3.3 Применение эффект Доплера

Виды доплеровских измерителей по назначению:

Доплеровские измерители используются в различных целях во многих отраслях производства, транспорта, медицины, научных и научно-практических исследований военном деле.

Бортовые измерители

Доплеровские измерители скорости и сноса для определения вектора путевой скорости самолёта, вертолёта. В настоящее время в авиации применяются измерители только радиолокационного типа.

Принцип действия ДИСС основан на использовании эффекта Доплера, согласно которому, частота принятого сигнала, отражённого от цели может отличается от частоты излучённого сигнала и разница зависит от соотношения скоростей объектов относительно друг друга. Для измерения скорости измеритель имеет антенную систему с несколькими (3 или 4) остронаправленными лучами диаграммы направленности. Принимаемый по каждому из этих лучей сигнал имеет доплеровскую частоту пропорциональную проекции вектора скорости самолета на этот луч. Для измерения вектора скорости достаточно трех лучей, не лежащих в одной плоскости, но иногда используются четыре луча, что дает некоторую избыточность без заметного усложнения конструкции. Данный метод измерений принципиально требует узконаправленных антенн, которые как правило имеют значительные габариты. Кроме того отклонения углов антенн от номинального значения, например, из-за температурных деформаций, приводит к погрешностям измерений. Кроме того направление прихода максимального отраженного сигнала может отличаться от направления максимума диаграммы направленности, если мощность отраженного сигнала резко падает с уменьшением угла падения луча на землю, что также приводит к методическим ошибкам измерения. Этот эффект отражения, который получил название "зеркального эффекта", особенно часто наблюдается над спокойной поверхностью моря. Поэтому при использовании измерителей скорости применяют переключатель суша-море для внесения соответствующих поправок в результаты измерений[8].

Медицинские измерители

Частота ультразвука, принятого от движущегося отражателя (или рассеивателя), отличается от частоты излученного сигнала. Это явление называют эффектом Доплера, а величину изменения частоты, пропорциональную скорости движения отражателя (или рассеивателя), -- доплеровским сдвигом. Смешивая излученный и принятый сигналы, получают разностный (доплеровский) сигнал, частота которого равна доплеровскому сдвигу. Для связанных с движением многих физиологических процессов в организме величина этого сдвига находится в диапазоне звуковых частот, что и привело к созданию простых индикаторов скорости, в которых доплеровский сигнал подается на наушники или громкоговорители. Оператор, работающий с таким прибором, может на слух определить наличие перемещения какого-либо отражателя (или рассеивателя) на пути ультразвукового пучка, а при некотором опыте -- судить о характере движения. Такие устройства были использованы для определения внутриутробного сердцебиения плода и вибраций стенок сосудов при измерении артериального давления. В обоих случаях эти приборы использовались как своеобразный стетоскоп; при этом регистрировались мощные ультразвуковые сигналы от отражающих структур. Однако наибольший интерес вызывает задача регистрации и измерения параметров кровотока, когда ультразвук рассеивается на форменных элементах крови, хотя для работы со слабыми рассеянными сигналами требуется более сложная аппаратура. Оператор может определить, доступен ли сосуд, находящийся на пути пучка, доплеровскому обследованию, а при наличии опыта может обнаружить высокие доплеровские частоты от ускоренного кровотока в сужении сосуда, а также турбулентность за сужением.

Диагностические возможности ультразвукового измерителя скорости кровотока можно расширить в нескольких направлениях. Его можно применять для визуализации кровотока в сосудах, прикрепив ультразвуковой зонд к координатному устройству, которое позволяет синхронно с зондом перемещать на запоминающем мониторе яркостную отметку. При появлении доплеровского сигнала отметка усиливается и запоминается, причем при стенозе изображение сосуда будет суженным. Если доплеровский сигнал подать на частотный детектор, а с него на регистратор или осциллограф, можно зарегистрировать кривую скорости артериального кровотока. Вид этой кривой зависит от состояния артериального русла и может использоваться для диагностики заболеваний сосудов. Подавая доплеровский сигнал на анализатор спектра, можно получить распределение доплеровских частот, обусловленное тем, что элементы крови движутся внутри сосуда с различными скоростями. Такой способ отображения особенно ценен для обнаружения турбулентности, так как его чувствительность, возможно, выше, чем при прослушивании сигналов малоквалифицированным оператором.

Простейший доплеровский прибор излучает непрерывный немодулированный ультразвук и называется доплеровским прибором непрерывного излучения (ДПНИ). Так как он реагирует на кровоток в любой области пучка (хотя чувствительность и падает с глубиной из-за затухания сигнала), его нельзя использовать для различения сосудов, находящихся на разных глубинах, или для измерения профиля скоростей в одном сосуде. Для решения этих задач необходима информация о глубине, которую получают путем модуляции излучаемого сигнала. Определенное состояние модулированного сигнала жестко связано с моментом излучения, и, выделяя это состояние в рассеянном сигнале, можно определить время его запаздывания и тем самым определить глубину рассеивателя. Обычно используется амплитудная модуляция последовательностью импульсов -- такие приборы называют импульсно-доплеровскими локаторами.

Комбинация В-сканера реального времени и импульсно-доплеровского устройства, называемая дуплексным сканером, обычно используется для одновременной визуализации сосуда и регистрации кровотока.

Доплеровские приборы, обладающие разрешением по глубине, могут применяться в устройствах визуализации, которые позволяют формировать изображения, требующие знания о глубине. Они могут использоваться не только для селекции сосудов, залегающих на разных глубинах, но и для построения профиля скоростей, распределения скорости кровотока в поперечном сечении сосуда.

Когда требуется измерение абсолютного значения скорости (а не кривая скорости и не профиль кровотока), возникает следующая проблема. Измеренный доплеровский сдвиг частоты пропорционален не только скорости кровотока, но также и углу между вектором скорости и ультразвуковым пучком, так что знание этого угла необходимо, чтобы вычислить скорость по доплеровскому сдвигу. Для решения этой задачи разработан ряд методов. При этом необходимо каким-либо вспомогательным способом измерять угол или ориентировать ультразвуковые пучки под определенным углом; в любом случае для измерения абсолютной скорости необходимо осуществлять тригонометрические преобразования (триангуляцию).

Следующая проблема после измерения абсолютной скорости кровотока -- вычисление объемного расхода потока крови. Оно заключается либо в измерении средней по пространству (по сечению сосуда) скорости при равномерном облучении сосуда и независимом измерении площади его сечения, либо в интегрировании измеренного профиля скоростей.

Около 20 лет понадобилось, чтобы от первых доплеровских приборов непрерывного излучения перейти к первым серийным измерителям объемного расхода крови. Большая часть разработок была эмпирической, и мы до сих пор еще далеки как от полного понимания процессов формирования доплеровских сигналов, так и от разработки оптимизированных доплеровских систем для решения частных клинических задач. Парадоксально, но некоторые физиологические характеристики, такие, как профиль скоростей, необходимые для оптимизации системы и понимания особенностей формирования доплеровских сигналов, могут быть измерены только с помощью самих доплеровских методов [7].

А также используются: гидро-, метео- измерители, системы охранной сигнализации, измерители военно-технического и разведывательного назначения, технологические измерители[9].