利用多普勒效應對違規行駛的監控

林傳杰

摘 要：隨著科學技術的發展和人民生活水平和質量的提高，越來越多的家庭選擇汽車作為出行的代步工具，帶來極大方便的同時，也使得不安全行車的危害越來越大。為了及時準確地監控道路交通狀況，提醒司機師傅們安全駕駛，我通過自己學習的物理知識，設計了一種多普勒效應儀，希望能減少交通安全事故的發生。

關鍵詞：交通安全；多普勒效應；違規行駛；預防

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）08-0220-01

1 多普勒效應

由于聲源和接收者的相對運動，會對接收者收到的頻率產生影響，這就是多普勒效應。由于聲源的運動，聲波的波長會變化，而由于接收者的運動，會使波速產生變化。具體推導過程如下圖1。

由于波源的運動，波長變為（v-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，接收到的信號和兩者的速度有關，因此多普勒效應可以非常方便的測量出物體的速度。在天文學中，我們根據天體光譜的紅移就能推斷出天體在遠離我們，我就是根據這個原理想到用多普勒儀去監測車輛的速度。

2 多普勒儀的組裝

考慮到車速和光速比起來可以忽略，激光的多普勒效應不會很明顯，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多普勒儀的干擾（雜音的頻率比超聲波低很多）。

事實上，多普勒效應只對沿著聲源-接收者連線的速度起作用，垂直連線方向的分速度并不會對接收到的頻率產生影響，因此傳統的多普勒儀無法對突然變換車道或者違規橫穿的車輛或行人做出監測。對此，我想到在路旁兩側分別放置1個多普勒儀，通過檢測到的頻率差來反映監測體的橫向速度。

多普勒測速儀是利用波的多普勒效應這一原理制成的，其原理是用波照射運動著的物體，運動物體反射或散射波，由于存在多普勒效應，反射或散射波將產生多普勒頻移，利用產生頻移的波與本振波進行混頻再經過適當的電子電路處理即可得到運動物體的運動速度。如圖我們假設多普勒測速儀靜止，放置在道路兩旁，車輛沿道路的速度為v1，橫向速度為v2，下圖就是我設計的示意圖2。

根據上文的推導

車輛接受到右邊多普勒儀的信號

f1=（u+v1cosθ+v2sinθ）f0/u

同時車輛作為新的波源，反射過去傳遞給多譜勒儀的信號為：

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

同樣的，車輛傳遞給左邊的多譜勒儀的信號為：

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

由于θ很小，cosθ=1，sinθ=θ

兩個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是物體側移的速度，d是兩個多普勒儀的距離，L是多普勒儀到待測物體的距離。

3 具體的應用

1個多普勒效應儀只能監控沿直線方向的車輛速度變化，但是在路旁放置2個多普勒儀，通過檢測到的頻率差就可以反映監測體的橫向速度。這樣不僅能測出車輛是否超速，而且對突然變換車道或者違規橫穿的車輛或行人做出監測。我認為可以把多普勒效應儀與路邊的安全指示牌連接在一起，這樣可以對路況進行檢測的同時第一時間反映給后面的行人或司機師傅，特別是在夜里或雨天，能更好的避免交通事故的發生。考慮到飛鳥的影響，反射的聲波也會使多普勒效應儀產生警示信號，而導致檢測不精確。但是飛鳥的體積很小并且飛行速度較快高度較高，我認為可以調整多譜勒儀的角度，避免高空物體的干擾。同時可以設置掃描時間，當掃描時間高于0.1s后才會發出警報，這樣就可以隔絕小物體對多普勒儀的影響。

利用2個多普勒效應儀的主要功效是檢測車輛的橫向速度，但交通事故的發生并不都是行人和車輛橫穿馬路造成的，所以將多普勒效應儀與其它裝備共同使用效果更好。同時多普勒效應儀只是提供警報作用，并不能排除所有的安全隱患，行人和司機師傅遵守交通規則才能從根本上解決交通安全問題。