CN103901425A - 一种测量运动物体横向速度的雷达及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种测量运动物体的横向速度的雷达及方法，包括线性调频脉冲波发射单元、线性调频脉冲波射频前端接收单元、信号处理单元、控制单元、速度显示单元；控制单元分别与线性调频脉冲波发射单元、线性调频脉冲波射频前端接收单元、信号处理单元、速度显示单元连接；线性调频脉冲波射频前端接收单元、信号处理单元、速度显示单元依次连接。本发明放置于距离运动物体一定距离处，两路间距一定的接收电路接收被运动物体反射回来的电磁波信号，让两路信号相干涉、测速等处理后，由速度显示单元显示运动物体的横向速度。本发明在精度和实时性等方面可以提高雷达系统对运动物体的速度检测、识别和跟踪性能。

Description

一种测量运动物体横向速度的雷达及方法
技术领域
本发明属于雷达技术领域，特别涉及一种测量运动物体横向速度的雷达及方法。
背景技术
现有雷达利用多普勒效益只能测量运动物体的径向速度，横向速度在目标检测、识别和跟踪方面有非常重要作用。为了测量横向速度，采用了许多间接措施：在测量人体血液速度时沿血液流动方向移动传感器，操作不便，精度差；在海洋洋流及大气风场测量领域，使用两部雷达对同一区域进行观测，由于两部雷达间信息交换及时间与空间匹配，测量不能满足实时要求，而且成本高。
发明内容
本发明针对上述问题,提供一种测量运动物体横向速度的雷达及方法，能够测量运动物体的横向速度，在精度和实时性方面提高雷达系统对物体的速度检测、识别和跟踪性能，且其成本相对较低。
本发明提供的技术方案是：
一种测量运动物体横向速度的雷达，包括线性调频脉冲波发射单元、接收由于物体对发射单元所辐射电磁波的反射而反射回来的线性调频脉冲波射频前端接收单元、提取物体横向速度大小与方向的信号处理单元、控制单元、速度显示单元；控制单元分别与线性调频脉冲波发射单元、线性调频脉冲波射频前端接收单元、信号处理单元、速度显示单元连接；线性调频脉冲波射频前端接收单元、信号处理单元、速度显示单元依次连接。
所述的线性调频脉冲波发射单元包括调频脉冲波产生电路、射频信号产生电路、上变频电路、功率放大电路和辐射天线；调频脉冲波产生电路的输入端、射频信号产生电路的输入端分别与控制单元连接；调频脉冲波产生电路的输出端、射频信号产生电路的输出端分别与上变频电路的输入端相连，上变频电路的输出端与功率放大电路的输入端相连，功率放大电路的输出端与辐射天线的输入端相连。
所述的线性调频脉冲波射频前端接收单元包括两个接收电路，每个接收电路均包括依次连接的接收天线、低噪放大器、下变频及滤波电路；射频信号产生电路分别与两个接收电路中的下变频及滤波电路连接；两个接收电路中的下变频及滤波电路分别与信号处理单元连接；两个接收电路的接收天线之间存在一定距离，此距离在保证测量精度的前提下可以尽量取大。
所述的信号处理单元包括干涉及速度信息提取电路和两个采样及距离信息提取电路；干涉及速度信息提取电路与速度显示单元连接；干涉及速度信息提取电路分别与两个采样及距离信息提取电路连接；两个采样及距离信息提取电路分别与线性调频脉冲波射频前端接收单元中的两个下变频及滤波电路连接；控制单元分别与两个采样及距离信息提取电路连接；采样及距离信息提取电路完成距离信息提取后的信号为视频信号，这样的视频信号有两路。
所述的干涉及速度信息提取电路实现两路视频信号的相加和相减。
一种基于上述雷达测量运动物体横向速度的方法，包括以下步骤：
第一步：利用雷达的发射单元发射出信号，信号到达运动物体后被反射，形成反射信号；
第二步：雷达接收单元中的两个接收电路分别接收反射信号，得到两路接收信号；
第三步：两路接收信号经过信号处理单元处理后得到视频干涉信号；
第四步：信号处理单元根据视频干涉信号的相位变化率提取出运动物体的横向速度。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
在精度和实时性等方面提高系统对运动物体的横向速度的检测，从而提高系统对目标的识别和跟踪性能；由于本发明系统构成及数据处理比传统方法测量横向速度简单很多，故可以大幅降低成本。
附图说明
图1是本发明测量运动物体横向速度的示意图；
图2是两天线所在位置为焦点的双曲线簇及椭圆线簇；
图3是本发明的原理框图；
图4是本发明中的线性调频脉冲波发射单元的示意图；
图5是本发明中的线性调频脉冲波射频前端接收单元的示意图；
图6是本发明中信号处理单元的原理框图；
图7是本发明的使用状态示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作进一步地描述。
参见图3，本发明中的基于电磁波干涉的运动物体横向速度测量雷达主要包括：线性调频脉冲波发射单元1，射频前端接收单元2，信号处理单元3，速度显示单元4，控制单元5；控制单元分别与线性调频脉冲波发射单元、线性调频脉冲波射频前端接收单元、信号处理单元、速度显示单元连接；线性调频脉冲波射频前端接收单元、信号处理单元、速度显示单元依次连接。
图4中，线性调频脉冲波发射单元包括调频脉冲波产生电路、射频信号产生电路、上变频电路、功率放大电路和辐射天线；调频脉冲波产生电路的输入端、射频信号产生电路的输入端分别与控制单元连接；调频脉冲波产生电路的输出端、射频信号产生电路的输出端分别与上变频电路的输入端相连，上变频电路的输出端与功率放大电路的输入端相连，功率放大电路的输出端与辐射天线的输入端相连。
在控制单元的控制下，调频波产生器产生一定频带宽度和时间宽度的线性调频脉冲信号，射频信号产生器产生一定频率的射频信号，经过上变频将线性调频脉冲信号调制到射频产生器所产生的射频信号上，滤波放大后送天线发射。
图5中，线性调频脉冲波射频前端接收单元包括两个接收电路，每个接收电路均包括依次连接的接收天线、低噪放大器、下变频及滤波电路；射频信号产生电路分别与两个接收电路中的下变频及滤波电路连接；两个接收电路中的下变频及滤波电路分别与信号处理单元连接；两个接收电路的接收天线之间存在一定距离，此距离可以保证速度测量精度。
运动物体目标反射回来的线性调频脉冲信号由接收天线接收后放大，送入下变频及滤波电路得到基带信号。
图6中，信号处理单元包括干涉及速度信息提取电路和两个采样及距离信息提取电路；干涉及速度信息提取电路与速度显示单元连接；干涉及速度信息提取电路分别与两个采样及距离信息提取电路连接；两个采样及距离信息提取电路分别与线性调频脉冲波射频前端接收单元中的两个下变频及滤波电路连接；控制单元分别与两个采样及距离信息提取电路连接。
在控制单元的控制下，信号处理单元对来自射频前端接收单元的两路基带信号先进行采样及距离信息提取，再得到这两路信号的干涉信号，通过对干涉信号的处理得到运动物体的横向速度信息，并通过速度显示单元显示出来。
图7是基于电磁波干涉的运动物体横向速度测量雷达的使用状态示意图，发射天线发射线性调频脉冲波信号，两副天线接收由运动物体反射回来的线性调频脉冲波信号，送入后面电路进行速度处理与显示。
一种基于上述雷达测量运动物体横向速度的方法，包括以下步骤：
第一步：利用雷达的发射单元发射出信号，信号到达运动物体后被反射，形成反射信号；
第二步：雷达接收单元中的两个接收电路分别接收反射信号，得到两路接收信号；
第三步：两路接收信号经过信号处理单元处理后得到视频干涉信号；
第四步：信号处理单元根据视频干涉信号的相位变化率提取出运动物体的横向速度。
图1是本发明测量运动物体横向速度的示意图。两路接收通道的两副接收天线间距为D，它们在图1所示坐标系的位置分别是(-D/2,0)和(-D/2,0)，接收天线1和接收天线2与运动物体的距离分别为r1和r2。运动物体在某一时刻与坐标原点的距离为r0，其方位角为
Figure BDA0000495404030000041
，其速度为v。两副接收天线所接收的来自运动物体的反射信号的表达式分别为：
s1＝cos[ωt-(2π/λ)r1],    (1)
s2＝cos[ωt-(2π/λ)r2],    (2)
上面两式中的ω和λ分别为电磁波的角频率和波长，这两路信号相干涉后的和信号s∑与差信号sΔ的表达式分别为：
s∑＝2cos[ωt-(π/λ)(r1+r2)]cos[(π/λ)(r1-r2)],  (3)
sΔ＝-2sin[ωt-(π/λ)(r1+r2)]sin[(π/λ)(r1-r2)].  (4)
从式(3)和式(4)可以看到干涉信号的慢变化部分(即视频干涉信号)具有相同的相位因子(π/λ)(r1-r2)。如果运动物体沿以两天线所在位置为焦点的双曲线轨迹运动，该相位将不会变化；如果运动物体的运动在以两天线所在位置为焦点的椭圆线上的投影分量不为零，该相位会产生变化，所以从包络信号的相位因子变化可以反演出运动物体投影在上述椭圆线上的运动速度分量。双曲线和椭圆线如图2所示。
如果将物体沿图2所示双曲线簇的运动定义为径向运动，其大小为vζ,沿椭圆线簇的运动定义为横向运动，其大小为vη，相位因子变化率kp与横向运动速度vη间的关系为：
Figure BDA0000495404030000051
由式(5)可知，从视频干涉信号中提取其相位变化率就可以计算出物体的横向速度。将速度信息送速度显示单元显示物体的横向速度。
下面提供一个测量具体物体速度的实例来说明本测量雷达的使用效果，以证明本发明的创造性。
图1中，假定雷达工作波长为0.1米，两副接收天线的间距为2米，物体处于两副接收天线连线的中垂线上，即
Figure BDA0000495404030000052
且与天线连线距离为1000米，物体反射回来的信号由天线接收经处理后得到两路视频信号的干涉信号，这一干涉信号的相位变化率kp可以由信号处理得到。则物体的横向速度vη与可由下式求出，
vη＝kp(r0 2+(D/2)2)1/2λ/D/π＝15.9kp
如果由信号处理得到的相位因子变化率kp为1弧度/秒，可以计算出物体的横向速度vη为15.9米/秒。

Claims (6)

1.一种测量运动物体横向速度的雷达，其特征在于：包括线性调频脉冲波发射单元、线性调频脉冲波射频前端接收单元、信号处理单元、控制单元、速度显示单元；控制单元分别与线性调频脉冲波发射单元、线性调频脉冲波射频前端接收单元、信号处理单元、速度显示单元连接；线性调频脉冲波射频前端接收单元、信号处理单元、速度显示单元依次连接。
2.根据权利要求1所述的一种测量运动物体横向速度的雷达，其特征在于：所述的线性调频脉冲波发射单元包括调频脉冲波产生电路、射频信号产生电路、上变频电路、功率放大电路和辐射天线；调频脉冲波产生电路的输入端、射频信号产生电路的输入端分别与控制单元连接；调频脉冲波产生电路的输出端、射频信号产生电路的输出端分别与上变频电路的输入端相连，上变频电路的输出端与功率放大电路的输入端相连，功率放大电路的输出端与辐射天线的输入端相连。
3.根据权利要求1所述的一种测量运动物体横向速度的雷达，其特征在于：所述的线性调频脉冲波射频前端接收单元包括两个接收电路，每个接收电路均包括依次连接的接收天线、低噪放大器、下变频及滤波电路；射频信号产生电路分别与两个接收电路中的下变频及滤波电路连接；两个接收电路中的下变频及滤波电路分别与信号处理单元连接；两个接收电路的接收天线之间存在可以保证速度测量精度的距离。
4.根据权利要求1或3所述的一种测量运动物体横向速度的雷达，其特征在于：所述的信号处理单元包括干涉及速度信息提取单元和两个采样及距离信息提取单元；干涉及速度信息提取单元与速度显示单元连接；干涉及速度信息提取单元分别与两路采样及距离信息提取单元连接；两个采样及距离信息提取单元分别与线性调频脉冲波射频前端接收单元中的两个下变频及滤波电路连接；控制单元分别与两个采样及距离信息提取单元连接；采样及距离信息提取单元完成距离信息提取后的信号为视频信号，这样的视频信号有两路。
5.根据权利要求4所述的一种测量运动物体横向速度的雷达，其特征在于：所述的干涉及速度信息提取单元实现两路视频信号的相加或相减以得到视频干涉信号。
6.一种基于上述雷达测量运动物体横向速度的方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步：利用雷达的发射单元发射出信号，信号到达运动物体后被反射，形成反射信号；
第二步：雷达接收单元中的两个接收电路分别接收反射信号，得到两路接收信号；
第三步：两路接收信号经过信号处理单元处理后得到视频干涉信号；
第四步：信号处理单元根据视频干涉信号的相位变化率提取出运动物体的横向速度。
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