不會(huì)很明顯，因此我選擇超聲波作為我的波源，這樣還可以屏蔽掉雜音對(duì)多普勒儀的干擾（雜音的頻率比超聲波低很多）。

事實(shí)上，多普勒效應(yīng)只對(duì)沿著聲源-接收者連線的速度起作用，垂直連線方向的分速度并不會(huì)對(duì)接收到的頻率產(chǎn)生影響，因此傳統(tǒng)的多普勒儀無(wú)法對(duì)突然變換車(chē)道或者違規(guī)橫穿的車(chē)輛或行人做出監(jiān)測(cè)。對(duì)此，我想到在路旁?xún)蓚?cè)分別放置1個(gè)多普勒儀，通過(guò)檢測(cè)到的頻率差來(lái)反映監(jiān)測(cè)體的橫向速度。

多普勒測(cè)速儀是利用波的多普勒效應(yīng)這一原理制成的，其原理是用波照射運(yùn)動(dòng)著的物體，運(yùn)動(dòng)物體反射或散射波，由于存在多普勒效應(yīng)，反射或散射波將產(chǎn)生多普勒頻移，利用產(chǎn)生頻移的波與本振波進(jìn)行混頻再經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)碾娮与娐诽幚砑纯傻玫竭\(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)速度。如圖我們假設(shè)多普勒測(cè)速儀靜止，放置在道路兩旁，車(chē)輛沿道路的速度為v1，橫向速度為v2，下圖就是我設(shè)計(jì)的示意圖2。

根據(jù)上文的推導(dǎo)

車(chē)輛接受到右邊多普勒儀的信號(hào)

f1=（u+v1cosθ+v2sinθ）f0/u

同時(shí)車(chē)輛作為新的波源，反射過(guò)去傳遞給多譜勒儀的信號(hào)為：

f2=f1u/（u-v1cosθ+v2sinθ）=f0（u+v1cosθ+v2sinθ）/（u-v1cosθ-v2sinθ）

同樣的，車(chē)輛傳遞給左邊的多譜勒儀的信號(hào)為：

f3=f0（u+v1cosθ-v2sinθ）/（u-v1cosθ+v2sinθ）

由于θ很小，cosθ=1，sinθ=θ

兩個(gè)多普勒儀的頻率差為：

f3-f2=-4v2θu/[（u-v2）（u-v1）]

θ=d/2L

其中u是空氣中的聲速，v1是物體前移的速度，v2是物體側(cè)移的速度，d是兩個(gè)多普勒儀的距離，L是多普勒儀到待測(cè)物體的距離。

3 具體的應(yīng)用

1個(gè)多普勒效應(yīng)儀只能監(jiān)控沿直線方向的車(chē)輛速度變化，但是在路旁放置2個(gè)多普勒儀，通過(guò)檢測(cè)到的頻率差就可以反映監(jiān)測(cè)體的橫向速度。這樣不僅能測(cè)出車(chē)輛是否超速，而且對(duì)突然變換車(chē)道或者違規(guī)橫穿的車(chē)輛或行人做出監(jiān)測(cè)。我認(rèn)為可以把多普勒效應(yīng)儀與路邊的安全指示牌連接在一起，這樣可以對(duì)路況進(jìn)行檢測(cè)的同時(shí)第一時(shí)間反映給后面的行人或司機(jī)師傅，特別是在夜里或雨天，能更好的避免交通事故的發(fā)生。考慮到飛鳥(niǎo)的影響，反射的聲波也會(huì)使多普勒效應(yīng)儀產(chǎn)生警示信號(hào)，而導(dǎo)致檢測(cè)不精確。但是飛鳥(niǎo)的體積很小并且飛行速度較快高度較高，我認(rèn)為可以調(diào)整多譜勒儀的角度，避免高空物體的干擾。同時(shí)可以設(shè)置掃描時(shí)間，當(dāng)掃描時(shí)間高于0.1s后才會(huì)發(fā)出警報(bào)，這樣就可以隔絕小物體對(duì)多普勒儀的影響。

利用2個(gè)多普勒效應(yīng)儀的主要功效是檢測(cè)車(chē)輛的橫向速度，但交通事故的發(fā)生并不都是行人和車(chē)輛橫穿馬路造成的，所以將多普勒效應(yīng)儀與其它裝備共同使用效果更好。同時(shí)多普勒效應(yīng)儀只是提供警報(bào)作用，并不能排除所有的安全隱患，行人和司機(jī)師傅遵守交通規(guī)則才能從根本上解決交通安全問(wèn)題。