CN109298412B

CN109298412B - 一种基于双频相干雷达的目标二维速度测量方法

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Publication number: CN109298412B
Application number: CN201811159273.5A
Authority: CN
Inventors: 王向荣; 王鹏程; 曹先彬
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2018-09-30
Filing date: 2018-09-30
Publication date: 2022-06-14
Anticipated expiration: 2038-09-30
Also published as: CN109298412A

Abstract

本发明公开一种基于双频相干雷达的目标二维速度测量方法，主要用于提取目标的径向和切向二维速度信息。其实现过程是：调节径向/切向测速模式选择开关，对准目标，发射10GHz/4GHz连续波信号；10GHz/4GHz天线接收目标回波信号；在切向测速模式下，将两路回波信号输入相干器，得到相干信号；对信号/相干信号进行短时傅里叶变换得到微多普勒时频谱特性，提取每一时刻的微多普勒频率，从而得到每一时刻的径向/切向速度信息。本发明解决了传统多普勒雷达仅能测量目标径向速度的问题，能够提取多个目标径向和切向速度的二维互补信息。

Description

一种基于双频相干雷达的目标二维速度测量方法

技术领域

本发明属于雷达信号处理领域，具体涉及利用微多普勒时频谱特征提取目标速度特征的方法。

背景技术

运动目标的瞬时速度相对于雷达包含二维速度信息，即延雷达视线方向的径向速度和垂直雷达视线方向的切向速度。传统多普勒雷达包含一根发射天线和一根接收天线，对目标速度的测量基于多普勒效应。根据多普勒效应，仅当目标在雷达视线方向上具有速度时，目标的回波信号才会产生频率偏移，这就导致传统多普勒雷达仅能测量目标相对于雷达的径向速度，缺失目标切向速度信息。因此，本发明设计一种基于双频相干雷达的多目标二维速度信息测量方法。

双频相干雷达包含两根发射天线和三根接收天线，两根发射天线能够发射不同频率的连续波信号。三根接收天线中，一根接收天线能够接收10GHz载频信号，另外两根天线接收4GHz载频信号。相干雷达具有两根接收天线，目标反射信号到达两根接收天线的时间存在延迟，因而通过相干处理即可抵消目标径向速度，获得目标的切向速度。结合每一个时刻的径向和切向二维速度信息，便可得到各时刻旋翼的瞬时速度。

发明内容

基于上述双频相干雷达在二维速度信息提取中的优势，本发明将其与雷达微多普勒效应相结合，提出一种测量多目标径向和切向二维速度信息的方法。

本发明基于双频相干雷达的目标二维速度测量方法，包括目标径向速度测量与切向速度测量，其中：

一、径向速度测量的具体步骤为：

a、双频相干雷达的发射机与10GHz发射天线连接，向目标发射10GHz载频信号。

b、双频相干雷达的一路接收机连接10GHz接收天线，接收目标的回波信号，位于空间坐标系原点；另一路接收机连接匹配电阻。

c、对位于空间坐标系原点处的10GHz接收天线的回波信号进行短时傅里叶变换，得到信号微多普勒时频谱特性。

d、提取各时刻微多普勒频率，由v＝f_m-Dλ/2计算得到瞬时目标径向速度；其中，v为瞬时目标径向速度；f_m-D为信号各时刻的微多普勒频率；λ为发射信号载波波长。

二、切向速度测量的具体步骤为：

(1)双频相干雷达的发射机与4GHz发射天线连接，向目标发射4GHz载频信号。

(2)双频相干雷达的两路接收机分别连接两根4GHz接收天线，接收目标回波信号；其中一根4GHz接收天线位于空间坐标系原点。

(3)将两路回波信号输入相干器，得到相干信号。

(4)对得到的相干信号进行短时傅里叶变换，得到相干信号微多普勒时频谱特性。

(5)提取各时刻微多普勒频率，利用ω＝f_m-Dλ/D计算得到瞬时目标切向速度；其中，ω为瞬时目标径向速度；D为两根接收天线之间的距离。

本发明的优点在于：

本发明基于双频相干雷达的目标二维速度测量方法，克服了传统多普勒雷达只能测量目标相对于雷达的径向速度而不能测量切向速度的缺点，能够测量多目标径向和切向二维速度信息，操作简便，提高了检测不规则运动目标的能力。

附图说明

图1为本发明基于双频相干雷达的目标二维速度测量方法流程图；

图2为本发明基于双频相干雷达的目标二维速度测量方法中双频相干雷达与旋翼模型示意图；

图3为径向速度测量模式下第一根接收天线接收单目标信号微多普勒时频特性图；

图4为切向速度测量模式下单目标相干信号微多普勒时频特性图；

图5为单叶片旋翼各时刻相对雷达径向速度图；

图6为单叶片旋翼各时刻相对雷达切向速度图；

图7为径向速度测量模式下第一根接收天线接收双目标信号微多普勒时频特性图；

图8为切向速度测量模式下双目标相干信号微多普勒时频特性图；

图9为单叶片旋翼各时刻相对雷达径向速度图；

图10为单叶片旋翼各时刻相对雷达切向速度图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

这里以多叶片旋翼为例，选取每个叶片尖端顶点为散射点P。

本发明基于双频相干雷达的目标二维速度测量方法，如图1所示，具体步骤如下：

步骤一：双频相干雷达向目标发射连续波信号；

双频相干雷达的发射天线均位于空间坐标系原点处；调节径向/切向测速选择开关，将发射天线对准目标，发射连续波信号为：s(t)＝exp{j2πft}，j为虚数单位，t为时间。若选择径向速度测量模式，则双频相干雷达的发射机与10GHz发射天线连接，发射10GHz载频信号，即f＝10GHz；若选择切向速度测量模式，则双频相干雷达的发射机与4GHz发射天线连接，发射4GHz载频信号，即f＝4GHz。

步骤二：双频相干雷达的两路接收机接收目标回波信号；

在径向速度测量模式下，双频相干雷达的一路接收机连接10GHz天线，接收目标的回波信号；另一路接收机连接匹配电阻。如图2所示，10GHz接收天线位于空间坐标系原点；在切向速度测量模式下，双频相干雷达的两路接收机分别连接两根4GHz天线，接收目标回波信号。其中，第一根4GHz接收天线位于空间坐标系原点，设置两根接收天线间的距离为波长的200倍，即第二根4GHz接收天线位于空间坐标系X轴上与第一根4GHz接收天线相距15m。

上述径向速度与切向速度测量模式下，双频相干雷达的位于坐标原点的接收天线接收的回波信号为：

其中，R₀为旋翼中心与坐标原点之间的距离，L为旋翼长度，ω_n＝ω₀+(n-1)2π/N为第n个叶片的初始相位，ω₀为第一个叶片的初始相位、N为旋翼叶片数，Ω为旋翼的转速，θ和φ分别为旋翼的俯仰角和偏向角，λ＝c/f为发射信号载波波长，c为光速，在径向速度测量模式下，f＝10GHz，λ＝0.03m；当选择切向速度测量模式时，f＝4GHz，λ＝0.075m。

第二根接收天线接收信号为：

其中，

tanα＝cos²θsinφcosφ/(1-sin²φcos²θ)；

D为两根接收天线之间的距离。

当选择径向速度测量模式时，f＝10GHz,λ＝0.03m，当选择切向速度测量模式时，f＝4GHz，λ＝0.075m；

步骤三：回波信号处理；

选择径向速度测量模式时，对10GHz接收天线信号进行短时傅里叶变换，得到信号微多普勒时频谱特性；

当选择切向速度测量模式时，将两路回波信号输入相干器，得到相干信号c(t)为：

式中，m是计数单位；

为回波信号来波方向。

对得到的相干信号进行短时傅里叶变换，得到相干信号微多普勒时频谱特性。

上述短时傅里叶变换的公式为：

式中，s(t)为相干信号，w(t)为短时傅里叶变换的窗函数，k为角频率，τ为每次窗函数移动的距离；窗函数是在时间轴上进行移动的，移动的距离表示是时间的延迟。由于高斯窗函数的时频窗面积等于2，在时间和频谱分辨率上折中，所以本发明选择高斯窗函数对信号进行短时傅里叶变换。

步骤四：提取各时刻微多普勒频率，计算得到瞬时切向和径向速度；

基于信号微多普勒时频谱特性，提取各时刻微多普勒频率。在径向速度测量模式下，步骤四中信号微多普勒时频谱特性是由目标相对雷达径向运动产生的，通过提取各时刻微多普勒频率，利用v＝f_m-Dλ/2,λ＝0.03m提取目标径向速度，f_m-D为信号各时刻的微多普勒频率。

在切向速度测量模式下，并且在单目标情况下，步骤四中相干信号产生的微多普勒时频谱特性由切向速度产生；在多目标情况下，步骤四中相干信号微多普勒频率由径向速度和切向速度共同产生，但是由径向速度产生的微多普勒频率远小于由切向速度产生的微多普勒频率，近似可以忽略。因此，通过提取各时刻微多普勒频率，利用ω＝f_m-Dλ/D,λ＝0.075m,D＝15m即可提取目标切向速度。

实施例

(1)单目标(单叶片旋翼)。

表1：单叶片旋翼参数表

参数	数值	参数	数值
				旋翼长度	0.2m	旋翼转速	5r/s
俯仰角	0	偏向角	0
				R<sub>0</sub>	2m	叶片一初始相位	0
叶片数	1

径向速度测量模式下第一根接收天线接收单目标信号微多普勒时频特性图如图3所示；切向速度测量模式下单目标相干信号微多普勒时频特性图如图4所示。经计算可得，单叶片旋翼各时刻相对雷达径向速度如图5所示；单叶片旋翼各时刻相对雷达切向速度如图6所示。叶片绕旋翼中心转动，相对雷达径向运动呈现正弦变化规律，最大径向速度为6.28m/s；相对雷达切向速度呈现余弦变化规律，最大切向速度3.14rad/s，即6.28m/s。径向和切向最大速度相同，均等于旋翼转动线速度，并且径向和切向速度符合互补关系，与实际运动情况一致。

(2)双目标(双叶片旋翼)。

表2：双叶片旋翼参数表

参数	数值	参数	数值
				旋翼长度	0.2m	旋翼转速	5r/s
俯仰角	0	偏向角	0
				R<sub>0</sub>	2m	叶片数	2
叶片一初始相位	0	叶片二初始相位	π

径向速度测量模式下第一根接收天线接收双目标信号微多普勒时频特性图如图7所示；切向速度测量模式下双目标相干信号微多普勒时频特性图如图8所示。经计算可得，双叶片旋翼各时刻相对雷达径向速度如图9所示；双叶片旋翼各时刻相对雷达切向速度如图10所示。叶片绕旋翼中心转动，相对雷达径向运动呈现正弦变化规律，最大径向速度为6.28m/s；相对雷达切向速度呈现余弦变化规律，最大切向速度3.14rad/s，即6.28m/s。由于两个叶片处于对称位置，所以两叶片的径向和切向速度在任意时刻大小相同，方向相反。径向和切向最大速度相同，等于旋翼转动线速度，并且径向和切向速度符合互补关系，与实际运动情况一致。

Claims

1.一种基于双频相干雷达的目标二维速度测量方法，包括目标径向速度测量与切向速度测量，其特征在于：

一、径向速度测量的具体步骤为：

a、双频相干雷达的发射机与10GHz发射天线连接，向目标发射10GHz载频信号；

b、双频相干雷达的一路接收机连接两根10GHz接收天线，接收目标的回波信号，位于空间坐标系原点，另一路接收机连接匹配电阻；

c、对位于空间坐标系原点处的10GHz接收天线的回波信号进行短时傅里叶变换，得到信号微多普勒时频谱特性；

d、提取各时刻微多普勒频率，由v＝f_m-Dλ/2计算得到瞬时目标径向速度；其中，v为瞬时目标径向速度；f_m-D为信号各时刻的微多普勒频率；λ为发射信号载波波长；

二、切向速度测量的具体步骤为：

(1)双频相干雷达的发射机与4GHz发射天线连接，向目标发射4GHz载频信号；

(2)双频相干雷达的两路接收机分别连接两根4GHz接收天线，接收目标回波信号；其中一根4GHz接收天线位于空间坐标系原点；

(3)将两路回波信号输入相干器，得到相干信号；

(5)对得到的相干信号进行短时傅里叶变换，得到相干信号微多普勒时频谱特性；

(6)提取各时刻微多普勒频率，利用ω＝f_m-Dλ/D计算得到瞬时目标切向速度；其中，ω为瞬时目标径向速度；D为两根接收天线之间的距离。

2.如权利要求1所述一种基于双频相干雷达的目标二维速度测量方法，其特征在于：在切向速度测量的步骤(2)中，两根接收天线间的距离为波长的200倍。

3.如权利要求1所述一种基于双频相干雷达的目标二维速度测量方法，其特征在于：径向速度与切向速度测量中，双频相干雷达的位于空间坐标系原点处的接收天线接收的回波信号为：

其中，R₀为旋翼中心与坐标原点之间的距离，L为旋翼长度，j为虚数单位，t为时间，ω_n＝ω₀+(n-1)2π/N为第n个叶片的初始相位，ω₀为第一个叶片的初始相位、N为旋翼叶片数，Ω为旋翼的转速，θ和φ分别为旋翼的俯仰角和偏向角，λ＝c/f为发射信号载波波长；f为载波频率；c为光速；

另一根接收天线接收信号为：

其中，

tanα＝cos²θsinφcosφ/(1-sin²φcos²θ)。

4.如权利要求3所述一种基于双频相干雷达的目标二维速度测量方法，其特征在于：对于位于空间坐标系原点处的接收天线接收的回波信号计算中，在径向速度测量时，f＝10GHz，λ＝0.03m；在切向速度测量时，f＝4GHz，λ＝0.075m，D＝15m；D为两根接收天线之间的距离。

5.如权利要求1所述一种基于双频相干雷达的目标二维速度测量方法，其特征为在于：切向速度测量时，相干信号为：

式中，L为旋翼长度，j为虚数单位，t为时间，ω_n＝ω₀+(n-1)2π/N为第n个叶片的初始相位，ω₀为第一个叶片的初始相位、ω_m为第m个叶片的初始相位，N为旋翼叶片数，Ω为旋翼的转速，θ和φ分别为旋翼的俯仰角和偏向角，λ＝c/f为发射信号载波波长；f为频率；c为光速；m为计数单位；

叶片回波信号来波方向。

6.如权利要求1所述一种基于双频相干雷达的目标二维速度测量方法，其特征在于：径向速度与切向速度测量中，短时傅里叶变换的公式为：

式中，s(t)为相干信号，w为短时傅里叶变换的窗函数，k为角频率，τ为每次窗函数移动的距离。