利用多普勒效应对违规行驶的监控

林传杰

摘 要：随着科学技术的发展和人民生活水平和质量的提高，越来越多的家庭选择汽车作为出行的代步工具，带来极大方便的同时，也使得不安全行车的危害越来越大。为了及时准确地监控道路交通状况，提醒司机师傅们安全驾驶，我通过自己学习的物理知识，设计了一种多普勒效应仪，希望能减少交通安全事故的发生。

关键词：交通安全；多普勒效应；违规行驶；预防

中图分类号：TP29 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）08-0220-01

1 多普勒效应

由于声源和接收者的相对运动，会对接收者收到的频率产生影响，这就是多普勒效应。由于声源的运动，声波的波长会变化，而由于接收者的运动，会使波速产生变化。具体推导过程如下图1。

由于波源的运动，波长变为（v-vs）T，其中v是真空中的声速，T为波的周期，vs是波源的速度。接收者实际接收到的声速为（u+v），u是接收者的速度。

因此，最后接收者收到的信號频率为f=（u+v）f0/（v-vs），f0是波源的频率。

可以看到，接收到的信号和两者的速度有关，因此多普勒效应可以非常方便的测量出物体的速度。在天文学中，我们根据天体光谱的红移就能推断出天体在远离我们，我就是根据这个原理想到用多普勒仪去监测车辆的速度。

2 多普勒仪的组装

考虑到车速和光速比起来可以忽略，激光的多普勒效应不会很明显，因此我选择超声波作为我的波源，这样还可以屏蔽掉杂音对多普勒仪的干扰（杂音的频率比超声波低很多）。

事实上，多普勒效应只对沿着声源-接收者连线的速度起作用，垂直连线方向的分速度并不会对接收到的频率产生影响，因此传统的多普勒仪无法对突然变换车道或者违规横穿的车辆或行人做出监测。对此，我想到在路旁两侧分别放置1个多普勒仪，通过检测到的频率差来反映监测体的横向速度。

多普勒测速仪是利用波的多普勒效应这一原理制成的，其原理是用波照射运动着的物体，运动物体反射或散射波，由于存在多普勒效应，反射或散射波将产生多普勒频移，利用产生频移的波与本振波进行混频再经过适当的电子电路处理即可得到运动物体的运动速度。如图我们假设多普勒测速仪静止，放置在道路两旁，车辆沿道路的速度为v1，横向速度为v2，下图就是我设计的示意图2。

根据上文的推导

车辆接受到右边多普勒仪的信号

f1=（u+v1cosθ+v2sinθ）f0/u

同时车辆作为新的波源，反射过去传递给多谱勒仪的信号为：

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

同样的，车辆传递给左边的多谱勒仪的信号为：

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

由于θ很小，cosθ=1，sinθ=θ

两个多普勒仪的频率差为：

f3-f2=-4v2θu/[（u-v2）（u-v1）]

θ=d/2L

其中u是空气中的声速，v1是物体前移的速度，v2是物体侧移的速度，d是两个多普勒仪的距离，L是多普勒仪到待测物体的距离。

3 具体的应用

1个多普勒效应仪只能监控沿直线方向的车辆速度变化，但是在路旁放置2个多普勒仪，通过检测到的频率差就可以反映监测体的横向速度。这样不仅能测出车辆是否超速，而且对突然变换车道或者违规横穿的车辆或行人做出监测。我认为可以把多普勒效应仪与路边的安全指示牌连接在一起，这样可以对路况进行检测的同时第一时间反映给后面的行人或司机师傅，特别是在夜里或雨天，能更好的避免交通事故的发生。考虑到飞鸟的影响，反射的声波也会使多普勒效应仪产生警示信号，而导致检测不精确。但是飞鸟的体积很小并且飞行速度较快高度较高，我认为可以调整多谱勒仪的角度，避免高空物体的干扰。同时可以设置扫描时间，当扫描时间高于0.1s后才会发出警报，这样就可以隔绝小物体对多普勒仪的影响。

利用2个多普勒效应仪的主要功效是检测车辆的横向速度，但交通事故的发生并不都是行人和车辆横穿马路造成的，所以将多普勒效应仪与其它装备共同使用效果更好。同时多普勒效应仪只是提供警报作用，并不能排除所有的安全隐患，行人和司机师傅遵守交通规则才能从根本上解决交通安全问题。