雷達(dá)測速的基礎(chǔ)知識(shí)

雷達(dá)能測量目標(biāo)相對于雷達(dá)的速度，它是距離的時(shí)間變化率。有時(shí)也可以用相對速度來代替距離變化率，這種情況下，速度是速度矢量的大小，通常稱為徑向速度。

如上圖所示，若雷達(dá)系統(tǒng)也是移動(dòng)的，則在目標(biāo)與雷達(dá)的距離矢量上，速度是目標(biāo)速度矢量和雷達(dá)速度矢量的投影大小。

01脈沖多普勒頻移測速法

雷達(dá)系統(tǒng)有多種測速方法，下面簡單介紹脈沖多普勒頻移測速法。通過測量接收目標(biāo)信號(hào)的脈沖多普勒頻移，雷達(dá)系統(tǒng)能計(jì)算目標(biāo)的速度與雷達(dá)發(fā)射電磁波的相關(guān)性。

為了測量多普勒頻移，雷達(dá)系統(tǒng)利用相干的脈沖串信號(hào)，通過對產(chǎn)生、發(fā)射和接收波形加入準(zhǔn)確的載波和調(diào)制處理來保證相位。

如上圖所示，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的回波信號(hào)的頻譜發(fā)生了多普勒移動(dòng)，測量出該頻移量即可計(jì)算出目標(biāo)相對于雷達(dá)的速度。從公式中我們可以看出，接近的目標(biāo)壓縮了雷達(dá)波，從而使回波頻率變高；而遠(yuǎn)離的目標(biāo)延伸了雷達(dá)波，從而使回波頻率變低。負(fù)速度(靠近雷達(dá))造成正的多普勒頻移，而正速度(遠(yuǎn)離雷達(dá))的多普勒頻移是負(fù)數(shù)。

例如，目標(biāo)的速度是150m/s，雷達(dá)波長為0.03m，多普勒頻移為10kHz。速度在計(jì)算過程中取負(fù)值是因?yàn)槟繕?biāo)在朝向雷達(dá)運(yùn)動(dòng)，它們之間的距離在縮短。下圖所示為雷達(dá)載波頻率函數(shù)在單位速度上的多普勒頻移。

從圖中我們可以看出，雷達(dá)波頻率越高，多普勒頻移的值越大。雷達(dá)設(shè)計(jì)者不能控制目標(biāo)的速度，但可以控制雷達(dá)的頻率，這就是為什么大部分多普勒雷達(dá)都有很高的頻率，制造較大的頻移以便測量。目標(biāo)與雷達(dá)的相對幾何位置以及運(yùn)動(dòng)方向?qū)Χ嗥绽疹l移也有較大影響，如下圖所示。

02多普勒濾波器組

多普勒頻移可以利用連接的窄帶匹配濾波器進(jìn)行計(jì)算，包含目標(biāo)多普勒頻移的多普勒濾波器得到的信號(hào)具有有很高的信噪比，其他的多普勒濾波器包含的只有接收機(jī)噪聲。在閾值檢測階段，會(huì)遍歷每一個(gè)多普勒濾波器，從而得到速度的測量。

通常情況下，多普勒濾波器會(huì)重疊相鄰濾波器大約半功率的帶寬，連續(xù)相鄰的多個(gè)多普勒濾波器稱為多普勒濾波器組，它可以覆蓋目標(biāo)的整個(gè)多普勒頻移帶。對于目標(biāo)監(jiān)視雷達(dá)而言，所需要的多普勒濾波器數(shù)量會(huì)很多。

03速度分辨率

窄帶濾波器是通過對某段時(shí)間輸出信號(hào)的積分來實(shí)現(xiàn)選擇，積分時(shí)間越長，多普勒濾波器帶寬越小。這個(gè)積分時(shí)間稱為脈沖串周期或者相干處理間隔(CPI)。速度分辨率是一個(gè)關(guān)于多普勒濾波器帶寬的函數(shù)。

多普勒濾波器帶寬與雷達(dá)積分時(shí)間的關(guān)系。速度分辨率本質(zhì)上是基于最好的多普勒頻移，這個(gè)頻移等于多普勒濾波器帶寬。例如，多普勒濾波器的帶寬為200Hz，雷達(dá)發(fā)射信號(hào)波長為0.03m，那么，雷達(dá)的速度分辨率是3m/s。

如圖所示，每單位多普勒濾波器帶寬的速度分辨率是關(guān)于雷達(dá)載波頻率的函數(shù)。雷達(dá)載波頻率越高，對于給定相同多普勒濾波器帶寬條件下的速度分辨率越好，這也是為什么大多數(shù)多普勒雷達(dá)都是高頻的原因，脈沖串波形可以允許任何好的多普勒分辨率，并且其周期可以根據(jù)需求而改變，所以說，雷達(dá)是一個(gè)大的系統(tǒng)工程問題。

04速度模糊

脈沖串波形存在頻域模糊，雷達(dá)系統(tǒng)利用多普勒濾波器組來測量多普勒頻移，多普勒濾波器組的頻率范圍一般就是脈沖重復(fù)頻率(PRF)，因此，當(dāng)多普勒頻移在±PRF/2的范圍內(nèi)，就不會(huì)產(chǎn)生速度模糊。

但當(dāng)多普勒頻移在±PRF/2的范圍外，通過減去一個(gè)整數(shù)倍數(shù)的PRF就可以使其出現(xiàn)在-PRF/2?+PRF/2。從頻域轉(zhuǎn)換到速度域帶來不模糊速度，與多普勒頻移為±PRF/2存在一定的關(guān)系。 一般來說，設(shè)計(jì)多PRF可以使回波在一個(gè)測量區(qū)域內(nèi)模糊，而在另一個(gè)測量區(qū)域不模糊。另外，有一些雷達(dá)系統(tǒng)通 過使用連續(xù)PRF來解決距離或速度模糊問題，即距離PRF后緊跟速度PRF，反之亦然。

05速度跟蹤

速度跟蹤作為時(shí)間的函數(shù)表示對目標(biāo)的速度進(jìn)行跟隨，即測算連續(xù)的速度變化量。“跟蹤門”可以對周圍指定速度的目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。雷達(dá)系統(tǒng)可以通過閉環(huán)控制系統(tǒng)自動(dòng)跟蹤目標(biāo)，也可以通過操作者進(jìn)行手動(dòng)跟蹤，或者兩者結(jié)合起來使用。另外，可以選擇性地對雷達(dá)系統(tǒng)多普勒濾波器組的輸出進(jìn)行監(jiān)視查看。

速度測量跟蹤是通過在時(shí)域上跟隨目標(biāo)的多普勒移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)單個(gè)目標(biāo)被跟蹤時(shí)，這個(gè)常用的速度跟蹤技術(shù)就是“速度門”。這個(gè)技術(shù)可以在兩個(gè)窄帶多普勒濾波器之間區(qū)分接收目標(biāo)。

審核編輯：湯梓紅