CN110579755B - 一种高精度多普勒频率测速装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高精度多普勒频率测速装置，包括：信号发射台与移动接收台；所述信号发射台包括信号发生单元、信号调制单元和信号发射单元，所述信号发生单元用于构建帧格式为ZC序列和共轭ZC序列构成的信标信号，并通过信号调制单元与信号发射单元对信标信号进行发射；所述移动接收台包括信号接收单元、信号提取单元、峰值检测单元及测速单元。本发明通过提出一种构建并发射ZC序列和共轭ZC序列的信号发射台，并在移动台利用简单相关器进行峰值检测，并通过查表即可实现高精度和大范围的运动速率测定，本发明通过测量ZC序列及共轭ZC序列的多普勒频率，间接实现移动速率的检测，测量方案简单且测量精度高。

Description

一种高精度多普勒频率测速装置
技术领域
非接触式的速率测定是一种在实际运用中非常重要和困难的速率测定方式，也就是当物体自身自己在运动/转动的时候，解决如何测定自身速率的问题。多普勒频率测定法是测定速率一种优良方法，基本原理便是通过多普勒效应来实现速率的测定。多普勒效应指出，波在波源移向观察者接近时接收频率变高，而在波源远离观察者时接收频率变低，多普勒效应适用于所有类型的波，包括电磁波。如图1所示，在电磁波的多普勒效应中，当移动台移向发射基站时，频率变高，远离基站时，频率变低。因此，多普勒频率测定法是测定速率一种优良间接方法，其基本思路是当一个物体在移动过程中，通过测定接收到的电磁波多普勒频率偏移，就可以间接测定出物体移动的速率。
无线电信号的多普勒频率(Doppler Frequency)fd，跟物体的运动速率v已及无线信号的载频频率fc以及光速速率c满足下面的公式：
Figure GDA0003501810700000011
因此，一个运动物体的多普勒速率测定和速率测定平台由两部分构成，一部分是无线台发射无线特定电磁波，另外一部分是运动物体本身做无线台发射的电磁波信号做多普勒频率测定。因此，当精确的测定出物体运动的多普勒频率，就可以间接的精确测量出物体运动速率v。但是在现有的速率测定中，测定多普勒频率实现都非常复杂和繁琐，如常用的方法有无源测频法(又可分为谐振法和电桥法)和有源比较法，有源比较法又可分为拍频法和差频法。无源测频法(常用于频率粗测，精度在1％左右，实现复杂度非常高。有源法是利用两个信号线性叠加以产生拍频现象，再通过检测零拍现象进行测频，常用于低频测量，精度较高，但测量的频率误差范围非常小，而且复杂度较高。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种高精度多普勒频率测速装置。
一种高精度多普勒频率测速装置，包括：信号发射台与移动接收台；所述信号发射台包括信号发生单元、信号调制单元和信号发射单元，所述信号发生单元用于构建帧格式为ZC序列和共轭ZC序列构成的信标信号，并通过信号调制单元与信号发射单元对信标信号进行发射；所述移动接收台包括信号接收单元、信号提取单元、峰值检测单元及测速单元，信号接收单元接收信标信号，接收的信号分别经过信号提取单元、峰值检测单元和测速单元，得到接收台的移动速率。
所述信号调制单元将构建的信标信号进行调制并通过所述信号发射单元对调制信号进行发射。
所述信号提取单元包括信号相关器，分别将接收信号中ZC序列和共轭ZC序列的信标信号提取出来，并去除干扰信号和噪声信号。
所述峰值检测单元分别检测接收的ZC序列和共轭ZC序列的峰值，并计算得到相关峰值时间差。
所述测速单元包括下位机，接收相关峰值时间差值，通过查表和曲线拟合获得信标信号的多普勒频率和移动接收台的速率。
所述信号发射单元和信号接收单元分别为发射天线和接收天线。
本发明的有益效果：本发明通过提出一种构建并发射ZC序列和共轭ZC序列的信号发射台，并在移动台利用简单相关器进行峰值检测，并通过查表即可实现高精度和大范围的运动速率测定，本发明通过测量ZC序列及共轭ZC序列的多普勒频率，间接实现移动速率的检测，测量方案简单且测量精度高。
附图说明
图1是多普勒效应原理示意图；
图2是ZC序列和共轭ZC序列相关器输出跟多普勒频率的关系示意图；
图3是信号接收台原理方框示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
本实施例中，一种高精度多普勒频率测速装置，包括：信号发射台与移动接收台；所述信号发射台包括信号发生单元、信号调制单元和信号发射单元，所述信号发生单元用于构建帧格式为ZC序列和共轭ZC序列构成的信标信号，并通过信号调制单元与信号发射单元对信标信号进行发射；所述移动接收台包括信号接收单元、信号提取单元、峰值检测单元及测速单元，信号接收单元接收信标信号，接收的信号分别经过信号提取单元、峰值检测单元和测速单元，得到接收台的移动速率。
本实施例中，在基于发射部分的信标的基础上，移动采用一种简单的峰值检测来实现多普勒频率检测。在每一个载频的接收输出信号上，通过移动台接收信号和下面的两个ZC序列和共轭ZC序列做相关。载频信号下变频后输入相关器的信号可以写为yk，ZC序列的相关器的输出可以表示为ck：
Figure GDA0003501810700000031
同理，共轭ZC序列的相关器的输出可以表示为
Figure GDA0003501810700000032
Figure GDA0003501810700000033
本实施例中，ZC序列和共轭ZC序列在受到多普勒效应后，其相关峰的位置会根据多普勒频率的大小做相应的偏移，如图2所示。因此本发明利用多普勒频率会改变ZC序列和共轭ZC序列相关器峰值之间的间隔距离，从而实现精确的测定移动台的多普勒频率。因此，假定在时间轴上，ZC序列和共轭ZC序列相关器峰值的时间间隔为Δd，相应的多普勒频率可以根据Δd查表和函数生成，也就是测定的多普勒频率可以表示为
Figure GDA0003501810700000034
其中，LUT代表表格查找和曲线拟合操作。
通过仿真测试，本发明提出的方法可以测定多普勒频率的精度可以达到0.001HZ,而且可以非常测定的多普勒频率范围非常宽，可以达到10KHz的范围，因此该方法可以测定的速度范围也非常宽广。
一旦通过查表和拟合得到测定的多普勒频率
Figure GDA0003501810700000035
相应的移动速率
Figure GDA0003501810700000036
可以根据测定多普勒频率
Figure GDA0003501810700000037
查表和拟合产生，也就是：
Figure GDA0003501810700000038
本发明通过提出一种构建并发射ZC序列和共轭ZC序列的信号发射台，并在移动台利用简单相关器进行峰值检测，并通过查表即可实现高精度和大范围的运动速率测定，本发明通过测量ZC序列及共轭ZC序列的多普勒频率，间接实现移动速率的检测，测量方案简单且测量精度高。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种高精度多普勒频率测速装置，其特征在于，包括：信号发射台与移动接收台；所述信号发射台包括信号发生单元、信号调制单元和信号发射单元，所述信号发生单元用于构建帧格式为ZC序列和共轭ZC序列构成的信标信号，并通过信号调制单元与信号发射单元对信标信号进行发射；所述移动接收台包括信号接收单元、信号提取单元、峰值检测单元及测速单元，信号接收单元接收信标信号，接收的信号分别经过信号提取单元、峰值检测单元和测速单元，得到接收台的移动速率。
2.根据权利要求1所述的一种高精度多普勒频率测速装置，其特征在于，所述信号调制单元将构建的信标信号进行调制并通过所述信号发射单元对信号进行发射。
3.根据权利要求1所述的一种高精度多普勒频率测速装置，其特征在于，所述信号提取单元包括信号相关器，分别将接收信号中ZC序列和共轭ZC序列的信标信号提取出来，并去除干扰信号和噪声信号。
4.根据权利要求1所述的一种高精度多普勒频率测速装置，其特征在于，所述峰值检测单元分别检测接收的ZC序列和共轭ZC序列的峰值，并计算得到相关峰值时间差。
5.根据权利要求4所述的一种高精度多普勒频率测速装置，其特征在于，所述测速单元包括下位机，接收相关峰值时间差值，通过查表和曲线拟合获得信标信号的多普勒频率和移动接收台的速率。
6.根据权利要求1所述的一种高精度多普勒频率测速装置，其特征在于，所述信号发射单元和信号接收单元分别为发射天线和接收天线。
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