專利名稱：使用譜相位梯度的無(wú)源距離測(cè)量的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及測(cè)量到遠(yuǎn)方物體的距離的過(guò)程。更具體地講，它涉及無(wú)源 單站測(cè)距，即在不用電磁能或聲能照射或詢問物體且不涉及空間視差的情況下 用電磁波或聲波來(lái)測(cè)量距離。本文揭示了一種全新的方式，用于從接收到的信 號(hào)的譜相位分布即一組頻率上的相位分布中提取出距離信息，而不要求它被反 射或被轉(zhuǎn)發(fā)。本發(fā)明特別涉及該信息的提取過(guò)程，該提取過(guò)程作為一種迄今為 止尚未被認(rèn)識(shí)到的電磁和聲的波本性的效應(yīng)，與多普勒效應(yīng)相似，但只使用了 瞬時(shí)源距離和接收方操作。
背景技術(shù)：
對(duì)已知照明的依賴問題迄今為止，測(cè)量到目標(biāo)的距離r的僅有的方式就是通過(guò)對(duì)回波或從目標(biāo)返回的應(yīng)答器信號(hào)進(jìn)行視差、三角剖分或定時(shí)等處理，被稱為往返時(shí)間(RTT)測(cè) 量。所有己知的雷達(dá)技術(shù)主要基于定時(shí)方法，盡管在某些情況下特別是合成孔 徑雷達(dá)(SAR)也暗中使用視差，合成孔徑雷達(dá)使用雷達(dá)移動(dòng)平臺(tái)來(lái)提供靜態(tài)地 形成像。定時(shí)方法受到可量測(cè)性、功率和天線尺寸等問題的限制，因?yàn)樵诜秶鷕處 照射物體要求功率尸oc^^，等價(jià)地，對(duì)于可用功率P而言該范圍受限于 ^xOcP1/4。通過(guò)改進(jìn)接收機(jī)技術(shù)、使用噪聲非常低的接收機(jī)和大天線來(lái)收集更多的功率，便可以緩和上述功率要求。例如，JPL的A Freeman和E Nielsen 兩人已經(jīng)提出了一種雷達(dá)，用功率為10M『的發(fā)射機(jī)來(lái)測(cè)繪KuiperBelt物體， 該雷達(dá)定位于空間中并帶有直徑為1千米的天線。在所有的現(xiàn)有技術(shù)中，對(duì)照射的需求嚴(yán)重地限制了雷達(dá)技術(shù)。即使使用 NASA深空網(wǎng)絡(luò)中功率非常高的地面站，也只有通過(guò)使用機(jī)載遙測(cè)應(yīng)答器返回 一個(gè)調(diào)制信號(hào)而非回波并由此將功率要求減小到r二，才有可能對(duì)深空中的宇宙飛船進(jìn)行精確的測(cè)距。在題為"Small Mercury Relativity Orbiter"的1989年8 月的NASA技術(shù)報(bào)告N卯-19940 12-卯以及19卯年12月的Geophysical Research 期刊的第98巻第21357-21361頁(yè)題為"Orbit determination and gravitational field accuracy for a Mercury transponder satellite"的論文中，P L Bender禾口 M A Vincent描述過(guò)上述方法。然而，依賴于應(yīng)答器的方法只能用于特殊裝備的愿意 配合的目標(biāo)。其它原因(比如避免暴露雷達(dá)的位置)也顯著增強(qiáng)了開發(fā)無(wú)源雷 達(dá)技術(shù)的動(dòng)機(jī)。不幸的是，現(xiàn)存的無(wú)源系統(tǒng)同樣依賴于已知源(像無(wú)線電和電視廣播站) 的照射，這在1974年發(fā)布的美國(guó)專利3812493中首先給予描述，近年來(lái)，這 種照射則來(lái)自手機(jī)基站。其次，大量的照射源及其信號(hào)的復(fù)雜性使得從反射中 提取有用的信息變?yōu)橐粋€(gè)極其困難的計(jì)算問題。此外，還必須從每一個(gè)照射源 中收集直接的信號(hào)，以便與目標(biāo)的回波進(jìn)行相位關(guān)聯(lián)操作，這意味著另需天線 和基礎(chǔ)設(shè)施。無(wú)論哪種情況，該方法限于地球上有充足的照射源的區(qū)域，并且 也無(wú)法用于預(yù)想的無(wú)所不在的應(yīng)用(像地面車輛導(dǎo)航和避免碰撞)，還無(wú)法用 于環(huán)地軌道或深空跟蹤，在后兩種情況中照射通常是不存在的。另一種現(xiàn)在公知的地表應(yīng)用涉及手機(jī)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中限制移動(dòng)設(shè)備發(fā) 射功率的要求，主要使得頻率可以在其它附近的"單元"中得到重新利用，并 節(jié)省了電池。RTT測(cè)量是目前可用的唯一的方法，并且要求每一個(gè)移動(dòng)設(shè)備至 少發(fā)射一次，而不管基站或移動(dòng)設(shè)備是否測(cè)量該RTT。一種不依賴于照射并使用目標(biāo)自身的發(fā)射的測(cè)距方法將是令人期望的，既 可以作為現(xiàn)存雷達(dá)應(yīng)用的替代，又可以用于目前不可能或不可行的許多新穎的 應(yīng)用。其范圍將由自由空間中單向傳播的平方反比定律來(lái)控制，而非四次冪定 律，因此它可用于比先前長(zhǎng)許多的距離。因?yàn)椴恍枰魏魏驼丈湓吹南辔魂P(guān)聯(lián)， 所以計(jì)算(若有的話)應(yīng)該比目前的無(wú)源雷達(dá)要簡(jiǎn)單許多。使用該方法的蜂窩 設(shè)備將能夠從最接近的基站的發(fā)射中精確地測(cè)量出它到該基站的距離。在集成 電路芯片內(nèi)的光纖和傳輸線中，可以在絕對(duì)不中斷服務(wù)的情況下以定期或其它 方式來(lái)檢測(cè)老化或斷裂。啁啾或斜坡信號(hào)的使用描述本發(fā)明的一個(gè)方式是結(jié)合其頻率隨指數(shù)增大或減小的信號(hào)而描述的。 頻率按《(/)=叫+^線性變化，在與雷達(dá)有關(guān)的情況下常常被稱為啁啾，它借鑒蝙蝠所使用的聲音反射定位方法。通過(guò)將頻率為《(0 =叫+"(卜&)的回波和瞬時(shí)輸出啁啾信號(hào)加起來(lái)，得到拍頻信號(hào)，通過(guò)測(cè)量拍頻信號(hào)的頻率^ ) = &，便直接獲得了RTT&。注意到頻率的傾斜比振幅的傾斜要更佳，因?yàn)檎穹崛∵^(guò)程更易受噪聲和其它問題影響。在兩種情況下，該結(jié)果都必須針對(duì)目標(biāo)速度進(jìn) 行校正，而目標(biāo)速度必須單獨(dú)確定。對(duì)此的簡(jiǎn)單方法是改變斜坡的斜率"，因 為多普勒移動(dòng)不隨。變化，并且可以通過(guò)比較上述結(jié)果而被消除。然而，這些先前的啁啾使用都是用于簡(jiǎn)化RTT測(cè)量，而非消除它，并且無(wú)法進(jìn)行無(wú)源操作。 小波分析本發(fā)明的相關(guān)描述可作為一種涉及連續(xù)改變頻率或時(shí)標(biāo)的技術(shù)。 一種用于分 析通用換算現(xiàn)象的有力的手段現(xiàn)在可以用于小波變換。然而，基本的差別在于，小波技術(shù)涉及源信號(hào)的尺度分配，這無(wú)法依賴于接收機(jī)的距離。在本發(fā)明中，尺度方差被包括到接收機(jī)中，并且距離信息與所觀察到的每 一個(gè)單獨(dú)的頻率相關(guān)聯(lián)，獨(dú)立于可能應(yīng)用于觀察過(guò)程的小波或其它雷達(dá)處理技 術(shù)。可變調(diào)諧器和衍射光柵可變調(diào)諧器和衍射光柵都己經(jīng)用了好幾十年，所以預(yù)計(jì)在現(xiàn)有技術(shù)中至少 偶然觀察到本發(fā)明的機(jī)理也是合理的。然而，文獻(xiàn)中沒有提及任何內(nèi)容，很可 能是由于在詳細(xì)描述中將變得更清晰的若千原因。第一個(gè)問題是，在沒有必需的控制方式(它將被指定)的情況下，本機(jī)制 將在接收到的波中產(chǎn)生正比于源距離的頻率移動(dòng)。包括多個(gè)源的貢獻(xiàn)的典型輸 入信號(hào)的凈結(jié)果是一種色散，該色散不顯示任何可辨別的、與任何單獨(dú)的輸入 頻率的關(guān)聯(lián)性，因此很容易被誤認(rèn)作過(guò)渡噪聲。這一般性地解釋了為什么迄今 為止本發(fā)明并不顯見于偶然的觀察中(例如，在像吉他弦或激光器的Fabry-Perot 腔這樣的諧振器中在被設(shè)置或調(diào)諧時(shí))。特別限制該偶然范疇的第二個(gè)問題是，本發(fā)明要求變分的指數(shù)分布，或者 該結(jié)果是形式更為復(fù)雜的色散，從中識(shí)別距離相關(guān)性更為困難。因此， 一點(diǎn)兒6也不奇怪在現(xiàn)有技術(shù)中通常都忽略調(diào)諧系統(tǒng)和光譜儀的過(guò)渡行為，通信中的頻 率調(diào)制系統(tǒng)除外。在后一種情況下，不僅過(guò)渡速率在振幅方面是線性且有限的， 而且這種調(diào)制也應(yīng)用于該源本身，所以區(qū)分距離關(guān)聯(lián)性的可能性就不存在了。當(dāng)現(xiàn)在由可變調(diào)諧器和光柵來(lái)提供受控的過(guò)渡時(shí)，兩個(gè)問題限制了先前的 發(fā)現(xiàn)，第一個(gè)是所有這種可變系統(tǒng)(像頻率調(diào)制)都被設(shè)計(jì)成主要用于線性改 變。第二個(gè)是大多數(shù)這種設(shè)備尤其是更精確的那些設(shè)備都被設(shè)計(jì)成用于控制波 長(zhǎng)或頻率的靜態(tài)選擇，而本發(fā)明涉及在觀察期間選擇的不斷變化。大多數(shù)通信系統(tǒng)使用鎖相環(huán)路(PLL)，該鎖相環(huán)路防止來(lái)自輸入載波的選擇的變化。可以獲得形如聲光(布拉格)單元的連續(xù)可變的衍射光柵，但在本情形中，光柵是由 其波長(zhǎng)無(wú)法在空間觀察窗口上瞬時(shí)變化的聲波構(gòu)成的。對(duì)于通常應(yīng)用于聲信號(hào)和無(wú)線電信號(hào)的數(shù)字信號(hào)處理的情況，迄今為止妨 礙發(fā)現(xiàn)的第四類問題顯得特別清晰。首先，迄今為止只對(duì)振幅、頻率和相位進(jìn) 行過(guò)理論處理，所以源距離將隱藏在相位和開始-時(shí)間延遲中。其次，通過(guò)采樣 和數(shù)字化，在概念上從源及其距離中分離出數(shù)據(jù)，從而使與源距離的反向關(guān)聯(lián) 更不直觀。第三，即使使用模擬記錄，源距離一般也只顯示為時(shí)間域中的啟動(dòng) 延遲，沒有任何實(shí)值作為距離信息的源。在本發(fā)明中，通過(guò)將本發(fā)明的步驟只 應(yīng)用于接收機(jī)的前端，到物理距離的邏輯連接得以保持，并且距離信息的源是譜相位分布，可應(yīng)用于連續(xù)信號(hào)，而非啟動(dòng)延遲，這將再次要求RTT參照。 源距離信息的可用性在V. Guruprasad禾卩A. K. Bhattacharyya的論文"Radar imaging by Fourier inversion"中描述了一種成像方法(該論文收在1986年的iVoceeW"gs o/[/m'ow i a^'o S"'e"ce/"化m""'o"fl/e中)，而在接收到的信號(hào)的相位譜中源距離信息的 可用性便是該成像方法的主題。該論文涉及一種脈沖雷達(dá)中的成像，其中按規(guī)則的間隔r用脈沖來(lái)照射目標(biāo)。結(jié)果，照射譜包含頻率間隔為i/r的諧波。在相對(duì)較小的工作波帶上，大氣色散的變化可以忽略，所以不同的頻率以幾乎相同的速度c傳播。然而，它們的相位按不同的速率變化，因?yàn)轭l率w通過(guò)定義W-d^/,ECC^^而涉及到^，其中r表示所前進(jìn)的路徑長(zhǎng)度。通過(guò)回波譜的簡(jiǎn)單傅立葉反變換，便沿雷達(dá)的徑向分辨出目標(biāo)特征。與通?？蓮囊苿?dòng)的目標(biāo)(比如飛機(jī))中獲得的"視界角多樣性" 一起，這 能夠產(chǎn)生該目標(biāo)各電磁特征的可分辨的二維圖像。這種先前的方法由此在目標(biāo)的各特征之間提取出涉及位移&的增加的距 離信息，而非來(lái)自源的完整距離"作為后知之明，它很可能表示該信息存在 于相位譜中，因?yàn)樵谙惹暗姆椒ㄖ蟹恋K其提取的限制簡(jiǎn)單地講就是工作帶寬。 將最小可分辨相位差表示為通常是兀或更佳，該方法將物體或特征 & = ^^ 區(qū)分開。因此，對(duì)于到目標(biāo)的完整范圍r，我們將需要足夠低的頻率 WacA^，如果這種頻率可以使用，則我們將不需要相位或照射脈沖的定時(shí)、 基準(zhǔn)。該結(jié)論的另一個(gè)原因是，源或散射中心構(gòu)成了空間波前的曲率中心，這 些是由等相線定義的，因此源位置信息被編碼到每一個(gè)波前中。除了全息重建 使用多路徑(而非頻率)之間的干涉以外，這正是通過(guò)全息圖重建的圖像中所 涉及的信息。上述改進(jìn)后的脈沖雷達(dá)的主要限制是其對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)的依賴性(從而要求 義=0(。)以及偽信號(hào)的問題(因波長(zhǎng)整倍數(shù)處相同相位的重現(xiàn)而導(dǎo)致的)。該方法看起來(lái)可以用于水下聲納，但是對(duì)于這種情況開發(fā)了大量的其它技術(shù)。使 用電磁波時(shí)，該方法無(wú)法用在窄距離范圍以外，因?yàn)镃的值非常高當(dāng)么- =冗時(shí)，它要求rM00m處用60 GHz的頻率進(jìn)行詢問(照射)，1 km處用6 GHz的頻 率進(jìn)行詢問，10 km處用600 MHz進(jìn)行詢問。 一種并不線性依賴于波長(zhǎng)的方法 將是非常令人期望的。直觀地，人們預(yù)計(jì)外差法或調(diào)制技術(shù)將成為答案，并且 上文提到的NASA深空測(cè)距技術(shù)是該方向的第一步，雖然只可以用于一小類轉(zhuǎn) 發(fā)目標(biāo)。使用頻率而非時(shí)間基準(zhǔn)NASA的深空技術(shù)包括跟蹤調(diào)制后的返回信號(hào)中的剩余多普勒移動(dòng)，迄今為止 這已特別揭示了"所有六個(gè)太空行動(dòng)"中涉及自旋穩(wěn)定式宇宙飛船的"未建模的加 速"，在2002年4月的尸/z，/c"/i eWew^)巻65中J. D. Anderson和其它人對(duì)此有過(guò)報(bào) 道。盡管在本示例中就像大多數(shù)現(xiàn)存的多普勒雷達(dá)那樣剩余移動(dòng)是相對(duì)于原始發(fā)射 信號(hào)來(lái)測(cè)量的，但是在許多領(lǐng)域中用原子和原子核的譜線來(lái)確定多普勒移動(dòng)是常見 的做法。更具體地講，在天體物理學(xué)中，歸一化的移動(dòng)因子2 = & / 被用作宇宙學(xué) 尺度上的距離指示符。在將相同的原理應(yīng)用于地面尺度的過(guò)程中，基本的困難當(dāng)然是只有針對(duì)非常 遙遠(yuǎn)的星系才看得到可測(cè)得的紅移，這意味著即使對(duì)于星系之間的尺度，宇宙膨脹也太慢了以致無(wú)法用于距離測(cè)量。根據(jù)Einstein-deSitter模型，在環(huán)地軌道 (1AU 150x106 km)尺度上，重力減速將使膨脹放慢到10-41 m/s量級(jí)，Cooperstock 等人在1998年的A^o; /yAy/ca/Jowma/， vol. 503,頁(yè)61-68中對(duì)此有過(guò)描述。為什么相 對(duì)論性膨脹無(wú)法出現(xiàn)在短距離？ 一種解釋是如果觀察者的原子也以相同的速率膨 脹，那么膨脹本身將是無(wú)法觀察到的，這在Misner、 Thome和Wheeler三人合著的 Grav/加/o"—書(Freeman出版，1973年，719頁(yè))中討論過(guò)。順便提及，若干研究者已經(jīng)指出，先鋒加速看起來(lái)可表示這樣一種膨脹，該 膨脹在太陽(yáng)系尺度上堅(jiān)持不從其大尺度數(shù)值//?！?7 pc 2.17xl0-18 s"減小。已知這種膨脹在我們局部的星系群尺度上不減小，從而提出了 "平坦性"和"安靜性"的 雙重問題，其中"平坦性"反映了按經(jīng)典理論預(yù)期的重力減速和加速之間的顯著 平衡，因?yàn)榇蟾趴煽康呐懦饬Σ⒉怀尸F(xiàn)與類氣體氣壓一致的波動(dòng)。作為一種可選擇 的解釋(Anderson對(duì)此引用過(guò)，并且這種解釋導(dǎo)致了本發(fā)明的產(chǎn)生)，預(yù)印檔案服 務(wù)器h加:〃www.arxiv.org上公布的原稿astro-ph/9907363中提出，上述原因很可能就是 地球上的，從而描述了行星、月亮和地球數(shù)據(jù)的完全經(jīng)驗(yàn)化的一致性。若該假定有 效，則可獲得的膨脹率仍將只有0(10-18) s—1。此外，即使宇宙膨脹足夠大以至于可以用于地表測(cè)量，和不依賴于自然現(xiàn) 象而牽涉到人為可控參數(shù)的方法相比，我們?nèi)詫⑹芟抻诟〉某叨确秶＝邮諜C(jī)修改的使用本發(fā)明受到astro-ph/9907363和gr-qc/0005090中的先鋒反常加速的詳細(xì)分 析和解釋的啟發(fā)，即地球上或低地軌道中的儀器緩慢且穩(wěn)定的收縮，這是因地 球重力壓力下的正常蠕變以及月亮和太陽(yáng)的潮汐作用所導(dǎo)致的。第三份原稿 gr-qc/0005014給出了特殊和一般相關(guān)性的第一原理推論(該推論來(lái)自物理測(cè)量 中儀器尺度角色的分析)，并克服了膨脹在短尺度上不可觀察性的問題(該問 題限制了相對(duì)論理論)。這被Anderson稱為"空間-時(shí)間彈性理論"，但是關(guān)鍵機(jī)制是非彈性的和宏觀的，并且第二方面能夠作一般的使用。該理論在根本上區(qū)別于Eddington所創(chuàng)造的更天真的相對(duì)論直覺，不同之處 在于，宇宙的均勻膨脹將等價(jià)于每一個(gè)原子的均勻收縮，因?yàn)樵咏Y(jié)構(gòu)的尺度無(wú)法受到像蠕變這樣的宏觀現(xiàn)象的影響。更值得注意的是 在宇宙飛船上、在另一個(gè)行星上、或在 另一個(gè)太陽(yáng)系中，蠕變速率將是不同的，此外，蠕變速度在所有情況下 就像潮汐應(yīng)力發(fā)展那樣還隨時(shí)間而變化。
宇宙膨脹和加速將是實(shí)際有效的，根據(jù) 測(cè)量平臺(tái)的不同而具有不同的數(shù)值。
兩個(gè)量值將在每一個(gè)地點(diǎn)緩慢變化，并 且呈現(xiàn)出與局部潮汐應(yīng)力相關(guān)聯(lián)的方向性。從先鋒宇宙飛船上看，沿宇 宙飛船的自旋軸，宇宙看起來(lái)好像是靜止的，在橫向方向上，則隨加速 度而收縮。兩個(gè)量值將分別由觀察者的局部、瞬時(shí)蠕變速率及其平方的負(fù)數(shù)來(lái)更準(zhǔn)確地 確定。這種關(guān)系已經(jīng)在1998年發(fā)現(xiàn)加速度之前的許多年就己經(jīng)推導(dǎo)出。地面和深空 時(shí)鐘之間相應(yīng)的變化是由先鋒近點(diǎn)角來(lái)揭示的，之前看起來(lái)沒有希望提出，曾在1998年10月NASA的第一份報(bào)告之前的幾個(gè)月就被預(yù)期。相同的關(guān)系適用于本發(fā) 明，但蠕變就像宇宙膨脹那樣不可用于一般的測(cè)距目的，原因同樣是太小且不可控 制。蠕變假設(shè)在過(guò)去提出了一些次要的困難，特別是與不同結(jié)構(gòu)且不同緯度的 望遠(yuǎn)鏡之間當(dāng)前的宇宙測(cè)量不一致，其中包括空間中的望遠(yuǎn)鏡比如哈勃望遠(yuǎn) 鏡。相關(guān)的困難是兩個(gè)先鋒宇宙飛船的剩余近點(diǎn)角之差不得不歸因于星系潮汐 作用的差異，這將比該剩余差值小若干個(gè)量級(jí)。另一個(gè)困難在于解釋明顯的哈 勃紅移的連續(xù)性，因?yàn)樵谌魏纬叽绾侠淼耐h(yuǎn)鏡中的第二方向上，所要求的蠕 變速率對(duì)應(yīng)于原子核直徑的分?jǐn)?shù)。這些困難現(xiàn)在都已經(jīng)解決，在詳細(xì)描述中會(huì) 簡(jiǎn)短地討論這些解決方案以進(jìn)一步示出本發(fā)明的機(jī)理，同時(shí)也提供了一種首次 測(cè)量這種小蠕變速率的手段。與量子理論概念的關(guān)聯(lián)根據(jù)Einstein的光電理論，光和粒子的微粒觀點(diǎn)已經(jīng)變得很普遍。根據(jù)該 觀點(diǎn)，波本性只顯示在直接涉及相位的事件中，比如衍射和粒子衍射圖形上磁 矢位乂的Aharanov-Bohm效應(yīng)，即便是那樣，也只是靜態(tài)地涉及，因?yàn)檠Χㄖ@ 波方程涉及幾率振幅而非實(shí)際的粒子。結(jié)果，將光子想像成Einstein理論的單色能量量子變得很平常，它由普朗克量子化規(guī)則^ = /^給出，其中v是頻率。 相應(yīng)地，譜線的熱擴(kuò)展常常被視為主要是統(tǒng)計(jì)上的，單個(gè)光子仍然表示單個(gè)頻率。
在這種觀點(diǎn)中，有兩個(gè)基本的矛盾，迄今為止視為作詳細(xì)處理
首先，對(duì)于研究非常遙遠(yuǎn)的星系的天文 學(xué)家而言很熟悉的是，有穩(wěn)定的源，通過(guò)數(shù)單個(gè)的光子來(lái)構(gòu)建其圖片。 對(duì)于單個(gè)檢測(cè)到的光子而言，譜擴(kuò)展無(wú)法是零，因?yàn)榧兇獾恼彝ㄟ^(guò)定
義無(wú)法終止于檢測(cè)器中。檢測(cè)到光子的事實(shí)與入射輻射到單色能量量子 的固有量子化過(guò)程的微粒概念相抵觸。
該論點(diǎn)不同于信息速度的相對(duì)論問題，這將與接收到的光子的群速度相 關(guān)聯(lián)一該問題涉及單個(gè)能量量子的轉(zhuǎn)移。將它們視為波包仍懷疑其單色 性。
第二個(gè)矛盾是一個(gè)相關(guān)的想法，源距離 信息可以存在于接收到的輻射中，并只作為波前的空間曲率，這要求使 用多元靜態(tài)接收或平方反比定律衰減，這可以只用于源強(qiáng)度已知的"標(biāo) 準(zhǔn)蠟燭"。如脈沖雷達(dá)成像所揭示的那樣，相位包絡(luò)中存在源距離信息 是不明顯的，因?yàn)樗鼰o(wú)法被視為統(tǒng)計(jì)結(jié)果，己知量子波函數(shù)的統(tǒng)計(jì)本性 涉及它們的振幅而非它們的相位。
對(duì)于第一個(gè)問題的唯一解決方案是回到Einstdn以前將光子視為檢測(cè)器中的能
量躍遷的概念。這不僅保留了普朗克的量子化，還實(shí)際上解釋了光電現(xiàn)象的特性，
光電現(xiàn)象曾引出Einstein理論及其Millikan驗(yàn)證("A Direct Photoelectric Determination of Planck's /z",尸/z;w'cfl/vol. 7,第355-388頁(yè)，1916年)。在接下
來(lái)發(fā)展出的量子處理方法中，主要以檢測(cè)器狀態(tài)為例對(duì)這種近乎瞬時(shí)的響應(yīng)進(jìn)行精 確建模。在量子電動(dòng)力學(xué)的二次量子化形式中(它最接近地代表了固有量子化概 念)，光子構(gòu)成整體輻射場(chǎng)的駐波或行波模式，而非孤立的輻射能量包。
在這種精細(xì)化的觀點(diǎn)中，本發(fā)明涉及檢測(cè)器狀態(tài)轉(zhuǎn)變事件，用于表示本來(lái) 是非正弦的并因此能夠攜載距離信息的光子。將變得較清晰的是，這不失一般 性。這些考慮當(dāng)然與聲應(yīng)用不相關(guān)。大氣特征的使用
在英國(guó)人H AFrench的美國(guó)專利5,894,343 (1999年4月13日公布)中以及該專 利所引用的其它專利中描述了用于確定源距離的其它無(wú)源方法。這些方法使用了源 波譜的大氣效應(yīng)來(lái)測(cè)量距離，因此只限于高溫下發(fā)射黑體波譜分布的熱源，并限于 其行為已知的大氣范圍。
發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的主要目的是提供一種非常通用的無(wú)源測(cè)距技術(shù)，該技術(shù)將適 用于很遠(yuǎn)的距離并可應(yīng)用于任何和每一個(gè)可觀察的目標(biāo)。相關(guān)的目的是極大地減小 所需的工作功率。次要目的是通過(guò)減小暴露于雷達(dá)照射的機(jī)會(huì)來(lái)提高安全性和健康 性。另一個(gè)次要目的是簡(jiǎn)化雷達(dá)和聲納中所涉及的測(cè)量和計(jì)算。另一個(gè)激動(dòng)人心的 目的是對(duì)輻射和物質(zhì)的相互作用機(jī)理以及波的特性作更深的理解，波特性對(duì)于電磁 理論、量子論和相對(duì)論而言是最基本的。又一個(gè)次要的目的是提供實(shí)踐的手段，用 于測(cè)量地球上以及星際太空行動(dòng)中潮汐力的微觀損傷。
A.工作原理
通過(guò)對(duì)接收機(jī)(用于接收來(lái)自遠(yuǎn)方目標(biāo)的電磁波或其它種類的波)中的譜敏 感前端裝置(比如調(diào)諧天線或望遠(yuǎn)鏡鏡子)施加歸一化速率為//(每秒)的連續(xù)調(diào)制， 測(cè)量接收到的波譜中一個(gè)或多個(gè)頻率^的歸一化移動(dòng)z3&y/w (無(wú)量綱的)，并且 用公式(1)計(jì)算到目標(biāo)的距離r，便可以使將變得很明顯的這些和其它目的都在 本發(fā)明中得以實(shí)現(xiàn)。公式(1)如下<formula>formula see original document page 12</formula>(1)
其中c是入射波的速度。本發(fā)明使用正弦行波/(W)^，^的基本特性，在 離源的距離為r的地方其相位由指數(shù)因子給出，指數(shù)因子如下
<formula>formula see original document page 12</formula> (2 )
其中^被稱為波矢或波數(shù)，而A是波長(zhǎng)。右方第一項(xiàng)是路徑對(duì)瞬時(shí)相位的貢獻(xiàn)。因?yàn)榫嚯x變化Ar或波數(shù)的選擇變化A"所以相位增量可能起因于該項(xiàng)，即
<formula>formula see original document page 13</formula>
右邊第一項(xiàng)^Ar涉及多普勒效應(yīng)和傳統(tǒng)的基于相位的方法(全息術(shù)和合成孔 徑雷達(dá))，它們依賴于各頻率處的相位差。本發(fā)明涉及第二項(xiàng)，它可以被寫成
rL (4)
這包括背景技術(shù)中討論過(guò)的脈沖雷達(dá)成像，其中照射脈沖序列等價(jià)于頻率 "梳"，從而為沿徑向區(qū)分目標(biāo)特征提供了頻率多樣性。然而，其范圍是有限的， 因?yàn)樗褂霉潭ǖ腁A和有源照射。
為了實(shí)現(xiàn)不受限制的范圍，方程(4)的天真應(yīng)用將要求精確選擇相互接近的 頻率對(duì)(該頻率對(duì)差別很小只有AA)以及精確測(cè)量它們的瞬時(shí)相位，因?yàn)閷?duì)于r400 并且OSA0〈oo的情況，方程(4)意味著AA —0，并且將引出相互依賴性和不確 定性等問題，而只有AA和A^的值將是有意義的。
本發(fā)明涉及通過(guò)使用方程(4)中的任一因子的變化率而作進(jìn)一步的簡(jiǎn)化，即 橫掃該波譜，以獲得作為該比率的目標(biāo)距離<formula>formula see original document page 13</formula>
這假定每一個(gè)波包中不同的頻率以一致的相位開始。符號(hào)纟替代"用于表示 入射波的選擇性，而非固有屬性。分子&y表示測(cè)得的頻率中的移動(dòng)，并且?guī)缀蹩?是比相位更容易更精確地測(cè)量。它與r的比例性意味著上述移動(dòng)&y不能被混淆為 由修改而引入的校準(zhǔn)誤差。分母ci/^是本發(fā)明對(duì)譜裝置的修改，從而定義了其頻 率選擇的變化率，并且作為實(shí)用變量，它可以被精確地控制。方程(1)符合其中&5&是由前端瞬時(shí)作用的頻率， 一起定義的還有歸一化的修改率
u _ 1 d<￡> 1 A ,"、
--三7-, WJ
fi>必
其中t表示觀察時(shí)間，與路徑時(shí)間r/c截然不同。本發(fā)明在宇宙距離尺度上作出
了兩個(gè)改進(jìn)，都是普通地表和近空間距離所急需的。
首先，在接收機(jī)自身處產(chǎn)生移動(dòng)，并不依賴于宇宙學(xué)方面的原因，所以更高
的Z/值變得可用，從而能夠在非常短的范圍使進(jìn)行測(cè)量。從(未知的)r移動(dòng)的結(jié) 果被包含在方程(5) 、 (6)和(7)中
<formula>formula see original document page 14</formula> (8)
其次，即使沒有原子或原子核譜線作參考，也可以識(shí)別和測(cè)量更大的移動(dòng)， 因?yàn)樵诟L(zhǎng)的波長(zhǎng)處或用聲音時(shí)，簡(jiǎn)單地通過(guò)將移動(dòng)后的波譜與相同目標(biāo)的未 移動(dòng)的波譜進(jìn)行比較或與從不同的值//'(較佳地是/Z的倍數(shù)，例如<formula>formula see original document page 14</formula>中獲得的移動(dòng)進(jìn)行比較即可。(未修改的)傅立葉譜對(duì)應(yīng)于/z'
<formula>formula see original document page 14</formula> (參照下面的方程12)。
B.關(guān)于本發(fā)明的頻移的解釋 頻率選擇通常由正交條件來(lái)控制，
<formula>formula see original document page 14</formula> (9)
其中^0是狄拉克5函數(shù)，被定義成"P(x>fe = 1,且"o時(shí)^W^;積分是
在觀察時(shí)間中進(jìn)行的；并且路徑相位貢獻(xiàn)exPG^通常無(wú)價(jià)值且被忽略。 在詳細(xì)描述中將證明修改后的選擇對(duì)應(yīng)于<formula>formula see original document page 15</formula>
(10)
用量子力學(xué)的語(yǔ)言，普通的正交條件方程(9)將被寫成
并且方程(10)變成
<formula>formula see original document page 15</formula>
(12)
其中〈4^S/刮和〈刮分別是接收機(jī)修改和未修改的狀態(tài)，該修改是由"有 效哈勃流"或"譜相位梯度"算符來(lái)描述的
<formula>formula see original document page 15</formula>(13)
其中l(wèi)^力更完整地代表了入射波。(用于本發(fā)明的修改的符號(hào)/f基于其與 天體物理學(xué)中的哈勃流的相似性，將在詳細(xì)描述中給予解釋。我們將使用E作 為量子哈密頓算符)。
注意到方程(12)和(13)將移動(dòng)歸因于入射頻率^，而非方程(10)中的
瞬時(shí)選擇6。像在量子形式中，對(duì)換是必需的，〈6|必須代表觀察的最后狀態(tài)。
該參考移動(dòng)在數(shù)學(xué)上是很直觀的，因?yàn)閊)僅在^1 + ^///。 = ^處才是非零 的，并且積分pM(^)和p^(A[l + W/c])只有一個(gè)常數(shù)的區(qū)別，該常數(shù)代表標(biāo)
度差。因?yàn)樵摌?biāo)度因子獨(dú)立于6和ffl，所以振幅〈6(1 + ^///。|^〉禾[1〈6|6;/(1 + ^9/?！?代表相同的幾率譜。然而，在物理上，它們表示不同的過(guò)程，因?yàn)椤碅lw/(l + r/Z/c)〉 是在《處觀察到的更低頻率+ r/7/c)的振幅，而〈dXl + I 〉是通過(guò)觀察過(guò)程 比例增大到^(1 + 〃///0的入射頻率0; = 6的振幅。方程(5)的推導(dǎo)似乎表示后者
作為方程(4)特別涉及各自具有正常選擇的w的微分波數(shù)對(duì)A。
然而量子方案仍有效，因?yàn)樵诜匠?5)中取時(shí)間導(dǎo)數(shù)，我們也失去A到入射波中的瞬時(shí)成分《 = ^的通常聯(lián)系，并且只留下了一個(gè)用于表示瞬時(shí)速率的cto，接 收機(jī)就是按該瞬時(shí)速率來(lái)掃描由目標(biāo)r貢獻(xiàn)的靜態(tài)相位梯度的，由下式給出
ilimL (14)
在所有物理現(xiàn)象中，該相位梯度都未曾使用過(guò)在詳細(xì)描述中將示出， 它表示波前的空間曲率的時(shí)間模擬。在每一個(gè)《處，該相位梯度的掃描產(chǎn)生了 頻率移動(dòng)因子l + r/Z/c。我們是在^Hw/(l + r/Z/c)處測(cè)量6;(的振幅)還是在 ^(l + r州c)處測(cè)量c;二 (瞬時(shí)的)6 (的振幅)，這取決于接下來(lái)的"后端"濾 波器、檢測(cè)器或其它所使用的測(cè)量裝置或步驟。
C.原理特征
本發(fā)明的頻移&y的若干顯著屬性遵循剛描述過(guò)的本發(fā)明的基本原理。該移動(dòng) 與w的比例(方程12)使其相似于多普勒效應(yīng)，并且意味著它將幾何關(guān)系保存到譜 線之間。原子譜線的比例被精確地保存，這對(duì)宇宙膨脹(比如背景中提及的蠕變假 設(shè))的任何解釋都是必需的。
詳細(xì)描述中將會(huì)建立，上述頻移確實(shí)代表了目標(biāo)的虛擬移動(dòng)中的多普勒效應(yīng)， 這是由本發(fā)明的修改所引入的標(biāo)度因子l + r/Z/c引起的。盡管取決于r，但是標(biāo)度因 子本身實(shí)質(zhì)上是靜態(tài)的，引起了所有被觀察目標(biāo)的瞬時(shí)虛擬移動(dòng)，由下式給出
vv(r) = //r (15)
與下列事實(shí)一致，//具有[廠']的量綱(時(shí)間的倒數(shù))。也暗含加速，該加速 精確地匹配于宇宙學(xué)上觀察到的"減速系數(shù)"《=-1。
其次，盡管在/z^o的每一個(gè)纟處將可以測(cè)量上述移動(dòng)，但是它不是單個(gè)接收
到的頻率成分的函數(shù)，而是像已經(jīng)解釋過(guò)的那樣，是(靜態(tài))相位梯度c^/說(shuō)的函 數(shù)(方程14)，極限是通過(guò)掃描兩者并在分子和分母中取A —0而實(shí)現(xiàn)的。如果只 存在一個(gè)頻率，則移動(dòng)后的信號(hào)將具有零振幅，因?yàn)閱蝹€(gè)成分最多可以在每一次掃 描中提供瞬時(shí)的貢獻(xiàn)。在入射波中，可測(cè)的振幅只對(duì)其周圍分布著非零帶寬的那些 頻率有作用。幸運(yùn)的是，對(duì)于真實(shí)的目標(biāo)而言，總是這種情況，因?yàn)橥耆珕紊脑?是不可能的。特別是，在每一個(gè)頻率處只要求微分帶寬，所以在光頻和更高頻率處(光子躍遷時(shí)間通常相對(duì)于觀察時(shí)間而言是非常短的)，真實(shí)目標(biāo)的亮度將得到保 存。
第三，相位梯度在譜上形成包絡(luò)，類似于空間中形成的波前。如下文會(huì)解釋 的那樣，本發(fā)明利用視差的時(shí)間形式，其中修改率^/^是接收機(jī)相對(duì)于源的角位 移的相應(yīng)形式。在全息術(shù)中(涉及方程(3)中的其它項(xiàng)并且涉及記錄和重新產(chǎn)生 之間的相位差A(yù)^，該相位差是由各頻率處的空間位移Ar所導(dǎo)致的)，觀察角確實(shí)
相應(yīng)地涉及到空間頻率。
這些概念幫助解釋與源的明顯的物理聯(lián)系。這種聯(lián)系迄今為止是非直觀的， 因?yàn)楦鱾€(gè)頻率成分的相位雖然是同時(shí)按方程(2)演化的，但還都是獨(dú)立演化的。
在每一個(gè)成分中，每一個(gè)循環(huán)都與下一個(gè)完全一樣，但是振幅有衰減，但后者不是 本發(fā)明所要關(guān)心的內(nèi)容。
根據(jù)上述概念，源的"記憶"含在各頻率的相位梯度圖形中，而非它們的 波前圖形中。當(dāng)相位演化偏離方程(2)而在各頻率上非均勻時(shí)，該相位梯度 記憶就被蓋寫，所以它將不受"無(wú)色散"偏轉(zhuǎn)的影響，但是將具有色散的或重 發(fā)射的散射體的距離信息。無(wú)色散的偏轉(zhuǎn)體的預(yù)期透明性幾乎不是特別的，并 且將不呈現(xiàn)出嚴(yán)重的問題，因?yàn)橥该餍詫⑾抻谔囟ǖ念l率帶，并且在偏轉(zhuǎn)體和 介質(zhì)的邊緣附近將不存在。
D.實(shí)施例的形式
在包括物理譜靈敏前端裝置(比如衍射光柵、諧振腔、或調(diào)諧電路)的接收 機(jī)中，本發(fā)明的修改可應(yīng)用于物理前端裝置。
具體來(lái)講，在使用諧振腔的接收機(jī)中，本發(fā)明的修改包括連續(xù)改變腔的長(zhǎng)度。 在使用調(diào)諧電路進(jìn)行頻率選擇的接收機(jī)中，該修改相似地包括連續(xù)改變?cè)撾娐分械?一個(gè)或多個(gè)調(diào)諧元件，比如電感器、電容器或電阻器或這些元件按某種比例的組合。
在使用衍射光柵的接收機(jī)中，本發(fā)明的修改包括在觀察期間均勻地改變光柵 間隔。在使用像棱鏡這樣的折射元件的接收機(jī)中，該修改包括均勻地改變?cè)墓?學(xué)厚度，即其厚度或其折射率。
在使用采樣作為前端手段并從采樣數(shù)據(jù)中計(jì)算接收到的譜的接收機(jī)中，本發(fā) 明的修改相應(yīng)地包括連續(xù)改變采樣間隔。采樣前端的譜靈敏度就采樣間隔而言取決 于計(jì)算出的譜的校準(zhǔn)，因?yàn)椴蓸诱穹鶖?shù)據(jù)的給定序列總會(huì)產(chǎn)生相同的數(shù)字輸出，根據(jù)采樣前端所用的實(shí)際的采樣(時(shí)間)間隔，該輸出將代表不同的頻率范圍。因此， 通過(guò)在接下來(lái)的譜計(jì)算過(guò)程中不補(bǔ)償采樣間隔的變化，便獲得了所期望的受控的變 化^/&?；蛘撸梢詢?nèi)插均勻采樣的值，以模仿上述間隔變化，只要原始采樣間 隔足夠精細(xì)并且數(shù)目足夠大的樣本可用于有意義的內(nèi)插即可，因?yàn)楸景l(fā)明的方法需 要A的指數(shù)變化，以便實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的所期望的i/值，像隱含在方程(7)中那樣。
在所有情況下，譜裝置可以重設(shè)，并且本發(fā)明的修改以很短的時(shí)間間隔不斷 重復(fù)，以便利于頻移的測(cè)量。在光頻下，該重復(fù)周期可以短至微秒，所以對(duì)于人眼 而言，移動(dòng)后的譜看起來(lái)是穩(wěn)定的。
即時(shí)變化包括改變本發(fā)明的修改在交替重復(fù)之間的方向，即改變//的符號(hào)。 這不僅避免了不得不明確地重設(shè)譜裝置，還避免了在重設(shè)期間的入射能量損失，并 且提供了差別化移動(dòng)的譜以供比較，其目的在于識(shí)別并測(cè)量移動(dòng)。相關(guān)的變化是并 行使用未修改的或具有不同修改率的第二接收機(jī)，以供比較。
本發(fā)明的另一個(gè)通用變化是簡(jiǎn)短地增大或減小本發(fā)明的修改//，以便放大上 述移動(dòng)，從而研究特定的目標(biāo)及其特征。根據(jù)方程(1)，該放大將立即顯示在所 有的r上。
另一種實(shí)施例形式涉及反向使用上述原理，用于測(cè)量由局部行星潮汐力對(duì)儀 器正在造成的損壞。本發(fā)明的方法包括構(gòu)建一種裝置，用于與儀器相同的材料的 譜選擇或分解；將該裝置與望遠(yuǎn)裝置組合起來(lái)(或構(gòu)建到后者之中)，以便觀察源 距離的已知物體，比如行星或星系；以及在從這些物體那接收到的輻射中確定頻移， 以獲得相應(yīng)的用于/Z的平均值即//。，這量化了 (局部)自然蠕變率(或其它自然
原因)。
對(duì)此的改變可以有改變本發(fā)明的修改率//，尋求一個(gè)數(shù)值// =-仏，在該數(shù)值 處自然率/f。的可觀察的效應(yīng)將消失。
另一種改變是將非零修改率/Z施加到多個(gè)目標(biāo)的入射信號(hào)的混合，并且通 過(guò)比較所產(chǎn)生的移動(dòng)譜來(lái)區(qū)分這些目標(biāo)。
E.優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用
和大多數(shù)已知的距離測(cè)量技術(shù)相比，本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)便是其真正無(wú)源的本
質(zhì)。和任何目前的技術(shù)相比，它能夠用于更遠(yuǎn)的距離，比如近太空和深太空，因?yàn)?它引出了r^oc尸"2 "功率-范圍"定律，并且避免了對(duì)參考照射的依賴。
另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)很可能是超過(guò)非視差非RTT方法(天體物理學(xué)的"標(biāo)準(zhǔn)燭光")
18的更高的精確度，其預(yù)期精確度可以和空間視差所提供的精確度相比。這些優(yōu)點(diǎn)很 可能適用于行星間和星系間的尺度。
其真正無(wú)源的本性這一優(yōu)點(diǎn)也超越了目前的地表無(wú)源雷達(dá)系統(tǒng)，甚至可以用 于廣播和手機(jī)基站發(fā)出的照射不可到達(dá)或不夠強(qiáng)的區(qū)域。這樣，它限于提供一些電 磁發(fā)射的目標(biāo)，比如紅外熱信號(hào)，并且減小到簡(jiǎn)單視差的替代。然而，也有超過(guò)普 通視差的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)楸景l(fā)明的方法只要求一個(gè)方向上的偵聽天線。
本發(fā)明的方法還提供一種簡(jiǎn)單的裝置，用于按其徑向距離來(lái)分離目標(biāo)和目標(biāo) 特征，以擴(kuò)充或簡(jiǎn)化有源和無(wú)源的雷達(dá)系統(tǒng)，因?yàn)樗恍枰辔换蛲刀〞r(shí)和參考 照射的關(guān)聯(lián)性。這種關(guān)聯(lián)是現(xiàn)存單基地雷達(dá)的射頻(RF)部分很復(fù)雜的原因，并且在
發(fā)送和接收側(cè)之間可實(shí)現(xiàn)的隔離為它們的性能設(shè)置了限制。本發(fā)明能夠使RF部分
的兩側(cè)分離開，同時(shí)不損失信息。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)(也是因其真正無(wú)源的本性而產(chǎn)生的優(yōu)點(diǎn))是使大多數(shù) 目前的雷達(dá)因詢問脈沖而導(dǎo)致的總傳播延遲減小了大約一半。在像基于空間的導(dǎo)彈
防衛(wèi)這樣的應(yīng)用，RTT將是一秒中相當(dāng)大的一個(gè)分?jǐn)?shù)，這取決于目標(biāo)的范圍，并
且使其減半將意味著更大的跟蹤精確度。
其更低的功率要求(同時(shí)不具有目前無(wú)聲雷達(dá)在靈敏度和計(jì)算方面的復(fù)雜性) 以及微波發(fā)射的消除使本發(fā)明適用于全新一代普遍適用的"用戶雷達(dá)"，應(yīng)用范圍 從汽車碰撞避免雷達(dá)到更智能且更流暢的門開啟裝置、近程傳感器。
近年來(lái)出現(xiàn)的另一種應(yīng)用涉及，蜂窩電話中的發(fā)射機(jī)功率控制要求，急需用 于其它單元中相同頻率信道的再利用。在碼分多址(CDMA)(或擴(kuò)頻譜)蜂窩服務(wù) 中，在移動(dòng)單元上需要功率控制，以平衡基站處接收到的信號(hào)電平，從而允許適當(dāng) 的接收。
用于手機(jī)功率控制的通常方法是，讓基站響應(yīng)于移動(dòng)設(shè)備的初始發(fā)射，命令 后者提高或更可能是降低其發(fā)射功率。如果移動(dòng)單元移動(dòng)單元可以大致但可靠地估 計(jì)它們到基站的距離，則它們可以避免以更高的功率來(lái)發(fā)射，這不僅對(duì)保存它們的 電池有利，但也減少了干擾并允許更好地使用帶寬。來(lái)自基站的功率設(shè)置指令很大 程度上可以消除了，釋放了更多的信道時(shí)間用于實(shí)際的通信。本發(fā)明能夠在不進(jìn)行 RTT測(cè)量的情況下進(jìn)行可靠的基站距離估計(jì)，節(jié)約電池，還幫助改善服務(wù)。
本發(fā)明的另一個(gè)應(yīng)用涉及，在光纖和傳輸線中定位斷裂或非均勻性。和目前 的技術(shù)相比，主要的優(yōu)點(diǎn)與超越目前的雷達(dá)技術(shù)的那些優(yōu)點(diǎn)一樣，比如消除了相位 參考和相干處理、降低了功率以及可測(cè)量性。相位參考的消除意味著，必需的激勵(lì)可以施加到任一端并且具有任何波形，所以，在線路和光纖工作時(shí)，本方法可以連 續(xù)地使用其數(shù)據(jù)流本身，，重要的是，沿物理通道確定不連續(xù)點(diǎn)并反映它們的分布 情況所涉及的分析復(fù)雜性小了許多。
本發(fā)明提供了一種后備手段，根據(jù)其距離分離不同源的信號(hào)譜，具有大量的
優(yōu)點(diǎn)。這將允許在頻率上重疊的多個(gè)信號(hào)的分離得到改進(jìn)，使CDMA單元更小，即 使在沒有代碼劃分的情況下也可以重新利用通信帶寬，提供被稱為源距離多路復(fù)用 (SDM)的方法以及"無(wú)干擾"通信接收機(jī)。
這種距離分離能力也將簡(jiǎn)化雷達(dá)和聲納中的目標(biāo)分離，并能夠產(chǎn)生與合成孔 徑雷達(dá)相似的二維成像，但同時(shí)沒有相干照射。這種分離將能夠使雷達(dá)接收機(jī)變得 更能抗干擾("抗干擾雷達(dá)")。
最終，如詳細(xì)描述中所示，本發(fā)明的頻移像多普勒效應(yīng)那樣是普遍且基本 的。因此，本發(fā)明可以應(yīng)用于任何種類的傳播波，包括上述的聲波，甚至物質(zhì) 的德布羅意波。
變體
當(dāng)結(jié)合附圖來(lái)考慮較佳實(shí)施例的詳細(xì)描述時(shí)，本發(fā)明的其它目的、特征、 變體和優(yōu)點(diǎn)都將變得很明顯，這些都應(yīng)該在說(shuō)明性和非限制性的意義下來(lái)解 釋。
圖1是示出了本發(fā)明的工作原理的圖。
圖2示出了本發(fā)明所給出的時(shí)間視差的概念。
圖3示出了本發(fā)明的較佳實(shí)施例的示意性框圖。
圖4示出了在使用諧振腔的接收機(jī)中本發(fā)明的修改的物理過(guò)程。
圖5示出了在使用衍射光柵的接收機(jī)中本發(fā)明的修改的物理過(guò)程。
圖6、 7和8示出了當(dāng)應(yīng)用圖5的設(shè)置作為該修改時(shí)的三張連續(xù)的快照。
圖9示出了使用"振蕩電路"接收機(jī)的調(diào)諧部分，本發(fā)明可以應(yīng)用于該部分。
圖10示出了根據(jù)本發(fā)明通過(guò)改變采樣間隔來(lái)提取使用采樣的接收機(jī)中的 相位梯度并計(jì)算該譜的過(guò)程。圖11示出了接收機(jī)模式因本發(fā)明的修改而導(dǎo)致的波長(zhǎng)的時(shí)間依賴性。 圖12示出了本發(fā)明是如何使連續(xù)波長(zhǎng)上的能量成為一體的。 圖13和14分別示出了地球上和宇宙飛船上的潮汐蠕變，現(xiàn)在可以用本發(fā) 明對(duì)它們進(jìn)行測(cè)量。
具體實(shí)施例方式
下面詳細(xì)描述本發(fā)明，開始是圖解相位梯度和時(shí)間視差這兩個(gè)概念以及本 發(fā)明的方法的核心原理，之后就是本發(fā)明的較佳實(shí)施例、其操作的描述以及用 于選擇//的樣本計(jì)算過(guò)程。按順序討論將該實(shí)施例應(yīng)用于使用諧振腔和調(diào)諧電 路的接收機(jī)、衍射光柵或折射、以及譜的采樣和計(jì)算，從而示出了本發(fā)明的頻 率移動(dòng)z是如何在每一種情況下根據(jù)方程(1)來(lái)揭示目標(biāo)距離r的。最后，簡(jiǎn) 短地討論了實(shí)踐方面的考慮和物理實(shí)現(xiàn)方式，以確保對(duì)本發(fā)明的充分理解能夠 使其以多種形式加以利用并且為相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)用。
A. 本發(fā)明的原理
本發(fā)明的原理可以由圖l來(lái)最好的詮釋，圖l示出了由目標(biāo)前進(jìn)所發(fā)出的不同 頻率(叫，w,，...)的波的相位，離目標(biāo)的徑向距離為"和高頻化的波節(jié)[913]和 波腹[914]相比，低頻叫的波節(jié)[911]和波腹[912]具有更大的空間分隔。發(fā)明內(nèi)容中
提到的相位梯度是連接各個(gè)波的等相線的斜率，比如連接各波節(jié)的線[750]，它們 形成雙曲線，在w-oo處于/^0。全息術(shù)中所記錄和再現(xiàn)的波前是相似的空間等相 線，而非頻率域所表示的時(shí)間。
本發(fā)明的原理是修改接收機(jī)以便連續(xù)掃描輸入的頻率。在修改速率 ^/&〉0的情況下，接收機(jī)因路徑&(4 =《)的貢獻(xiàn)而遭遇不斷增大的相位貢獻(xiàn) (它在^ = 0處就變?yōu)榱懔?，并且隨著離源(目標(biāo))的距離r不斷增大，掠過(guò) 不斷增大的陰影區(qū)域[700]、 [701]和[702]，因?yàn)槁窂截暙I(xiàn)正比于等相線的斜率 [750]。這些斜率、相位梯度的測(cè)量以頻移5w為形式揭示了r，根據(jù)方程(5)， 頻移(5w等于梯度3乘以掃描率。
B. 與時(shí)間視差的關(guān)聯(lián)
圖2示出了時(shí)間視差的相關(guān)概念，這特別解釋了在本發(fā)明中不再需要時(shí)間或相位參考來(lái)測(cè)量目標(biāo)距離"該圖示出了由方程(1)給出的本發(fā)明的頻移圖，所針 對(duì)的是若干個(gè)W值且點(diǎn)源初始位于距離r處的第一位置[850]隨后位于,:^第二位 置[860]。
根據(jù)方程(1)，入射的譜分布F(w)[730]在本發(fā)明的修改速率^(線[711]) 下將頻率移動(dòng)到F(叫)[731]，在速率i/2〉A(chǔ)(線[712])下將移動(dòng)到《2,[732]附近。
相應(yīng)地，在速率-^(線[721])，該分布將移動(dòng)到w;'="-(w;-w)=-w;[74i]附近。
從圖中應(yīng)該清晰地看到，通過(guò)改變//，接收機(jī)可以有效地從不同的"頻率 角"a^an"/Z來(lái)看該目標(biāo)，由此對(duì)目標(biāo)的位置進(jìn)行三角測(cè)量。例如，如果源 移動(dòng)到距離為/ = "&處的新位置[860]，則相同的修改速率//2繼續(xù)對(duì)著相同的 角《2，但與新位置[860]有關(guān)，從而使譜進(jìn)一步移動(dòng)到《3= 2+&y [733]。
C.較佳實(shí)施例的結(jié)構(gòu)
較佳實(shí)施例涉及一種接收機(jī)，接收來(lái)自目標(biāo)源或散射體(800)的入射電磁波、 聲波、引力波和物質(zhì)波[900]，其中包括頻率成分{^(^)}，該接收機(jī)包括后端譜分
析或檢測(cè)裝置[220]以及前端調(diào)諧器或?yàn)V波裝置[200]，以便在其輸入[100]處接收入 射波，使得前端影響后端處的譜選擇。如圖3所示，本發(fā)明包括
修改裝置[400]，向前端裝置[200]施加 受控的改變率^/^,由此在前端裝置[200 ]的輸出處產(chǎn)生移動(dòng)的譜
，轉(zhuǎn)而在后端裝置[220]所選擇的一個(gè)或多個(gè)頻率處或頻率帶中
引起移動(dòng)w — ;
頻移檢測(cè)裝置[300]，用于確定本發(fā)明的 頻移&y，該頻移來(lái)自后端裝置[220]的輸出或在該輸出之內(nèi)；
距離計(jì)算裝置[320]，通過(guò)使用移動(dòng)檢測(cè) 器[300]的輸出和在每一個(gè)《處施加的c^/d的瞬時(shí)值，來(lái)計(jì)算到目標(biāo)[800] 的距離r并以此作為其輸出[120];
可選的控制裝置[420]，用于周期性地重 設(shè)修改裝置[400]和前端裝置[200]，或用于周期性地命令修改裝置[400] 改變所加H的符號(hào)，或用于根據(jù)分布或響應(yīng)于反饋而命令改變修改裝置 [400]的瞬時(shí)c^敲；
以及可選的反饋路徑[450]，該反饋路徑 是從距離計(jì)算裝置[320]到修改裝置[400]以及到控制裝置[420]的路徑，用于調(diào)節(jié)它們的運(yùn)行。 作為比較，在常規(guī)的光譜測(cè)定法中，常常努力避免或補(bǔ)償觀察期間儀器中出 現(xiàn)的任何變化，并且沒有機(jī)會(huì)區(qū)分前端和后端頻率選擇，簡(jiǎn)單地因?yàn)楝F(xiàn)有技術(shù)的目 的從未試圖測(cè)量由觀察儀器本身所引入的頻移。例如，無(wú)線電和電視接收機(jī)包括 混頻器，它使入射的載波向下移動(dòng)到預(yù)設(shè)的中間頻率；以及調(diào)諧元件，它們對(duì)后者 具有選擇性，但是對(duì)向下移動(dòng)本身不是感興趣的。
相反，在本發(fā)明中，因?yàn)樯鲜鲆苿?dòng)既不是預(yù)定的大小也不是預(yù)設(shè)的頻率， 而是源(目標(biāo))距離的指示符并且產(chǎn)生于接收機(jī)本身之中，所以第一次需要在 前端選擇或調(diào)諧裝置(對(duì)其施加本發(fā)明的修改)與后端選擇或檢測(cè)之間做出區(qū) 分，由此可以確定所產(chǎn)生的移動(dòng)。
在望遠(yuǎn)鏡中，透明的前端將是物鏡或鏡子，但是也可以選擇目鏡使其應(yīng)用本 發(fā)明；無(wú)論那種情況，后端將是觀察者的眼睛或光檢測(cè)器陣列，就像目前大多數(shù)天 文學(xué)儀器中那樣。同樣，在衍射分光計(jì)中，光柵或一組狹縫將很可能作為本發(fā)明的 前端裝置，并且后端將是用于記錄光譜的光檢測(cè)器陣列或感光膠片。在執(zhí)行數(shù)字傅 立葉變換(DFT)的數(shù)字系統(tǒng)中，DFT構(gòu)成后端，而前端是數(shù)據(jù)采樣子系統(tǒng)。在本發(fā) 明之前，這些系統(tǒng)被視為包含整體的譜分析器單元，由虛線[210]表示。
在包括調(diào)諧前端(比如諧振腔或電路)的系統(tǒng)中，后端檢測(cè)器或電路通常只 接收由前端所選定的頻率附近很窄的波帶中的能量。在這種情況下，后端常常不被 設(shè)計(jì)成執(zhí)行其自身的譜分析，而是測(cè)量所選定的頻率的振幅或能量。在這種情況下， 本發(fā)明的修改使w:^(l + A"/7/c)處而非A處的振幅或能量被后端測(cè)量，從而特別示
出了本發(fā)明的選擇和測(cè)量之間不尋常的分離。頻率的辨別(用于接下來(lái)確定頻移 &yE((y-^)最終取決于截然不同的譜圖形(通常是等價(jià)于功率的振幅或強(qiáng)度，
可能性較小的是相位或偏振)的觀察。結(jié)果，由調(diào)諧前端對(duì)單個(gè)頻率的測(cè)量并不限 制本發(fā)明的使用。
在下兩節(jié)中操作步驟和樣本計(jì)算的一般性描述之后，針對(duì)每一種主要的前 端類別，給出了頻移^;是如何與r成比例的基本處理。在補(bǔ)充說(shuō)明的子節(jié)L-2 中，先進(jìn)一步給出了移動(dòng)的頻率如何表現(xiàn)在后端處的詳細(xì)相位分析。
D.較佳實(shí)施例的操作
在典型的接收機(jī)中，輸入耦合裝置[IOO](比如天線)把來(lái)自目標(biāo)[800]的入 射波[900]直接地或以替換形式(比如電壓波形)饋入到前端裝置[200]。后端裝置[220]基于正交關(guān)系方程(9)和(11)，在一個(gè)或多個(gè)頻率cD處提取復(fù)數(shù)值 傅立葉系數(shù)
<formula>formula see original document page 24</formula>
人 或等價(jià)于， A (16)
如果入射輻射只包含離散的一組提取成分，則相反它將用傅立葉級(jí)數(shù)和來(lái)
描述
<formula>formula see original document page 24</formula> (17)
在一大類應(yīng)用本發(fā)明的接收機(jī)中，譜裝置承認(rèn)頻率w的連續(xù)范圍，對(duì)應(yīng)于 傅里葉逆變換
<formula>formula see original document page 24</formula>
化 或 化 (18)
在傳統(tǒng)的傅立葉變換理論中，正變換使用e—'"作為核函數(shù)，而逆變換使用 e+'"作為核函數(shù)，常規(guī)的符號(hào)規(guī)定忽略了這樣一個(gè)事實(shí)，即根據(jù)方程(2)入射 波的相位隨時(shí)間而衰減。目前情況，核函數(shù)的顛倒用于連接行波和傅立葉理論 是必需的(實(shí)際上就是簡(jiǎn)單、統(tǒng)一的頻率符號(hào)顛倒)且有效的，因?yàn)檎粭l件 (方程9和10)相對(duì)于該顛倒對(duì)稱。
這是先前信號(hào)處理的通常做法，完全忽略了入射波相位中的路徑貢獻(xiàn)^ (方程2)，由此忽略了所產(chǎn)生的相位梯度成分t^說(shuō)(方程14)，該相位梯度
成分?jǐn)y帶了目標(biāo)距離r的信息。通過(guò)使用方程9和IO給出的正交條件(它們包 括路徑貢獻(xiàn))，逆變換變?yōu)?lt;formula>formula see original document page 24</formula> 或 (19)
其中/()是來(lái)自距離r處的目標(biāo)的接收到的信號(hào)波形。該路徑貢獻(xiàn)在全息術(shù)中扮演了重要的角色，但被分離地用在各個(gè)it處(或W)處，以計(jì)算目標(biāo)的空間特征 之間的位移A"缺點(diǎn)在發(fā)明內(nèi)容中提到過(guò)，就是當(dāng)范圍很大或未知時(shí)需要無(wú)窮大 的波長(zhǎng)(義■> oo )來(lái)測(cè)量到目標(biāo)的完整距離r 。
本發(fā)明涉及橫掃波譜來(lái)測(cè)量該路徑貢獻(xiàn)在入射譜上的變化率，即方程(14) 所定義的譜相位梯度c^i。更具體地講，它涉及通過(guò)將受控掃描速率^/& = ^/ (方程7)用于分母，從而將分子^轉(zhuǎn)變?yōu)榉奖銣y(cè)量的形式么《 = ^/& (根據(jù)方 程5，它表示正比于r的頻移)，其中/Z是由方程(1)給出的比例因子。
如下文考慮到每一類前端而示出的，本方法相當(dāng)于使用yt(更準(zhǔn)確地講，《或 d)E&)作為測(cè)量波譜過(guò)程中的控制參數(shù)，并且與通常的概念yt不同，簡(jiǎn)單地使c-、 接收到的頻率w。在觀察期間不存在纟的未校正的變化時(shí)，上述這種不清楚迄今 為止是允許的，對(duì)應(yīng)于//三^^/^ = 0，沒有任何頻移Aw，所以通過(guò)普通的正交 條件方程(9)和(11)，我們得到c ^w，對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)的譜分析器的圖，就像圖3 中虛線[210]所表示的整體功能單元。
然而，A常被用于表示固體物理學(xué)中的電荷載流子和晶格的駐波模式，以及腔 中的輻射的模式，就像普朗克理論中那樣。在這種角色中，《(E"是指用于選擇從
入射輻射信號(hào)中收集到的能量的模式，并且通常但并不必然地是貢獻(xiàn)所收集的能 量的波。通過(guò)改變接收模式，纟將按非零速率^/^變化，而相位梯度表達(dá)為 c^-c^/必。/t =《的角色將在衍射光柵中格外清晰，因?yàn)檠苌浣侨Q于波長(zhǎng)AE2;r/A:， 由于義=/7.2;^/ ，波長(zhǎng)隨著周圍介質(zhì)的折射率77而非w而變化。
在電子電路設(shè)計(jì)理論和數(shù)字信號(hào)處理(DSP)中，上述區(qū)別并不明顯，因?yàn)槿藗?通常不在這些領(lǐng)域中處理波長(zhǎng)問題。在集成電路傳輸線和波分復(fù)用(WDM)數(shù)據(jù)開 關(guān)的設(shè)計(jì)中，波長(zhǎng)很重要，選擇過(guò)程總是針對(duì)使用中的靜態(tài)波長(zhǎng)。連續(xù)可變的聲光 衍射光柵是可用的，但是它們的連續(xù)性只是指間隔非常近的靜態(tài)波長(zhǎng)設(shè)置，并且轉(zhuǎn) 換在時(shí)間方面必須是離散的和不連續(xù)的，至少要求對(duì)于新波長(zhǎng)而言聲波穿過(guò)器件一 個(gè)來(lái)回的渡越時(shí)間起作用。在轉(zhuǎn)換期間，新波長(zhǎng)的波將不填充操作的空間窗口。
通過(guò)提供下列，本發(fā)明首次將A不平凡地用作控制變量
A:的連續(xù)變化，記作《，由修改裝置[400] 將其應(yīng)用于前端裝置[200]，以便根據(jù)方程(5)在每一個(gè)纟處產(chǎn)生譜移 動(dòng)&y ;
可選地用控制裝置[420]來(lái)改變移動(dòng) ^y，和可選的反饋[450]以便利于該移動(dòng)的檢測(cè)和測(cè)量； 由移動(dòng)檢測(cè)器[300]檢測(cè)后端裝置[220] 的輸出中的移動(dòng)^0;
以及通過(guò)使用方程(5)，從檢測(cè)到的移 動(dòng)&y的測(cè)量值和所加的變化率^/^中計(jì)算出到目標(biāo)[800]的距離r 。
根據(jù)方程(7)應(yīng)該理解，為了在有用的觀察間隔時(shí)間7^0期間維持穩(wěn)定的H值， 《或^的連續(xù)變化將不得不按指數(shù)變化，像下式那樣。
, 〃 (刷
禾口 A(O = A:(O)e"( = A:(O)
^ 2!
，u (刷2
2!.
(20)和(21)
重要的是，盡管前兩項(xiàng)在量值方面完全等于方程(10) 、 (12)和(13)中 的頻率標(biāo)度因子(1 + W//。，但是后面的方程事實(shí)上完全相同并且不是指數(shù)變化標(biāo)度 的一階近似。方程(20)指定控制變量纟的變化或等價(jià)地指定6的變化，這些變量 被要求維持穩(wěn)定的//值，而方程(10) 、 (12)和(13)則表示因Z/的瞬時(shí)值而 實(shí)現(xiàn)的接收到的譜中的移動(dòng)。
該差異意味著，從指數(shù)變化分布中的任何偏移都將使/Z不穩(wěn)定，并引起頻移 的抖動(dòng)，足以使目標(biāo)距離表示看起來(lái)像噪聲。它也使方程(20)不利于光頻或更高 頻率，其中各個(gè)光子轉(zhuǎn)變時(shí)間是非常小的，因?yàn)樵诿恳淮喂庾游掌陂g需要讓//保 持穩(wěn)定。因?yàn)楦鱾€(gè)光子轉(zhuǎn)變的發(fā)生瞬時(shí)是無(wú)法預(yù)測(cè)的，所以在暴露期間維持上述分 布是很重要的，或相反地，將暴露限制到上述分布可以可靠地維持著的間隔中。在 較低的頻率處，光子能量太小以至于無(wú)法單獨(dú)地區(qū)分開，但是諸如精確地知道或控 制//(0并停止接收或丟棄數(shù)據(jù)等相同的考慮仍然完全適用，并且在較佳實(shí)施例中通 過(guò)可選的控制裝置[420]和選擇性的反饋裝置[450]而得到確保。
由本發(fā)明的修改所引入的頻率標(biāo)度因子(l + ^f/cO清晰地獨(dú)立于相對(duì)論原 m w^士門汰x ai+i*tiih ;^"、i女Az+r士FUw66 ;左々糸始拔,Wr+n 4) *士^存亦乂1/
ku ， ku>n y甘/、 j i 乂j刀畫夕i ， wnx7 工'i口ikau.j、 <<n-大u j'j又i入'i乂l千'i,j、/又乂 ru o "、s iiu ,
如背景技術(shù)中的原稿gr-qc/0005014所計(jì)算的那樣，它將要求在1克的勢(shì)梯度中 以128.4 km/s的速度下降，以模仿哈勃紅移，即用于產(chǎn)生// 10-18 s"，而不管 地表和近太空標(biāo)度中所必須使用的更大的值。在這種意義下，本發(fā)明的標(biāo)度因子是不稀奇的，并且效果將限于包括前端[200]和后端[220]的"標(biāo)度區(qū)域"，由 虛線[210]來(lái)標(biāo)定。
E.樣本設(shè)計(jì)計(jì)算
作為實(shí)際的設(shè)計(jì)示例，考慮實(shí)驗(yàn)室標(biāo)度測(cè)量系統(tǒng)，即通過(guò)使用能夠測(cè)量 z 10-6的移動(dòng)檢測(cè)器，用光來(lái)測(cè)量小至1米的距離。這需要
<formula>formula see original document page 27</formula> 即《=^的初始值必須在第一秒內(nèi)增大到30(^。，在下一秒內(nèi)增大到300^。， 如此等等，或在第一秒內(nèi)減小到V300，在下一秒內(nèi)減小到A。/3002 。在120毫秒
中，波譜的單方向掃描將覆蓋可見范圍(從300 THz至U700 THz，該范圍剛超 過(guò)一個(gè)倍頻程)。20kHz的重復(fù)將允許50ps單向變化窗口。不管其中多少比 例作為"保護(hù)時(shí)間"而被丟棄，相同的總// 300必須在20，000次重復(fù)中實(shí)現(xiàn)，
所以每 一 個(gè)重復(fù)間隔的變化將是
=3001/20x104 3 1,0003
這是很小的。世界上大多數(shù)地區(qū)的電視的50Hz幀速率將是足夠的，因?yàn)?它將需要
<formula>formula see original document page 27</formula>
這將把氦氖激光波長(zhǎng)632.8納米轉(zhuǎn)變?yōu)?65或709納米，但仍然在可見范 圍中，這取決于H的符號(hào)。
更大的距離需要更小的//，它可以以各種方式適應(yīng)。例如，保持50Hz重 復(fù)頻率，修改速率可以繼續(xù)若干個(gè)周期，再重新設(shè)置或顛倒?；蛘?，后端譜分 析儀[220]和移動(dòng)檢測(cè)器[300]可以被設(shè)計(jì)成用于預(yù)期的移動(dòng)頻率范圍，例如用于可見波帶并用針對(duì)微波的前端來(lái)配對(duì)。然而，該結(jié)論將為時(shí)過(guò)早，之前的例子 真不應(yīng)該被解釋成暗指，只有很小的移動(dòng)將是可獲得的。
背景技術(shù)：
中關(guān)于蠕動(dòng)假設(shè)的討論示出了，在足夠大的距離r處，"地質(zhì)學(xué) 上很慢的"速率/fs2.17x10-18 S"足夠用于獲得歸一化的z (大小為6或更大)。 為了證實(shí)，考慮100千米處的目標(biāo)，100千米是地球大氣的上限。通過(guò)使用50 Hz 的重復(fù)率，但同時(shí)具有更大的z-10-3，必需的7/將是
& px，則,3、 ， - 31/幼巧， 、柳fan 乂
(100kmi,50H2) \ ''
從而示出了指數(shù)特征方程(20)是如何使本發(fā)明從非常小的距離調(diào)整到非 常大的距離的。相反，/f需要被精確地控制，但是因?yàn)?f是控制參數(shù)，所以其 精確度可以以若干種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中包括針對(duì)已知目標(biāo)的校準(zhǔn)、反饋回路[450] 的使用以及通過(guò)選擇或改變重復(fù)頻率并針對(duì)不同歸一化移動(dòng)的設(shè)計(jì)。
F.用于調(diào)諧前端的理論
盡管從上述理論中一般能清晰地理解，入射波相位的路徑貢獻(xiàn)的變化率將表 現(xiàn)為大小為5 的頻率，但是仍然要示出它將實(shí)際地添加到入射頻率，就像方程(10) 及其后面的方程所假設(shè)的那樣。作為修改的結(jié)果(仍會(huì)進(jìn)行解釋)，這些方程將呈 現(xiàn)出空間標(biāo)度的有效變化，因?yàn)槁窂较辔灰蜃幼優(yōu)閑'ww]，或者呈現(xiàn)出時(shí)間標(biāo)度 的有效變化，因?yàn)轭l率部分可變?yōu)閑—',+*]。該定標(biāo)尤其與使用采樣和計(jì)算提取出 的譜的接收機(jī)有關(guān)，并在上下文中再次遇到?，F(xiàn)在，通過(guò)添加頻移，將解釋由方程 (15)預(yù)測(cè)的目標(biāo)虛擬移動(dòng)。
圖4示出了接收機(jī)中本發(fā)明的修改所產(chǎn)生的新的物理情況，該接收機(jī)將諧振腔 [210]用于前端譜選擇，并將接到后端電路或子系統(tǒng)的探頭[222]用于測(cè)量不同的譜 特性(比如原子譜線的振幅或強(qiáng)度峰，或在整個(gè)觀察過(guò)程中在前端接連選擇的頻率 帶上的強(qiáng)度變化)。目的是測(cè)量到發(fā)出(其自身的或散射的)輻射[900]的目標(biāo)的 距離r 。
如圖所示，在時(shí)刻 。，腔[2io;i初始時(shí)在波長(zhǎng)義。處諧振。圖中示出了該基模
朝著目標(biāo)延伸的駐波圖形[910]，從而示出了基模可以由其頻率位于波腹[912]周圍的源來(lái)激發(fā)，如果該源位于波腹之間的任何波節(jié)[911]處則該基模不太可能 被激發(fā)?；５募ぐl(fā)對(duì)應(yīng)于檢測(cè)源的存在性，但是通常不足以確定到源[800]
的距離r，因?yàn)閞可能對(duì)應(yīng)于從腔起按;io/2增大的間隔開的波腹位置[912]的任意
無(wú)窮大數(shù)?，F(xiàn)在將示出，發(fā)明內(nèi)容中針對(duì)諧振腔而指定的本發(fā)明的修改通過(guò)改 變其長(zhǎng)度，消除了這種不確定性，并唯一地確定r。
考慮在觀察期間當(dāng)上述修改包括減小腔體長(zhǎng)度的情況，圖中在時(shí)刻A G^^+《和^-G+c^的連續(xù)快照示出了這種情況。隨著腔體長(zhǎng)度/的減小，連續(xù)地
從/。^/(0減小到/^/(/,)、 /2^/(。、 /3"(/3)，波節(jié)和波腹都朝著腔體移動(dòng)，在^時(shí) 到達(dá)新的位置[913]和[914]，新位置與它們的距離成比例。離目標(biāo)[800]最近的波腹
也朝著腔體移動(dòng)。
假定對(duì)目標(biāo)位置[800]的接收機(jī)處可獲得的唯一的信息源及其距離r是腔體 內(nèi)的激發(fā)，當(dāng)且僅當(dāng)目標(biāo)移動(dòng)更靠近接收機(jī)以至也維持其相位，其相位維持相 當(dāng)于腔體的不斷變化的瞬時(shí)諧振模式，接收機(jī)關(guān)于r的表示將保持不變，這由 接下來(lái)的"虛擬位置"[810]來(lái)表示。
相反，相對(duì)于腔體[210]的瞬時(shí)基模的相位，靜態(tài)目標(biāo)將看起來(lái)在&。內(nèi)后退 距離 ，在《內(nèi)后退&,，在&2內(nèi)后退&2，從而執(zhí)行了虛擬移動(dòng)，速度 預(yù)計(jì)該虛擬移動(dòng)會(huì)對(duì)應(yīng)有多普勒移動(dòng)，這將添加到或疊加到因目標(biāo)[800]相對(duì)于 接收機(jī)的真實(shí)移動(dòng)而產(chǎn)生的"真實(shí)的"多普勒移動(dòng)之上。該預(yù)計(jì)在數(shù)學(xué)上有證 明。腔體/的長(zhǎng)度以速率^///& = -///連續(xù)變化(相對(duì)于觀察者)(當(dāng)/減小時(shí)，速率為 負(fù))，因?yàn)樗矔r(shí)諧振波長(zhǎng)；=2/，所以《也變化，速率為<formula>formula see original document page 29</formula>
其6 = ^是諧振的瞬時(shí)頻率，如方程(7)所要求的。接收機(jī)處，選定波的 相位^的變化率是
<formula>formula see original document page 29</formula>
其中
a)的符號(hào)表明這樣的事實(shí)，入射波的相位將根據(jù)方程(2)減小；
方程(23)右邊第一項(xiàng)是滿足選擇的入 射波的相位的固有變化率，因此是5(&-欣)/^ = - ;
如果目標(biāo)(源)和接收機(jī)之間有任何相 對(duì)移動(dòng)的話，第二項(xiàng)是因該相對(duì)移動(dòng)(A/^)而導(dǎo)致的"真實(shí)的"多普 勒效應(yīng)；
第三項(xiàng)是因腔體左端的移動(dòng) c/r'/力=-Uf而導(dǎo)致的多普勒效應(yīng)；
以及第四項(xiàng)解釋了當(dāng)瞬時(shí)選擇A增大時(shí) 所遇到的不斷增大的相位，就像圖l中所解釋的那樣，其中第一因子清
楚地表示了相位梯度，
^ = 5Kr (24) 欲汰 '
如果腔體右端移動(dòng)的話，第三項(xiàng)將消失，這意味著引入了某些主觀性。 然而，因?yàn)閷?duì)于實(shí)際感興趣的目標(biāo)距離而言&'<<&，所以該項(xiàng)可以被完全忽略。 通過(guò)僅考慮靜態(tài)目標(biāo)，第二項(xiàng)可以被丟掉，同時(shí)也不失一般性，因?yàn)?真實(shí)的) 多普勒貢獻(xiàn)(如果非零的話)可以被單獨(dú)地確定和解釋。該限制也用于從多普 勒效應(yīng)中隔離和區(qū)分本發(fā)明的頻移，它具有與頻率相似的嚴(yán)格的正比性，但揭 示了速度而非距離。
當(dāng)把方程(22)和(24)代入方程(23)中并進(jìn)行替換時(shí)，剩余的項(xiàng)產(chǎn)生
了
W = W +細(xì), fe> = ~^--=-.
因?yàn)閷?duì)于//、 r和^數(shù)值固定的情況^將是恒定的，所以對(duì)于每一個(gè)目標(biāo) 只有純粹的移動(dòng)，沒有任何色散。因?yàn)槿肷洳ǖ牟ㄊ笇⑹荿 = ^^，所以該結(jié)果 等價(jià)于
< = ft)
，r/f
1 +——
yfc = A:
，r// 1 +—— c
(25)該結(jié)果證明了方程(10)，確定本發(fā)明的頻移確實(shí)添加到入射頻率，并且 與后者成比例。
方程(25)意味著，實(shí)際上由不斷變化的諧振器所選擇的入射頻率W并不 是其(瞬時(shí))諧振頻率^，而是正比地更大或更小的值，這取決于變化率/f和
到入射輻射或信號(hào)的源的距離，就像之前結(jié)合圖3所解釋的那樣。這便通過(guò)根
據(jù)本發(fā)明(方程l)來(lái)控制w，從而測(cè)量r。
G.用于衍射和折射前端的理論
圖5示出了在使用衍射光柵[230]進(jìn)行譜分析的接收機(jī)中，本發(fā)明的修改所 產(chǎn)生的相同的物理情況。這種接收機(jī)通常包括消色差透鏡[240]，將以角度^衍 射的光線聚焦到透鏡的焦平面[241]中對(duì)應(yīng)于0的點(diǎn)。根據(jù)基本的衍射理論，^取 決于光柵間隔Z和波長(zhǎng)AEW/2^，它們的關(guān)系如下 w義=/sin夕, (26 )
其中"是衍射級(jí)次。焦平面被校準(zhǔn)成讀出波長(zhǎng)2，或等價(jià)地讀出對(duì)應(yīng)于 衍射角的頻率"。因此，本發(fā)明的修改的目的是針對(duì)入射信號(hào)中存在的各波長(zhǎng) 使焦點(diǎn)移動(dòng)。本圖示出了這種預(yù)期效果，對(duì)應(yīng)于頻率^的每一個(gè)初始觀察到的
"圖像"點(diǎn)[820]都應(yīng)該移動(dòng)到新的圖像點(diǎn)[830]，對(duì)應(yīng)于方程(25)的^。
如發(fā)明內(nèi)容所述，這種情況下的修改包括連續(xù)改變光柵間隔。本圖解釋了 這種改變的結(jié)果。移動(dòng)后的圖像[830]是來(lái)自光柵不同位置的貢獻(xiàn)總和，就像在 常規(guī)的傅立葉衍射理論中那樣。然而，因?yàn)樵谌魏螘r(shí)刻^^"，光柵間隔/連續(xù) 收縮(或膨脹)，和光線[930]剛從另一端中出現(xiàn)相比(這將面臨減小的光柵間 隔[233] / =/(、)</。)，來(lái)自光柵一端的貢獻(xiàn)光線[920]將在更早的時(shí)刻^ (此 時(shí)光柵間隔是/。三/仏)[231])從光柵中出現(xiàn)。注意到光柵間隔[231]和[233]似
乎從光柵的不同區(qū)域同時(shí)起作用，但是該期望的效應(yīng)無(wú)法通過(guò)光柵間隔的空 間、靜態(tài)變化而實(shí)現(xiàn)，而是只可以像本發(fā)明的修改那樣通過(guò)按順序在整個(gè)光柵 上均勻地實(shí)現(xiàn)這些不同的間隔值而獲得。
圖6到8是三個(gè)連續(xù)的快照，解釋了該過(guò)程。如圖6所示，在時(shí)刻？ = /。，
所有光柵間隔長(zhǎng)度都是[231] /。；如圖7所示，并且在時(shí)刻^均勻地收縮到[232] 如圖8所示，在時(shí)刻^收縮到更小的值[233] /2 。在時(shí)刻^，
沿光線[920]的波前(將在r。從光柵中出現(xiàn))將仍然是"在飛行中"，并且將被 剛出現(xiàn)的(圖7， r,時(shí)刻)第二組光線[921]的波前連接，并且隨后被^時(shí)刻出現(xiàn)的(圖8)第三組光線[922]的波前連接。所有這些波前必須等相地到達(dá)焦平面， 以便相長(zhǎng)地組合，從而產(chǎn)生移動(dòng)后的圖像點(diǎn)[830]。如圖5所示，光柵間隔[231]、 [232]和[233]同時(shí)貢獻(xiàn)給每一個(gè)圖像點(diǎn)，盡管它們?cè)诓煌瑫r(shí)刻均勻地出現(xiàn)在光柵上。
相長(zhǎng)干涉的條件是，每一個(gè)間隔遞增量A/必須與所期望的AA—致，而A義對(duì) 應(yīng)于方程(5)的A"而A&則是根據(jù)修改速率方程(7)由時(shí)間間隔A^決定的。受 控的時(shí)變/相應(yīng)的速率方程(用于表示該條件)，是通過(guò)簡(jiǎn)單地讓方程(26)除以 時(shí)間導(dǎo)數(shù)而獲得的，
w——=—sm ~,
使用表示控制變量的符號(hào)，上述結(jié)果是
i色i!三-//, (27)
這在形式方面與方程(22)中的條件完全一樣，其中/是指圖4中的腔長(zhǎng)。 如前所述，其它因子^/汰=^獨(dú)立于該修改。本發(fā)明的修改并不影響各個(gè) 光線從光柵[230]到焦平面[241]所穿過(guò)的空間距離，也不影響沿這些路徑的折射 率分布，特別是透鏡[240]處的折射率分布。由折射率的路徑積分所定義的光路 長(zhǎng)度仍然是常規(guī)的傅立葉光譜學(xué)，未被修改，其中已知它們都相等。因此，盡 管不同的波長(zhǎng)在聚集點(diǎn)[830]處疊加在一起，但是該遞增距離(與方程(23)中 的/相似)是恒定的，并且其導(dǎo)數(shù)為0。方程(23)中的第三項(xiàng)完全消失，從 而使實(shí)現(xiàn)的頻率-距離關(guān)系比腔體接收機(jī)更精確。
在使用折射的接收機(jī)中，主要的差別在于，折射涉及多路徑的連續(xù)性。然 而，相同的相位關(guān)系不變，并且結(jié)果完全一樣。兩種情況下重要的考慮是在空 間孔徑上均勻地實(shí)現(xiàn)了光柵間隔和折射率的連續(xù)變化。這排除了聲-光單元，就 像背景技術(shù)中所解釋的那樣，但是其它手段應(yīng)該是可能的，比如通過(guò)將光柵圖 形投影到光折射介質(zhì)上。
H.到調(diào)諧電路的應(yīng)用
對(duì)于電子學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，很明顯上文對(duì)諧振腔的推導(dǎo)幾乎可以完全
32一樣地應(yīng)用于可選擇入射頻率的調(diào)諧電路，這樣的話，本發(fā)明的修改將包括改變電 路中的調(diào)諧元件，而非改變腔長(zhǎng)。
圖9示出了使用"調(diào)諧電路"的接收機(jī)的調(diào)諧部分，該部分包括電感器[250]
(值為L(zhǎng)，通常是毫亨或微亨)以及電容器[251](值為C，通常是微法或皮法)， 它們被連接成作為接收天線[130]的第一級(jí)。譜選擇性得以實(shí)現(xiàn)，因?yàn)殡姼衅鱗250] 將低頻(包括d.c.)短接到地面，而電容器[251]將高頻短接到地面，該組合在諧振 頻率S處呈現(xiàn)出天線[130]和地面之間的最大阻抗，該^由下列公式給出
<formula>formula see original document page 33</formula>
由此，
<formula>formula see original document page 33</formula>
對(duì)于本發(fā)明的修改，方程(22)可以轉(zhuǎn)換成
<formula>formula see original document page 33</formula>
因?yàn)長(zhǎng)或C或兩者的變化率需要實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的修改速率//。調(diào)諧電路的輸出 [140]處的相位變化速率還由方程(25)給出，方程(25)從方程(24)中繼承了 對(duì)源距離r的依賴性。
具有本發(fā)明修改的調(diào)諧電路可以用于警察的、海岸護(hù)衛(wèi)隊(duì)或其它緊急服務(wù)的
無(wú)線電接收機(jī)中，從而使它們能夠在沒有三角測(cè)量或雷達(dá)支持的情況下精確地自動(dòng) 導(dǎo)向?yàn)?zāi)難呼叫。另一種應(yīng)用是傳輸線和光纖的透明監(jiān)控，如發(fā)明內(nèi)容所解釋的那樣。 下面描述一種替換的數(shù)字方案。I.到時(shí)域釆樣的應(yīng)用
因?yàn)樽V選擇性是由基于腔內(nèi)空間幾何結(jié)構(gòu)和衍射的接收機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)的，且其形 式分別為腔長(zhǎng)和光柵間隔，所以本發(fā)明的修改在這些情況下包括根據(jù)方程(20)按 指數(shù)規(guī)律改變這些長(zhǎng)度。用于調(diào)諧電路的類似的修改是，相似地改變其調(diào)諧元件中 的一個(gè)或多個(gè)。然而，在較低的頻率處以及使用聲音的情況下，現(xiàn)在更常見的是使 用采樣和數(shù)字濾波或譜計(jì)算。唯一的前端調(diào)諧元件是"采樣時(shí)鐘"，并且它直觀地 遵循著必須以某種方式再次經(jīng)受受控的修改，從而獲得方程(5)的頻移。
嚴(yán)格的推導(dǎo)直接遵循本發(fā)明的原理，即要求本發(fā)明的修改連續(xù)地改變接收機(jī)
關(guān)于《的選擇，以便掃描相位梯度([750]，圖l)。如發(fā)明內(nèi)容中所提及的，A的
標(biāo)度由采樣間隔r的校準(zhǔn)決定，并且可以通過(guò)改變r(jià)而并不校正計(jì)算過(guò)程中所引入
的相位變化，也可以改變A的標(biāo)度。這種系統(tǒng)中的譜分析通常包括使用離散傅立葉
變化(DFT)的樣本模塊，
<formula>formula see original document page 34</formula> 其反演是 <formula>formula see original document page 34</formula>其中r是采樣間隔，iV是每一個(gè)模塊中的樣本數(shù)目，并且^,2;r/AT。該反演 包括正交條件 <formula>formula see original document page 34</formula>
其中^是Kronecker 5，如果附="則其值為1，其余情況下其值為0。這些方
程清楚地示出了，通過(guò)改變采樣間隔r，在各次觀察之間至少可以統(tǒng)計(jì)地改變頻率 選擇^E&。仍要證明，在觀察期間r的受控變化將確實(shí)再現(xiàn)出方程(5)的本發(fā)
明的頻移&y。
為此，再次考慮相位推導(dǎo)方程(23)。真實(shí)的多普勒項(xiàng)(包括相對(duì)速度A/力) 是不相關(guān)的，并且可以安全地被忽略。剩余的多普勒項(xiàng)(涉及局部移動(dòng)^'/力)可 以因同樣的原因而被忽略，即對(duì)實(shí)際感興趣的物體而言,<<"剩余的項(xiàng)便是其中3#3/ =-"，像上文那樣，并且
，—i^！ — 卩!、 — 2霄dT —
所以，對(duì)應(yīng)于方程(7)，我們得到
1^e// =—丄((33)
因?yàn)榉匠?24)對(duì)于相位梯度因子^/改而言仍然成立，所以凈結(jié)果就是方程 (25)，但是其中/f是根據(jù)方程(33)以r來(lái)定義的。
圖10示出了相位梯度是如何通過(guò)改變采樣間隔T而被顯露出來(lái)的。從圖中清晰
地看出，在逐漸減小的間隔[260]57;=《-r。、 ^r2=r2-a、 <5r3 =r3-:^等處獲得的
連續(xù)樣本中，不斷增大的相移[262]械、~2、 (％、...處，將觀察到恒定波長(zhǎng)義的
入射正弦[940]。
從關(guān)系式A^^^2;r/AT中，相位梯度可以量化為
所以通過(guò)使用方程(33)，該不斷增大的相位差完全等于
方程(34)確定，該不斷增大的相位差事實(shí)上與圖4中由諧振腔所看到的一樣， 經(jīng)歷相似的長(zhǎng)度修改。
關(guān)于采樣接收機(jī)的一個(gè)重要的可能的變體是，通過(guò)插值來(lái)模擬均勻采樣數(shù)據(jù)
35
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(34)。
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,l必中的可變時(shí)間采樣，根據(jù)所用的插值算法而近似于測(cè)得值/(r。)、 /(2r。)和/(3r。)中 的輸入振幅/(7;)。例如，簡(jiǎn)單的線性近似意味著采用
<formula>formula see original document page 36</formula>
并且其簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方式將需要首先在每一個(gè) >1處識(shí)別正確的相鄰樣本對(duì)以 便用于近似。例如，/(r3)、 /(rj和/(7;)的近似全都依賴于測(cè)得的數(shù)值/(37;)和 /(4r。)。很清楚，只有波譜的低頻將由本方法來(lái)如實(shí)地調(diào)節(jié)比例并且將可以用于距
離計(jì)算，而波譜的更高部分將看起來(lái)失真。在8 kHz采樣時(shí)鐘和簡(jiǎn)單的線性插值的 情況下使用簡(jiǎn)單的聲音記錄的初步試驗(yàn)已經(jīng)示出了高達(dá)500Hz的可標(biāo)識(shí)的譜移。
J.實(shí)踐中的約束
盡管上述理論和計(jì)算一般將滿足相關(guān)領(lǐng)域中的技術(shù)人員，以便將本發(fā)明實(shí)現(xiàn) 到各種接收機(jī)前端，但是若干實(shí)踐中的限制已經(jīng)在背景技術(shù)中解釋過(guò)，它們是阻礙 本發(fā)明被發(fā)現(xiàn)的原因，并且在實(shí)踐方式的設(shè)計(jì)過(guò)程中必須將這些原因牢記在心。特 別是，除非每一個(gè)重復(fù)間隔內(nèi)的觀察時(shí)間窗口保持得很短，否則實(shí)踐方式將需要特
別小心以確保《按指數(shù)規(guī)律變化，以便對(duì)應(yīng)于穩(wěn)定的//，即通過(guò)使用反饋[450]或通 過(guò)包括計(jì)算階段[320]中的//值來(lái)補(bǔ)償//的變化。另一個(gè)選擇是在相同的視場(chǎng)中使 用已知的目標(biāo)，用于參考計(jì)算過(guò)程中的瞬時(shí)距離標(biāo)度。另一個(gè)提及的限制是鎖定到 特定頻率或選擇的可調(diào)諧機(jī)制(包括PLL、微波量子放大器和聲光單元)的普遍性 -這些器件盡管在普通意義下可調(diào)，但是將不可用于本發(fā)明，并且需要替換裝置 (比如光折射材料或壓電材料上的光柵，它們都可以均勻變化)。
很清楚，這些限制不是禁止性的，而只是本發(fā)明新穎性中出現(xiàn)的新要求。
K.本發(fā)明的范圍
盡管已經(jīng)參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是物理學(xué)、電子學(xué)和雷達(dá) 技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，根據(jù)上述內(nèi)容，可能存在大量的修改和變化。例如， 本發(fā)明的方法可以應(yīng)用于德布羅意波(比如原子顯微鏡中的)或地質(zhì)學(xué)中的地震波， 以此作為三角測(cè)量的替代或補(bǔ)充。另一種變體是使用棱鏡而非衍射光柵，此時(shí)本發(fā) 明的修改通過(guò)機(jī)械壓縮而被應(yīng)用。另一種涉及諧振腔和調(diào)諧電路前端的變體是使用 調(diào)諧延遲線路作為前端，此時(shí)本發(fā)明的修改包括改變延遲線路的長(zhǎng)度，這與改變腔長(zhǎng)相似。另一個(gè)變體是反向使用本發(fā)明的原理，通過(guò)測(cè)量由蠕變所導(dǎo)致的已知目標(biāo) 的頻移，來(lái)確定在慣性、電磁或潮汐應(yīng)力之下的及其微小的蠕變速率。
對(duì)于許多種前端和一些應(yīng)用，可能有必要推廣上文所給出的理論，以便處理 波矢A的各向異性變化，這在之前為了使描述簡(jiǎn)便都被視為標(biāo)量，偏振和折射率效 應(yīng)可以是各向異性的且非線性的。然而，這種推廣預(yù)計(jì)是普通且直接的。
同樣，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，很明顯，本發(fā)明可以用于根據(jù)范圍來(lái)分 離多個(gè)目標(biāo)，相關(guān)的應(yīng)用還有源-距離多路復(fù)用或通信中更好地重新利用頻率。
所有這些修改、推廣和變化都旨在落入權(quán)利要求書所定義的范圍和精神之內(nèi)。
L.補(bǔ)充說(shuō)明
這些補(bǔ)充說(shuō)明旨在對(duì)本發(fā)明的物理原理作更深的理解和另外的洞察。這 樣，其中包括對(duì)基本屬性的補(bǔ)充的未公布的研究工作進(jìn)行簡(jiǎn)短的討論，特別是 背景技術(shù)中所描述的蠕動(dòng)假設(shè)的量子假設(shè)、潮汐損壞模型的嚴(yán)格的經(jīng)典推導(dǎo)， 還涉及本發(fā)明對(duì)后者的反向應(yīng)用。
L-l.輻射物理學(xué)的基本原理
本發(fā)明以新穎的方式利用了關(guān)于輻射物理學(xué)的四個(gè)基本的觀察 A.譜成分的相速度C獨(dú)立于譜分解。 該結(jié)果直接遵循波方程，像從源施加到輻射距離r，
<formula>formula see original document page 37</formula>
它允許形如/(r土0的通解，其中/為任意形狀。通過(guò)選擇附加的不變量來(lái)定 義譜分解，比如在下列算符之下的平移不變性<formula>formula see original document page 37</formula>
其中"三(j土/cye復(fù)平面Z。這種不變性導(dǎo)致傅立葉本征函數(shù)
<formula>formula see original document page 37</formula> 其中w量化了頻率和cr， a是這些波的增長(zhǎng)率或衰減率。這便是目前的雷達(dá)中所使用的普通的傅立葉譜分解，同時(shí)也是小波理論中頻率標(biāo)度概念的基礎(chǔ)，背景 技術(shù)中提到過(guò)。其唯一的距離-依賴性便是傳播延遲 r/c，用于表示瞬時(shí)相位中的 路徑貢獻(xiàn)，因?yàn)檎倚问骄鶆虻匮由斓綗o(wú)窮大。因此，通過(guò)第二屬性來(lái)要求距離依 賴性，以便消除時(shí)間參考，并且距離依賴性在振幅中可以獲得。
然而，除了天文物理學(xué)的"標(biāo)準(zhǔn)燭光"以外，源強(qiáng)度一般都不知道，并且路 徑衰減一般不可忽略并且很難獨(dú)立地確定。出于這些原因，距離依賴性必須在頻率 中尋求。
B.接收到的譜分解的選擇完全取決于接收機(jī)。
這在長(zhǎng)波處很明顯，在長(zhǎng)波處，信號(hào)可以數(shù)字化采樣，并且不變性算符的選 擇取決于接收機(jī)。然而，先前的理論幾乎排他性地涉及靜態(tài)頻率選擇，小波分析涉 及源的頻率標(biāo)度，所以分解的接收機(jī)一側(cè)的選擇通常是不明顯的。
對(duì)r敏感或等價(jià)地對(duì)路徑延遲/敏感的分解將需要接收機(jī)處的標(biāo)度變化或需要 來(lái)自宇宙中其它部分的基本協(xié)作，這將在下文關(guān)于天體物理學(xué)的那部分中討論到。 本發(fā)明涉及具有變化標(biāo)度特性和方程(36)中的平移不變性的分解，標(biāo)度平移不變 性
<formula>formula see original document page 38</formula>(38) 可以在方程(33)中看到。《M)的遞歸應(yīng)用相對(duì)于標(biāo)度f(wàn)而配合著，從而引出指數(shù)
變化
<formula>formula see original document page 38</formula>(39) a &
然而，這種指數(shù)變化簡(jiǎn)單地是本發(fā)明按穩(wěn)定的歸一化速率/Z掃描相位梯度的 手段，并且觀察到的頻移是因?yàn)橄辔惶荻?#汰而導(dǎo)致的，該相位梯度在/f和r中 是線性的，而非標(biāo)度比例"(O，根據(jù)方程(34)該標(biāo)度比例fl(O涉及不斷變化的選 擇<^/& 。
此外，對(duì)靜態(tài)地改變接收機(jī)的空間或時(shí)間標(biāo)度的嘗試只引出其校準(zhǔn)的變化， 并沒有實(shí)現(xiàn)方程(1)中所尋求的距離依賴性，并且這部分程度解釋了量子標(biāo)度明 顯的嚴(yán)格性。C.與輻射相互作用的接收機(jī)的物理狀態(tài)無(wú)法完全是靜止的 在經(jīng)典譜分析和態(tài)的量子形式中，都需要光譜測(cè)定態(tài)的穩(wěn)定性，并且在需要 精確度的地方采取步驟使光譜儀穩(wěn)定，以免受熱變化或噪聲的影響。然而，這些校 正機(jī)制只滿足處理方程(22)中第三項(xiàng)的貢獻(xiàn)，即5^^'.A'/力。相位梯度貢獻(xiàn)(與完整的源距離r成比例并因此不受限制)未曾被識(shí)別出。問題在于，通過(guò)定義的任 何譜測(cè)量都涉及儀器的宏觀屬性，比如在上述理論中以/表示的腔長(zhǎng)或光柵間隔， 其完全的穩(wěn)定性(即使是相對(duì)于觀察者的穩(wěn)定性)基本上都是無(wú)法保證的。位錯(cuò)和 蠕變的量子方程并不提供應(yīng)力的非零閾值，在該閾值以下蠕變無(wú)法發(fā)生。
例如，背景技術(shù)中所提及的蠕變假設(shè)涉及望遠(yuǎn)鏡尺寸相對(duì)變化的直流分量大小只有10—18 s'1，超過(guò)了甚至比板塊構(gòu)造論還要慢的量級(jí)，但這足以解釋觀察到的宇宙膨脹和加速。在地球上或地球附近沒有任何跡象可以觀察到，因?yàn)樵谠摲秶蟹匠?12)減小到
<formula>formula see original document page 39</formula>(40)
由此使我們充分地相信量子標(biāo)度的完美性！本發(fā)明涉及大許多的變化速率， 使用了下面的結(jié)果。
定理l (源距離信息)
從其波帶有限信號(hào)中確定到遙遠(yuǎn)的源的距離的充分條件是，接收機(jī)的輸出應(yīng) 該從該信號(hào)中不同波長(zhǎng)的波周期連續(xù)性中獲得。
證明
方程(4)就像其下文所提及的那樣，是指當(dāng)r — oo時(shí)，我們需要M — 0，以 便使相位差A(yù)^保持有限且恒定。因此，我們需要有效地比較彼此間的間隔無(wú)窮小的那些相位?？瓷先ビ悬c(diǎn)諷刺的是，對(duì)于附近的目標(biāo)，我們需要很大的帶寬。
D.來(lái)自真實(shí)源的任何輻射都具有傅立葉譜展寬，更具體地講，傅立葉分量都 具有與其共同的源位置一致的相位。
這著眼于一個(gè)關(guān)鍵的要求，目標(biāo)反射至少兩個(gè)頻率，從中可以獲得依賴于距離的相位差，盡管它們并不需要被精確地分離。
上述觀察部分程度遵循定義，因?yàn)榧兇獾恼?可表達(dá)為exp[!^r土/欣+ ^(W)]， 其中^表示相位偏移)無(wú)法具有有限的開始和結(jié)束。相鄰頻率之間的相位一致性緊 隨其后，因?yàn)槊恳粋€(gè)波包必須包含微分分離的頻率，它們?cè)谠刺幰韵嗤南辔婚_始。
上述觀察由雷達(dá)波長(zhǎng)(以及聲音)的衍射幾何理論(GTD)的經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)證支持，就 像背景技術(shù)中所提到。在光波長(zhǎng)處，上述一致性應(yīng)用于單個(gè)光子，并且看上去至少 對(duì)于非常小的^而言由哈勃紅移來(lái)證實(shí)，根據(jù)蠕變假設(shè)(參照背景技術(shù))。
觀察(A)提供了必要的連接和距離-頻率關(guān)系。觀察(B)當(dāng)然是捕獲該關(guān)系 的基礎(chǔ)，其實(shí)現(xiàn)方式只涉及時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，以便消除之前對(duì)時(shí)間或相位參照的需求。
從下文中將清晰地看到觀察(C)和(D)的重要性。
L-2詳細(xì)的相位分析
乍一看，諧振腔理論似乎隱含地假設(shè)了，來(lái)自目標(biāo)的入射輻射[900]即使在當(dāng) 該模式改變時(shí)也可以激發(fā)腔體駐波模式。這無(wú)法講得通，因?yàn)檎嬲闹C振是不可能 的，而且也明顯沒有空間用于共享振蕩模式中的能量累積。同樣，方程(25)表面 上表示，單個(gè)入射頻率w/(l + r州c)在按照指示變化時(shí)應(yīng)該與腔體諧振，而通常都需
要用更高的頻率w來(lái)引起相同的激發(fā)。這些部分結(jié)論也將與本發(fā)明的原理矛盾，就 像發(fā)明內(nèi)容中所提及的那樣，它涉及入射譜上相位梯度SW^的掃描，并且方程(23)
中與該梯度相乘的因子i/^清晰地表達(dá)了本發(fā)明的原理，該原理已應(yīng)用于每一類 接收機(jī)前端。
與方程和原理相一致的恰當(dāng)解釋是，在本發(fā)明的修改中，腔體模式是像圖ll 所示的瞬時(shí)時(shí)變形式，并且滿足方程(38)的標(biāo)度平移不變性，但移動(dòng)后的頻率從 這種模式和入射波之間的相位差中獲得，并作為相位差波。該差波主要由接收機(jī)的 下一級(jí)(在圖3的較佳實(shí)施例中被標(biāo)記為后端裝置[220]，由探頭[222]饋入)來(lái)觀看， 所以前端諧振器只充當(dāng)濾波器，并不作為最后的檢測(cè)器。在使用圖5的修改后的衍 射光柵時(shí)(光子檢測(cè)器將被置于焦平面[241]中)以及在使用圖9所示的修改后的分 路諧振電路時(shí)(差分信號(hào)將形成輸出)，上述內(nèi)容將變得更清晰。下文將解釋余下 的問題，比如時(shí)變模式完全被激發(fā)嗎？以及差分信號(hào)是如何在物理上產(chǎn)生的。
圖11示出了圖4的腔體[210]的時(shí)變諧振模式。像在先前的圖中那樣，在連續(xù)的 時(shí)刻r。、 ^、 ~處，諧振波長(zhǎng)從義。變?yōu)锳、 ^等等。如果我們將這些連續(xù)的波長(zhǎng)串
起來(lái)，我們會(huì)得到時(shí)變波形[950]，就像它到達(dá)腔體處，盡管這只是近似，因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)是逐漸地變化的，并且并不分散地處于連續(xù)的節(jié)點(diǎn)。該圖也滿足理解相位差信號(hào)
是如何產(chǎn)生的。我們將預(yù)計(jì)，在纟。時(shí)波長(zhǎng);i。的輸入波前應(yīng)該被腔體[2io]的遠(yuǎn)端反 射回去，以便在間隔沒。=/。/;1。之后遇到左端處的輸入輻射，其中相位延遲了整整
2;r。在此時(shí)，諧振波長(zhǎng)將減小到4，它就是下一個(gè)被反射回來(lái)的波長(zhǎng)，不管其初
始相位是多少，在下一個(gè)間隔《=/1/;11之后也整整有2冗的相位延遲。
反射波每次充當(dāng)下一個(gè)波前的相位參考，但只在連續(xù)減小的波長(zhǎng)處，這不像 未修改的諧振器，從而累積連續(xù)波長(zhǎng)的相位。該相位累積將與圖l所示的距離和波
長(zhǎng)選擇變化率成比例，并且根據(jù)方程(24)而添加到瞬時(shí)的選擇。瞬時(shí)的腔體諧振 模式也被連續(xù)地激活，但是該腔體不是最后的檢測(cè)器而是濾波器。在圖9的調(diào)諧電 路(它將以相似的方式起作用)中，所有瞬時(shí)移動(dòng)頻率6都短接到地面。
前面的分析也示出了每一個(gè)移動(dòng)頻率確實(shí)代表從輸入頻率中收集到的能量。 圖12示出了這種光子能量復(fù)合。在沒有本發(fā)明的修改的情況下，在給定波矢 A:。 S叫/c處，所有觀察到的光子躍遷包括來(lái)自相同的入射頻率叫=叫的貢獻(xiàn)[760]， 它們對(duì)應(yīng)于// = 0線[710]。只有在模態(tài)頻率^-A^和化^c處，& = &處的貢獻(xiàn) [761]和^ = /^處的貢獻(xiàn)[762]才添加到觀察到的光子。光子計(jì)數(shù)遵循這些貢獻(xiàn)的強(qiáng)度 分布[730]。
在本發(fā)明的修改之下，這些貢獻(xiàn)不再只添加到它們各自的頻率，而是擴(kuò)展開， 就像//>0線[715]的傾斜所表示的那樣---在絕對(duì)值更大的|//|處，將有更多的擴(kuò) 展。在每一個(gè)&e(A。-汰,A。+汰)處，& = &處的入射波將貢獻(xiàn)一點(diǎn)點(diǎn)，其中2汰對(duì)應(yīng)
于//倍的光子收集/躍遷時(shí)間&。如果足夠近的話，該間隔將包括相鄰的模式&和 & 。在光頻和更高頻處，因?yàn)楣庾榆S遷時(shí)間相對(duì)于本發(fā)明的修改速率而言將非常小， 所以將預(yù)計(jì)目標(biāo)亮度不會(huì)減小，因?yàn)榇嬖谶@種譜分布的能量收集。
L-3先前的量子論中的空白
本發(fā)明及其理論填補(bǔ)了量子論中的一個(gè)基本的空白。在量子力學(xué)中，未知態(tài) 1 ^〉的輸入輻射的觀察結(jié)果被定義為接收機(jī)的一個(gè)或多個(gè)穩(wěn)態(tài)〈01 ，其發(fā)生的幾率振 幅為W^〉(例如，參照P.A.M.狄拉克1958年第4版的"量子力學(xué)原理" 一書的§6 和§10，該書由牛津大學(xué)出版社出版)。然而，穩(wěn)態(tài)是不可能保證的，因?yàn)檫@些態(tài)必 然都是宏觀的，以代表測(cè)定的信息，還因?yàn)榛诒景l(fā)明及其理論的下述定理
定理2 (穩(wěn)態(tài)的不可能性)對(duì)于有限分辨率的有限測(cè)量而言，無(wú)法使任何物理態(tài)處于完全的穩(wěn)定。 證明
如果S是z和p (最大觀察范圍)的最小可測(cè)值，則對(duì)于H而言最小的可驗(yàn)證 值是A,使得<formula>formula see original document page 42</formula>
這來(lái)自方程(1)。
該空白就是，在現(xiàn)存的量子論中，沒有任何正式的支持用于處理非穩(wěn)態(tài)。一 種不同類型的譜線增寬常常被考慮，這是因腔壁的熱移動(dòng)而導(dǎo)致的，但是這只適合 大致"直流"的波動(dòng)，該波動(dòng)具有零平均靜態(tài)值。
L-4宇宙學(xué)中的粒子波函數(shù)
圖11的時(shí)變本征函數(shù)[950]在數(shù)學(xué)上表示為<formula>formula see original document page 42</formula>
方程(13)的//|叫尸〉
(41)
其中Z表示接收機(jī)處的本地時(shí)間，而標(biāo)度因子a(/) 1 + W//c^1 + //t，其中r是 總路徑時(shí)間。形如方程(41)的本征函數(shù)首先由L. Parker在其論文"Quantized fields and particle creation in expanding universe"(尸A戸-ca/ 7 eWew,巻183,第5號(hào),第 1057-1068頁(yè)，1969年7月25日)中給予描述。在Parker的應(yīng)用中，7/是指哈勃膨脹速 率，標(biāo)度因子a是指Friedmann-Robertson-Walker (FRW)米制，而方程(39)和(41) 中的時(shí)間標(biāo)度演化是指相對(duì)于我們的時(shí)鐘的宇宙時(shí)間膨脹(CTD)。標(biāo)度變化a(0等
價(jià)地涉及接收機(jī)的空間距離標(biāo)度，因?yàn)?lt;formula>formula see original document page 42</formula>
介于倍增常數(shù)之內(nèi)。另外，現(xiàn)存的宇宙論采用了一種更簡(jiǎn)單化的觀點(diǎn)，將哈勃紅移 歸因?yàn)樵诠庾映霭l(fā)時(shí)刻和接收時(shí)刻之間實(shí)際的基本的標(biāo)度差。在其它可能的模型
中，本標(biāo)度的增長(zhǎng)是由方程(39)的指數(shù)演化來(lái)描述的，這使紅移和源距離之間的關(guān)系比本發(fā)明更復(fù)雜且非線性。
在本發(fā)明中，該關(guān)系是嚴(yán)格線性的，并且只依賴于/f的瞬時(shí)值，這由方程(5) 給出。該瞬時(shí)線性也再現(xiàn)宇宙加速，因?yàn)樵趇/保持恒定的同時(shí)，將預(yù)計(jì)在距離r處 源以速度v在后退，在它到達(dá)2r時(shí)以2v后退。根據(jù)方程(15)，我們將得到<formula>formula see original document page 43</formula>
因此根據(jù)相對(duì)論性宇宙論，相應(yīng)的"減速系數(shù)"表達(dá)為
"_1 +層三-1 +她2=-1 (理想情況下) (44)
其中"是指觀察者當(dāng)前的本地標(biāo)度，并且在理想情況下總是l，即使當(dāng)&是非零的時(shí)候。
這正是針對(duì)從1998年以來(lái)觀察到的上百個(gè)類型IA的超新星而發(fā)現(xiàn)的減速系
類女，A. Reiss在1998年爿Wrowow/cfl/ Joz^7ia/的 "Observational Evidence from
Supernovae for an Accelerating Universe and a Cosmological Constant"中給予首次報(bào)
道。因此，如果宇宙膨脹簡(jiǎn)單地是虛擬的，則哈勃流的"安靜性"將得到完美解釋，
因?yàn)橹拔词軕岩傻恼谶M(jìn)行的變化正發(fā)生在我們的儀器中，這很像本發(fā)明的修 改，但其大小由/f/f。^67yt慰-'Mpca2.17x10-18 s"給出。這將精確地解釋(剩
余的)先鋒反常加速，解決了基于衛(wèi)星和基于地面對(duì)海洋潮汐摩擦系數(shù)的測(cè)量之間 微小的矛盾，并且解決了古生物學(xué)資料和地質(zhì)資料中的表明地球過(guò)去在膨脹的古老 的鏈團(tuán)(這在P. S. Wesson的"The implications for geophysics of modem cosmologies in which G is variable"中有過(guò)總結(jié)，1973年g,rter/y Jowma/ o/ i 03^/ A/ra"ow/c""oc/e&第9-64頁(yè)；Wesson私下里表示，在前沿的研究者過(guò)早地去世之 后，該問題就被人們遺棄了。)該結(jié)果似乎也簡(jiǎn)潔地解釋了宇宙的"平整性"，簡(jiǎn) 單地講就是，在歐幾里得(平的空間)宇宙膨脹下，由星系的旋轉(zhuǎn)分布所表示的暗 物質(zhì)與類Coriolis加速是一致的，背景技術(shù)中提到過(guò)這些虛擬膨脹是精確地平面 型的和歐幾里得式的。
作為事后的考慮，方程(41)和(42)實(shí)際上都不無(wú)法暗指接收機(jī)和入射波 之間的靜態(tài)標(biāo)度差，就像迄今為止宇宙學(xué)中所假設(shè)的那樣。之前沒有其它解釋是可能的，因?yàn)闆]有多普勒效應(yīng)的替代方案是既保存原子譜線比例又提供無(wú)限的歸一化 移動(dòng)。靜態(tài)標(biāo)度差是造成引力紅移的原因，但是具有z^2這樣的上限(例如，參 照R.M.Wald的"一般相對(duì)論"一書的第138頁(yè)，芝加哥大學(xué)出版社出版，1984年)。
迄今為止，已知原子線比例的保存只用于多普勒效應(yīng)，但是通過(guò)方程(24)， 由同一源連帶地發(fā)出的任何譜線對(duì)化和叫都將用相同的因子1 + 來(lái)調(diào)節(jié)，所以 移動(dòng)后的頻率保留幾何關(guān)系化/ 6=^/^。由此精確地保存了原子和原子核的光
譜。類氫原子的發(fā)射譜由Balmer-Rydberg級(jí)數(shù)公式給出 化 =2"244 —^ri, W = J^ (SI單位)， (45)
其中^和^表示電子的質(zhì)量和電荷，s。是真空介電常數(shù)。很容易驗(yàn)證所有得到的 比例在本發(fā)明的修改之下都是不變的。
L-5空間望遠(yuǎn)鏡的一致性
從環(huán)地望遠(yuǎn)鏡(它具有基于地面的技術(shù))中獲得的數(shù)值7/。的一致性(這是背
景技術(shù)中提到的蠕變假設(shè)的主要困難之一)可被一種儀器校準(zhǔn)方案來(lái)解釋，該儀器 只適合于在哈勃望遠(yuǎn)鏡、近紅外照相機(jī)和多目標(biāo)光譜儀(NICMOS)上觀察超過(guò)750 百萬(wàn)光年的物體。
根據(jù)手冊(cè)(參照http:〃www.stsci.edu/hst/nicmos/documents/handbooks)， 通過(guò)
在軌道上觀察行星星云Vy2-2和HB 12，來(lái)執(zhí)行棱柵(光柵+棱鏡)模式波長(zhǎng)校準(zhǔn)， 同時(shí)通過(guò)觀察白矮星G191-B2B和G-dwarfP330E，獲得了逆靈敏度曲線。換句話說(shuō)， 該光譜儀經(jīng)重新校準(zhǔn)，而同時(shí)在軌道上不使用基于地面的或地面提供的物理指示 物，同時(shí)也不使用頻率己知且?guī)П匾囊t移校正的地面激光或波譜已知的機(jī)載 源。校準(zhǔn)觀察針對(duì)處于非平凡天文距離的源，對(duì)應(yīng)于源態(tài)—力和方程(12)的移
動(dòng)譜，其中r和/Z是從基于地面的數(shù)據(jù)中獲得的，使得能夠根據(jù)觀察到的移動(dòng)頻率 6來(lái)校準(zhǔn)w。根據(jù)本發(fā)明的原理方程(5)，如蠕變假設(shè)中所應(yīng)用的那樣，紅移的 原因獨(dú)立于入射波及其譜，因此通過(guò)不使用本地的(地面或機(jī)載的)物理波長(zhǎng)參照， 上述方案直接將地面確定的/Z。轉(zhuǎn)移到基于空間的觀察！在先前的物理學(xué)中，沒有
任何理由去預(yù)期地面和近太空之間的紅移有任何差異。機(jī)載的燈被用來(lái)校準(zhǔn)另一種 哈勃儀器即太空望遠(yuǎn)鏡成像分光計(jì)(STIS)，但這只對(duì)z非常低的物體有用。
在不同的觀察之間，預(yù)計(jì)地面望遠(yuǎn)鏡構(gòu)造和技術(shù)方面的差異會(huì)引起F。估值的系統(tǒng)性變化，并且這種系統(tǒng)性差異存在于不同的研究組中。固體的量子屬性允許差 異高達(dá)蠕變速率的量級(jí)，但是"前端材料"將不可能差別太大，因?yàn)樗鼈兊倪x擇由
強(qiáng)度、輕巧性和熱穩(wěn)定性等共同的要求來(lái)決定。這同樣看起來(lái)與數(shù)值/z。的持續(xù)收
斂相一致。
相似的是，從非遠(yuǎn)距的空間觀察中，也報(bào)道了一致的數(shù)值//。，特別是WMAP 的環(huán)繞地球的"L2"拉格朗日點(diǎn)的那些，其中月亮潮汐力將與地球上或地球附近 的那些非常不同。這些儀器本身及其使用和校準(zhǔn)都與地面和環(huán)地的望遠(yuǎn)鏡的那些儀 器非常不同。在這種情況下，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型和膨脹理論，引出表面測(cè)得數(shù)值//。的
因素是宇宙膨脹的非線性，這對(duì)應(yīng)于方程(43)和(44)中的必f/A^0。更具體地 講，在該流行觀點(diǎn)中，//。的大小密切依賴于微波背景的各向異性。因?yàn)樵谌渥兗?br>
設(shè)中膨脹本身純粹是虛擬的，所以各向異性預(yù)計(jì)會(huì)需要初始奇異點(diǎn)，并且根據(jù) WMAP項(xiàng)目中測(cè)得的各向異性對(duì)/Z。進(jìn)行的"后計(jì)算"只不過(guò)是自實(shí)現(xiàn)預(yù)言的另一
種解釋而已。
L-6潮汐損壞模型及其確定
如背景技術(shù)中簡(jiǎn)單介紹的那樣，潮汐蠕變假設(shè)是本發(fā)明的機(jī)理的說(shuō)明性示例。 其量子基礎(chǔ)是固態(tài)理論所給出的蠕變速率的基本模型
(46)
其中、是比例性常數(shù)；c是應(yīng)力(張量)；"是指數(shù)，與位錯(cuò)之間的相互作用所形
成的變化的晶格有關(guān)；『F是破壞單個(gè)鍵的功函數(shù)，通常量級(jí)為leV; /^是波爾茲
曼常數(shù)(d.38xl(T23 J/K);而r是晶格的溫度。指數(shù)n僅用于解釋在擴(kuò)展的應(yīng)力范圍
上不斷變化的位錯(cuò)圖形，它通常被用于材料的力學(xué)特性測(cè)試。在該假設(shè)中所涉及的 穩(wěn)定的應(yīng)力和蠕變速率下，"可以被取作l，而常量、用于解釋可應(yīng)用的位錯(cuò)圖形。
盡管蠕變的方向由(T來(lái)表示，但是其大小的量級(jí)主要由最后的因子來(lái)確定，該最后 的因子將單個(gè)位錯(cuò)的幾率定義為
<formula>formula see original document page 45</formula>
A表示歸一化常量。該幾率通常很小，特別是在金屬中，這就是為什么它們?nèi)员３止虘B(tài)并且只有在非常高的應(yīng)力下才呈現(xiàn)出可測(cè)量的蠕變，其量級(jí)是若干個(gè)兆帕斯 卡，即便如此，也僅在高溫下才行。在所感興趣的相對(duì)非常小的應(yīng)力下，其中包括 地球重力在表面上的壓毀力以及先鋒號(hào)(以及伽力略號(hào)和尤利塞斯號(hào))宇宙飛船上 的離心力，通過(guò)目前的蠕變測(cè)量技術(shù)，蠕變尚不能測(cè)量。
其次，宇宙飛船結(jié)構(gòu)是由剛性合金制成的，在高應(yīng)力的情況下更能抗蠕變。
因?yàn)檫@些可能的原因，蠕變可能貢獻(xiàn)到異常數(shù)據(jù)的幾率看起來(lái)根本未被NASA檢查 到，盡管上文提到了三篇原稿。
該幾率的大小是恰當(dāng)?shù)膶?duì)于『產(chǎn)1.7eV當(dāng)r-300時(shí)；^10-ls s"，并且很容 易解釋先鋒號(hào)的剩余異常以及"哈勃常數(shù)"http://。。上文已經(jīng)解釋了產(chǎn)生于空間的
遠(yuǎn)視數(shù)據(jù)的一致性，關(guān)于蠕變假設(shè)的唯一的剩余問題在于解釋星際潮汐貢獻(xiàn)， 該星際潮汐貢獻(xiàn)被假設(shè)為是兩次先鋒號(hào)太空任務(wù)的剩余率之間的差異。這看起 來(lái)是一個(gè)問題，因?yàn)樾请H引力拉力本身大約比太陽(yáng)弱三個(gè)數(shù)量級(jí)，并且潮汐作 用(遵循立方反比而非平方反比定律)應(yīng)該更小。問題在于潮汐引起的蠕變的 飽和行為，這使其獨(dú)立于應(yīng)力的大小，由此在方程(46)中n減小到0，并且 橫跨這些儀器所用的結(jié)構(gòu)材料的勢(shì)能^的接近性介于1至(jl.2eV (鈦合金，比 如從ASM國(guó)際手冊(cè)數(shù)據(jù)中計(jì)算出來(lái)的)。
在相對(duì)穩(wěn)定的條件下，就像在L2處，蠕變速率將小好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，并且依賴 于材料特性和應(yīng)力。然而，在潮汐張量存在時(shí)，固體晶格沿張量的瞬時(shí)主軸均勻地 延伸。這將彈性能量引入晶格中如果潮汐張量只在沒有旋轉(zhuǎn)的情況下增長(zhǎng)并衰退， 則延伸的能量將隨每一次衰退返回到引力源，對(duì)晶格沒有任何凈效果。在大多數(shù)情 況下，張量仍然要旋轉(zhuǎn)，大小方面有相對(duì)很少的擺動(dòng)變化，從而為相鄰原子落入并 填充之前的延伸方向上的延長(zhǎng)間隙中持續(xù)地提供機(jī)會(huì)，由此引起位錯(cuò)。位錯(cuò)幾率通 常很小，方程(47)涉及將單個(gè)原子從其位置上拉下來(lái)。然而，在潮汐作用下，所 有的晶格鍵沿主軸延伸，并且在垂直方向上未改變或稍微減小，所以隨著潮汐軸旋 轉(zhuǎn)，間隙機(jī)會(huì)變得足夠大，許多晶格常數(shù)都在事實(shí)上確保位錯(cuò)。
例如，考慮將原子從其平衡位置處拉動(dòng)晶格常數(shù)的10-6所需的力沿該方向每 第一百萬(wàn)個(gè)原子將移動(dòng)一個(gè)完整的晶格常數(shù)，所以在500,000個(gè)晶格常數(shù)的中間標(biāo) 記處確保位錯(cuò)，因?yàn)槌毕S轉(zhuǎn)動(dòng)了一個(gè)直角。用于位錯(cuò)的能量來(lái)自角移動(dòng)，不是拉 伸能量，拉伸能量純粹是引力的并且保持彈性。該行為與運(yùn)算放大器(op-amp) 集成電路的放大過(guò)程非常相似在典型的運(yùn)算放大器電路中，輸入阻抗極高并且特征是非常相似的e—因子，其中勢(shì)能『F是指半導(dǎo)體晶格中電荷載流子(電子或 空穴)的費(fèi)米能級(jí)；沒有任何能量取自該信號(hào)，并且放大輸出的功率來(lái)自直流驅(qū)動(dòng) 電源。在蠕變模型中，該信號(hào)是旋轉(zhuǎn)的潮汐張量，而能量提供則來(lái)自相對(duì)穩(wěn)定的驅(qū) 動(dòng)應(yīng)力。
這是www.arxiv.org原稿中所用的模型，但是它仍然包含對(duì)潮汐力的大小的依賴 性，因?yàn)楦蟮奈灰茟?yīng)該在更少的晶格跳躍中引起位錯(cuò)，并且由此未能提供上述假 設(shè)所需的飽和行為。答案只是最近才發(fā)現(xiàn)，該答案涉及潮汐和位錯(cuò)之間相互作用的 另一個(gè)獨(dú)特的屬性，晶格內(nèi)部的位錯(cuò)是沒有產(chǎn)出的，因?yàn)閮?nèi)部脫位的原子沒有什么 地方可以去，因此和周圍鍵合，從而重新填充了新的間隙并以動(dòng)態(tài)平衡的方式取代 了其它的原子。只有在外表面，脫位的原子才可能跑開，所以這就是潮汐損壞實(shí)際 上發(fā)生的地方，并且通常將不能夠和普通的侵蝕和磨損相區(qū)分。這最終解釋了飽和， 因?yàn)槌枪腆w小于108個(gè)晶格常數(shù)即小于一毫米，因每個(gè)原子的10-6晶格常數(shù)的脫 位力所導(dǎo)致的剝離速率與10-3晶格常數(shù)的更強(qiáng)的力而導(dǎo)致的剝離速率現(xiàn)在將是完 全一樣的！
凈結(jié)果由此是，在低應(yīng)力條件下，固體中的潮汐損壞只取決于潮汐應(yīng)力張量 的角速度Q并且不依賴于其大小，即
^7/V\ (48)
如圖13和14所示，它仍然應(yīng)該依賴于驅(qū)動(dòng)應(yīng)力的方向。圖13示出了潮汐收縮，它 很可能影響我們的地面和低軌道望遠(yuǎn)鏡，并且通過(guò)本發(fā)明的原理解釋了哈勃紅移。 如圖所示，地球[630]上的每一個(gè)望遠(yuǎn)鏡[640]經(jīng)受因地球引力場(chǎng)的曲率而導(dǎo)致的穩(wěn) 定的壓縮潮汐應(yīng)力，因?yàn)樵谕h(yuǎn)鏡目標(biāo)上沿直徑相對(duì)的點(diǎn)處的引力矢量g必須指向 地球的質(zhì)量中心，由此具有微小但非零的壓縮分量，其大小為/.Vg，其中/是目標(biāo)
的直徑。直接的做法是，證實(shí)壓縮張量將是各向同性的，從而將地球近似為一個(gè)球， 在太陽(yáng)和月亮的潮汐應(yīng)力之下，產(chǎn)生正比于地球旋轉(zhuǎn)速度Q。的收縮速率，并且在
月亮的軌道上到一個(gè)較小的范圍。
盡管對(duì)于軌道運(yùn)行的望遠(yuǎn)鏡而言V忌將小好幾個(gè)量級(jí)，但是根據(jù)這種推理，收
縮速率將完全一樣。例如，盡管其軌道圍繞著地球，但是在天文觀測(cè)期間，哈勃望 遠(yuǎn)鏡要經(jīng)歷相同的潮汐張量旋轉(zhuǎn)速率，將像其地面使用者一樣?！?的差異可能對(duì)
同時(shí)運(yùn)行的天文臺(tái)之間的不確定性貢獻(xiàn)高達(dá)一個(gè)量級(jí)。然而，隨著天文學(xué)家都集中到數(shù)值//。，他們?cè)絹?lái)越多地在地面和宇宙飛船上使用相似或相同的結(jié)構(gòu)材料。
L2處的威斯康星微波各向異性探頭(WMAP)看起來(lái)似乎是個(gè)例外，因?yàn)樗?可能無(wú)法經(jīng)歷相同的潮汐旋轉(zhuǎn)速率。然而，沒有針對(duì)任何直接涉及哈勃紅移或宇宙 時(shí)間膨脹(CTD)的觀測(cè)來(lái)裝備WMAP，但是WMAP被連接成用于測(cè)量微波輻射的各 向異性，作為膨脹理論的測(cè)試。從WMAP數(shù)據(jù)中報(bào)道的數(shù)值/f。反映了標(biāo)準(zhǔn)模型的
校準(zhǔn)，并且并不獨(dú)立。
圖14示出了在膨脹應(yīng)力下潮汐損壞的補(bǔ)充現(xiàn)象，它可以作為候選，提供對(duì)先 鋒10和11太空任務(wù)屮的反常數(shù)據(jù)的詳細(xì)解釋。蠕變假設(shè)解釋了在先鋒10的壽命期間 看到的近點(diǎn)角中的變化以及當(dāng)宇宙飛船超越太陽(yáng)系行星軌道時(shí)剩余數(shù)值中的微小 差異。自旋穩(wěn)定性的主要目的是保持自旋軸[600]，因此遙感勘測(cè)天線指向地球， 而深空中的主要潮汐力則是太陽(yáng)的，所以潮汐軸[602]對(duì)著自旋軸呈角度a。在包 含遙感勘測(cè)設(shè)備的橫斷面[610]中，來(lái)自自旋的離心力將產(chǎn)生穩(wěn)定的膨脹應(yīng)力。根 據(jù)前面的理論，我們將預(yù)計(jì)沿潮汐軸[602]有微小的蠕變速率，并且在沒有太陽(yáng)潮 汐作用的情況下，在橫斷面中有相似的微小的穩(wěn)定的膨脹蠕變，但兩者都不具有任 何可注意到的效果。然而，因?yàn)樽孕€(wěn)定性，太陽(yáng)潮汐張量以自旋速率Q旋轉(zhuǎn)，從 而引起可注意到的橫向膨脹，其速率為
其中sin(a)因子出現(xiàn)了，因?yàn)榕蛎浾挥诔毕S[602]。這種角度依賴性不僅密切地 符合先鋒10數(shù)據(jù)變化的擺動(dòng)圖形(其最大值和最小值與太陽(yáng)周圍的地球軌道位置相 一致)，還密切地符合從5AU大致到40AU的變化包絡(luò)的幾乎線性的減小，像 astro-ph/9907363中所解釋的那樣。
上述分析表明，通過(guò)反向使用本發(fā)明的關(guān)系式方程(1)，構(gòu)建望遠(yuǎn)鏡并且觀 測(cè)遙遠(yuǎn)目標(biāo)的紅移，以此為合適的手段來(lái)確定觀察者所在位置的潮汐損壞速率。其 重要性源自定律2，因?yàn)樵跊]有故意施加修改速率的情況下，^是量子狀態(tài)穩(wěn)定性 的完美度的測(cè)量方法。
權(quán)利要求
1.一種用在接收機(jī)中且在目標(biāo)所發(fā)射、反射、透射或散射的傳播波的一個(gè)或多個(gè)頻率ω處產(chǎn)生可觀察的頻移δω的方法，所述頻移δω用于表示到所述目標(biāo)的距離r，其中所述接收機(jī)包括用于選擇或影響頻率或波長(zhǎng)選擇的可變前端裝置以及用于檢測(cè)來(lái)自所述前端裝置的輸出的頻移的移動(dòng)檢測(cè)裝置，所述方法包括用所述前端裝置按已知或預(yù)定的歸一化速率H來(lái)改變頻率或波長(zhǎng)的瞬時(shí)選擇這一步驟，以便按瞬時(shí)速率<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>d</mi><mover> <mi>k</mi> <mo>^</mo></mover><mo>/</mo><mi>dt</mi><mo>=</mo><mover> <mi>k</mi> <mo>^</mo></mover><mi>H</mi> </mrow>]]></math> id="icf0001" file="A2005800225180002C1.tif" wi="19" he="4" top= "70" left = "44" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>來(lái)掃描連續(xù)選擇的頻率 id="icf0002" file="A2005800225180002C2.tif" wi="2" he="4" top= "70" left = "112" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>的相位 id="icf0003" file="A2005800225180002C3.tif" wi="9" he="5" top= "70" left = "129" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>由此在其輸出中引起了所述移動(dòng)δω，所述移動(dòng)δω正比于 id="icf0004" file="A2005800225180002C4.tif" wi="7" he="5" top= "78" left = "93" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>中所包含的路徑貢獻(xiàn) id="icf0005" file="A2005800225180002C5.tif" wi="6" he="4" top= "78" left = "143" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>中的距離r，因?yàn)?lt;maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>δω</mi><mo>=</mo><mo>∂</mo><mi>φ</mi><mo>/</mo><mo>∂</mo><mi>t</mi><msub> <mo>|</mo> <mi>r</mi></msub><mo>=</mo><mo>∂</mo><mrow> <mo>(</mo> <mover><mi>k</mi><mo>^</mo> </mover> <mi>r</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><mo>∂</mo><mover> <mi>k</mi> <mo>^</mo></mover><mo>·</mo><mi>d</mi><mover> <mi>k</mi> <mo>^</mo></mover><mo>/</mo><mi>dt</mi><mo>=</mo><mi>r</mi><mo>·</mo><mover> <mi>k</mi> <mo>^</mo></mover><mi>H</mi><mo>.</mo> </mrow>]]></math></maths>
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，改變所述前端裝置，以便所述頻 率選擇按恒定的標(biāo)準(zhǔn)化速率Z/成指數(shù)變化。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述前端裝置是非線性地變化的。
4. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述傳播的波是電磁波。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述前端選擇覆蓋了紅外頻率、 光頻或更高頻率。
6. 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述前端選擇處于毫米或更長(zhǎng)的 波長(zhǎng)處。
7. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述傳播的波是聲波。
8. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述傳播的波是物質(zhì)的德布羅意波。
9. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述前端裝置是諧振腔或調(diào)諧電路。
10. 如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述前端裝置是調(diào)諧延遲線電路。
11. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述前端裝置是衍射光柵、棱 鏡或透鏡。
12. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述前端裝置包括離散采樣， 并且所施加的改變涉及改變所述采樣間隔。
13. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述目標(biāo)距離r是未知的，所述方法還包括附加步驟測(cè)量所述頻移^;;以及從所施加的速率//、測(cè)得的頻移&y 和傳播的波的速度c中計(jì)算所述距離"
14. 如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述移動(dòng)是通過(guò)參照已知的原 子、原子核或粒子發(fā)射譜而確定的。
15. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述移動(dòng)是通過(guò)將給定變化速 率//的情況下得到的波譜和施加第二變化速率//'時(shí)產(chǎn)生的波譜進(jìn)行比較而確定 的。
16. 如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述第二速率/Z'是所述第一速 率//的倍數(shù)。
17. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，等價(jià)于變化速率Z/'的距離相關(guān) 頻移^/是先驗(yàn)觀察到的，并且所述方法包括附加的步驟確定該等價(jià)的先前速率以及將所施加的變化速率//設(shè)置為與等價(jià)的先驗(yàn)速率相反即設(shè)置成-//'，以便 產(chǎn)生用于消除先驗(yàn)觀察到的移動(dòng)^y'的頻移^ 。
18. 如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，關(guān)于多個(gè)目標(biāo)，所述移動(dòng)被用 于根據(jù)到各個(gè)目標(biāo)的距離r來(lái)分離這些目標(biāo)。
19. 一種用在固體材料內(nèi)測(cè)量引力、潮汐應(yīng)力、離心應(yīng)力或這些應(yīng)力正造成 的損壞的方法，所述方法包括如下步驟構(gòu)建望遠(yuǎn)儀器，通過(guò)使用所述固體材料的 成分來(lái)觀察己知距離處的傳播波源；確定所述源在一個(gè)或多個(gè)頻率w處的紅移或藍(lán) 移&y;通過(guò)讓所確定的移動(dòng)&y除以各個(gè)未移動(dòng)的頻率w，而計(jì)算出歸一化的移動(dòng) z;計(jì)算損壞速率，該損壞速率是傳播波的速度c乘以計(jì)算出的歸一化移動(dòng)z和已 知的源距離r的比例的乘積即/Z二cz/r，或者從計(jì)算出的損壞速率/Z和材料的已知 力學(xué)特性中計(jì)算出應(yīng)力。
20. —種用于測(cè)量到目標(biāo)的距離的設(shè)備，所述目標(biāo)發(fā)射、反射、透射或散射 傳播波，所述設(shè)備包括用于選擇頻率或波長(zhǎng)的前端裝置、頻移確定裝置以及計(jì)算裝 置，其中所述前端選擇按已知速率// =《_'^/^變化，然后在波譜中的一個(gè)或多個(gè) 頻率i處確定移動(dòng)^w，所述移動(dòng)(&是通過(guò)掃描由前端選擇變化所連續(xù)選定的頻率 《的相位中的路徑貢獻(xiàn)《.r而引發(fā)的，并且通過(guò)關(guān)系式^y^r.^/從所確定的移動(dòng) 中計(jì)算出所述距離"
全文摘要
一種從任何種類的接收到的輻射(包括電磁的和聲的)中提取出源距離信息的通用方法，不涉及任何形式的往返時(shí)間或相位，由此比現(xiàn)存的無(wú)源雷達(dá)更像真正的無(wú)源。本方法利用下列事實(shí)來(lái)自真實(shí)源的輻射必須包括非零帶寬的波包；在該源處，一個(gè)波包的各個(gè)頻率成分必須具有一致的相位；它們的瞬時(shí)相位必須沿傳播路徑按照正比于各個(gè)頻率而線性增大，所以橫跨各個(gè)成分的相位梯度一定與所穿行的距離成比例。通過(guò)按受控的速率掃描相位梯度由此將該梯度轉(zhuǎn)換成正比于掃描率和源距離的歸一化頻移，從而本發(fā)明使過(guò)于天真的相位梯度測(cè)量變得很簡(jiǎn)單。它模仿宇宙紅移和加速，但在任何所期望的范圍中只在可測(cè)量的水平下進(jìn)行，甚至對(duì)聲音也如此。潛在的應(yīng)用包括軍事秘密行動(dòng)和軍用抗干擾雷達(dá)，緊急服務(wù)的測(cè)距能力，商品化低功率車載及個(gè)人用的雷達(dá)，雷達(dá)和診斷成像中的簡(jiǎn)化，從地面到星系空間都通用的改進(jìn)式測(cè)距，包括無(wú)線電和電視接收機(jī)的“無(wú)干涉”通信系統(tǒng)，源距離(或范圍劃分)多路復(fù)用改進(jìn)式手機(jī)功率控制和電磁壽命，以及用于光纖、集成電路和傳輸線路的連續(xù)的、透明的診斷。
文檔編號(hào)G01P3/36GK101300493SQ200580022518
公開日2008年11月5日 申請(qǐng)日期2005年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月2日
發(fā)明者文卡達(dá)·古魯普拉賽德 申請(qǐng)人:文卡達(dá)·古魯普拉賽德