《電子技術(shù)應(yīng)用》
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對(duì)稱三角線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)應(yīng)用于風(fēng)速探測(cè)
來(lái)源:電子技術(shù)應(yīng)用2013年第1期
單慧琳, 張銀勝,, 唐慧強(qiáng),, 陳鐘榮
南京信息工程大學(xué), 江蘇 南京210044
摘要: 提出將對(duì)稱三角線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)應(yīng)用于風(fēng)速探測(cè)中,,首先分析了對(duì)稱三角線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)信號(hào)波形,,闡述了雷達(dá)測(cè)距測(cè)速原理,,針對(duì)單個(gè)散射點(diǎn)和多個(gè)散射點(diǎn)的情況進(jìn)行了仿真測(cè)試。結(jié)果表明能夠從對(duì)稱三角線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)回波信號(hào)中獲取風(fēng)速信息,,其探測(cè)范圍為3 km,,測(cè)速精度為0.1 m/s,具有較高的實(shí)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景,。
中圖分類號(hào): TN953
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2013)01-0119-03
Application of STLMFCW radar in wind speed detection
Shan Huilin,, Zhang Yinsheng, Tang Huiqiang,, Chen Zhongrong
Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China
Abstract: In this paper, the symmetric triangular linear frequency modulated continuous wave radar was used in wind speed detection. First of all, the waveform of the symmetric triangular linear frequency modulated continuous wave radar was analyzed. And then the theory of distance measurement and velocity measurement was illustrated. As for a single scattering point and multiple scattering points, we have executed simulation. The results show that wind velocity can be derived from STLFMCW radar echo signal. Its detection range is 3 km and velocity precision is 0.1 m/s, which has high practical value and broad application prospects.
Key words : STLFMCW radar,; wind speed measurement; distance measurement

    風(fēng)是相對(duì)于大地表面的空氣運(yùn)動(dòng),風(fēng)速大小和方向嚴(yán)重影響人類的生活,。高分辨率,、高精度的風(fēng)場(chǎng)分布測(cè)量在氣象研究、天氣預(yù)報(bào),、大氣環(huán)境監(jiān)測(cè),、機(jī)場(chǎng)切變風(fēng)預(yù)警以及國(guó)防高技術(shù)戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)武器系統(tǒng)等方面占有非常重要的地位。參考文獻(xiàn)[1]采用多普勒雷達(dá)測(cè)風(fēng),;參考文獻(xiàn)[2]采用風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)風(fēng),,利用大氣中各種尺度的湍流對(duì)電磁波的散射作用來(lái)探測(cè)大氣風(fēng)場(chǎng)等物理量;參考文獻(xiàn)[3]采用激光多普勒雷達(dá)測(cè)風(fēng),,利用激光收發(fā)系統(tǒng)對(duì)空氣中的粒子散射回波信號(hào)進(jìn)行采集,,再經(jīng)過(guò)分析計(jì)算這些測(cè)量數(shù)據(jù),從而得到風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù),;參考文獻(xiàn)[4]采用多普勒聲雷達(dá)測(cè)風(fēng),,應(yīng)用聲波在大氣中傳播的多普勒效應(yīng)來(lái)探測(cè)風(fēng)速。上述雷達(dá)通常為脈沖體制雷達(dá),,而連續(xù)波雷達(dá)相對(duì)于脈沖雷達(dá)具有體積小,、重量輕、發(fā)射峰值功率低,、測(cè)距測(cè)速精度高等優(yōu)點(diǎn),。本文提出應(yīng)用對(duì)稱三角線性調(diào)頻連續(xù)波STLFMCW(Symmetric Triangular Linear Frequency Modulated Continuous Wave)雷達(dá)測(cè)風(fēng)方案,比風(fēng)廓線雷達(dá)和多普勒雷達(dá)成本更低,、分辨率更高,。

1 STLFMCW雷達(dá)測(cè)速原理
    簡(jiǎn)單的線性調(diào)頻波包括三角調(diào)制波和鋸齒調(diào)制波。三角調(diào)制波形比鋸齒波調(diào)制波形更容易獲得目標(biāo)的距離與速度信息,,并且三角波調(diào)制通過(guò)采用不同的調(diào)頻斜率來(lái)抵消距離和速度之間的耦合,,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)速度的估計(jì)與補(bǔ)償。三角波LFMCW雷達(dá)的回波信號(hào)和本振信號(hào)進(jìn)行混頻后得到的差頻信號(hào)含有距離和速度信息,,對(duì)其進(jìn)行信號(hào)處理,,經(jīng)過(guò)FFT運(yùn)算就可以得到目標(biāo)的距離和速度信息[5],。


2 仿真結(jié)果
2.1 單個(gè)散射點(diǎn)目標(biāo)的仿真  

    采用上述方法對(duì)單個(gè)散射點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行仿真,其參數(shù)設(shè)置為:三角波調(diào)制周期Tp=0.16 ms,調(diào)頻帶寬?駐F=30 MHz,,載頻f0=1 GHz,, 采樣頻率fs=8 MHz,目標(biāo)距離雷達(dá)R=820 m,,速度v=20 m/s,, 上下掃頻的一維距離像如圖2、圖3所示,。

    通過(guò)Matlab仿真計(jì)算得出,,上下掃頻段的徑向距離分別為R+=816.8 m,R-=825.1 m,,其對(duì)應(yīng)頻率分別為fb+=2.052 363 MHz,,fb-=2.052 637 MHz。根據(jù)式(1),、式(6)可以得知目標(biāo)距離R=821 m,,徑向速度v=20.6 m/s。
    通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析可以看出,,采用正負(fù)調(diào)頻的三角線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)信號(hào)上下掃頻段唯一的區(qū)別是調(diào)頻斜率由?滋變成-?滋,,利用對(duì)稱三角波的特點(diǎn)能有效地解決距離速度耦合現(xiàn)象。這種方法也可以用于探測(cè)飛機(jī),、汽車等單個(gè)散射點(diǎn)目標(biāo)的距離和速度,。
2.2 多個(gè)散射點(diǎn)目標(biāo)的仿真
    對(duì)于多散射點(diǎn)目標(biāo),由于快速傅里葉變換所固有的頻率間隔引起頻譜泄漏,,導(dǎo)致上下掃頻段內(nèi)的一維距離像不再完全一致,,所以必須在速度估計(jì)和補(bǔ)償后才能得到目標(biāo)實(shí)際的一維距離像,這樣也可方便識(shí)別與積累,。在多個(gè)散射點(diǎn)目標(biāo)同時(shí)存在的情況下,,運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的一維距離像在不同的掃頻周期內(nèi)存在散射點(diǎn)閃爍與距離游動(dòng)現(xiàn)象,如圖4,、圖5所示,,兩個(gè)掃頻周期內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的幅度、快速傅里葉變換的點(diǎn)數(shù)都不相同[6],。其參數(shù)設(shè)置為:三角波調(diào)制周期Tp=0.16 ms,;調(diào)頻帶寬?駐F=30 MHz,;載頻f0=1 GHz,;采樣頻率fs=8 MHz。共有3個(gè)目標(biāo),,與雷達(dá)距離分別為R1=55 m,、R2=80 m,、R3=110 m,速度分別為v1=0、v2=-16 m/s,、v3=40 m/s,。設(shè)置判別門限為400,采樣周期為32,。此情況下可以先對(duì)32個(gè)周期累加求和,,得到平均的一維距離像,然后再對(duì)距離像進(jìn)行速度估計(jì)和補(bǔ)償[6],。

 

 

    為了估計(jì)出目標(biāo)的速度,,可以先測(cè)得上下掃頻段內(nèi)3個(gè)峰值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率,然后計(jì)算出每對(duì)峰值點(diǎn)之間的頻率差,,再求其平均值計(jì)算估計(jì)速度[7],。累加平均后可以得到上掃頻段內(nèi)峰值點(diǎn)fb+分別為0.275 MHz、0.200 000 6 MHz,、0.274 998 48 MHz,,下掃頻段內(nèi)峰值點(diǎn)fb-分別為0.275 1 MHz、0.199 999 4 MHz,、0.275 001 51 MHz,從而根據(jù)上述方法可以得出v1=0 m/s,、v2=-15.9 m/s、v3=40.4 m/s,。
    在風(fēng)速測(cè)量中,,由于雷達(dá)接收天線各個(gè)方向接收的氣溶膠(低空)、霧,、云粒子(高空)的米散射回波是該方向上距離的函數(shù),,根據(jù)上述方法可以測(cè)得風(fēng)的徑向速度。只要獲取各方向上的徑向速度,,在一定假設(shè)條件下,,就可以反演出風(fēng)矢量了。
    仿真使用1 GHz的調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá),,因其波長(zhǎng)較長(zhǎng),,適合于晴空探測(cè)。探測(cè)范圍為3 km,,測(cè)速精度為0.1 m/s,。
3 風(fēng)速信息的獲取
  高空中風(fēng)矢量是一個(gè)三維量。因此,,要確定某一點(diǎn)的矢量信息,,需要3個(gè)線性無(wú)關(guān)的量。在單基地雷達(dá)系統(tǒng)中,獲得某一點(diǎn)3個(gè)線性無(wú)關(guān)量是相當(dāng)困難的,在假設(shè)高空風(fēng)水平均勻的前提下,,可以通過(guò)獲得某一高度上3個(gè)不同點(diǎn)的信息來(lái)達(dá)到目的,。
    在一個(gè)三波束的系統(tǒng)中,理論上只要滿足3個(gè)波束的指向即可以獲得3個(gè)線性無(wú)關(guān)的量,,波束的指向是可以任意確定的,。不過(guò)實(shí)際應(yīng)用中,波束的指向并不是任意的,。通常選擇一個(gè)垂直指向天頂?shù)牟ㄊ?,另外兩個(gè)波束以α角度(α一般取15°)偏離天頂且其方位正交[8]。
 
    本文提出將對(duì)稱三角線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)應(yīng)用于風(fēng)速探測(cè)中,,雷達(dá)接收天線各個(gè)方向上的氣溶膠,、霧、云粒子的米散射回波是該方向上距離的函數(shù),,對(duì)回波信號(hào)與本振信號(hào)混頻后得到的差頻信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理,,可以得到風(fēng)的徑向速度,從而反演出整個(gè)風(fēng)場(chǎng)信息,,其探測(cè)范圍為3 km,,測(cè)速精度可達(dá)到0.1 m/s,在氣象,、環(huán)保,、國(guó)防、機(jī)場(chǎng)等領(lǐng)域均有十分重大的意義以及廣闊的應(yīng)用前景,。
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