CN110058221B

CN110058221B - 多普勒雷达低速测速方法

Info

Publication number: CN110058221B
Application number: CN201811223351.3A
Authority: CN
Inventors: 何开巍; 李栋; 岂常春; 利晓芸; 郝朝亮
Original assignee: Shaanxi Changling Electronic Technology Co ltd
Current assignee: Shaanxi Changling Electronic Technology Co ltd
Priority date: 2018-10-19
Filing date: 2018-10-19
Publication date: 2023-03-21
Anticipated expiration: 2038-10-19
Also published as: CN110058221A

Abstract

本发明公开了一种多普勒雷达低速测速方法，主要解决现有连续波多普勒雷达无法在载机悬停、低速飞行时测速的问题。其实现方案是：1.加厚多普勒雷达的天线罩，并在其天线罩边缘的选定位置涂覆匹配的吸波材料，控制微带天线和射频收发机交联接口的驻波比；2.在多普勒雷达射频收发机上方粘贴吸波材料；3.调整多普勒雷达中频接收机内放大电路，优化中频接收机；4.采用PID算法和线性算法相结合的方式对中频接收机进行AGC控制；5.延长雷达波束切换周期；6.利用经过1‑5改进后的多普勒雷达在净空测试环境下测量出载机的低速信号。本发明提高了连续波多普勒雷达低速测速能力，可用于飞机悬停或低速飞行时的稳定测速。

Description

多普勒雷达低速测速方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，特别涉及一种多普勒雷达低速测速方法，可用于飞机悬停或低速飞行时稳定测速。

背景技术

多普勒雷达利用多普勒效应精确测量载机的三轴向速度。雷达发射和接收电磁波，通过计算接收电磁波信号和发射电磁波信号的频率差而计算得出雷达载体和反射面之间的三轴向相对速度。

根据频率接收体接收到的频率随着接收体与频率发射体之间的相对运动而发生变化的特性，通过多普勒效应计算接收频率与发射频率之差即多普勒频移fd为：

其中c为光速，V为接收体与发射体相对运动速度，f₀为发射频率,λ为发射波束的波长，由上述公式可知，多普勒频移fd与二者相对运动的径向速度成正比。当载机进行悬停或低速飞行时，速度为零或接近于零，对应的多普勒频移fd也为零或接近于零。

目前多普勒雷达普遍采用简单连续波体制，存在一个缺点，就是雷达信号的泄漏和波束切换带来的低频调制信号容易造成雷达误跟踪零频率附近的信号。为了防止这种误跟踪的情况，通常采用带通滤波器对零频信号和低频调制信号进行抑制，但是同时也对飞机低速飞行时的多普勒频移信号产生了抑制。

当采用的带通滤波器对零频和低频信号抑制的幅度较大时，低速时的多普勒频移信号也会被抑制的很低，造成雷达不能跟踪上低速时的多普勒频移信号，即低速信号灵敏度低，飞机在悬停、低速飞行时多普勒雷达就会失锁，导致多普勒雷达不能进行低速测量。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种提高多普勒雷达低速测速能力的方法，以使多普勒雷达在飞机悬停、低速飞行时能够测速。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：

(1)将多普勒雷达的天线罩加厚为1/4波长，并在其天线罩边缘的选定位置涂覆匹配的吸波材料，控制微带天线和射频收发机交联接口的驻波比不大于1.5，使收发天线隔离度达到85dB以上；

(2)在多普勒雷达射频收发机上方粘贴吸波材料，以降低射频收发机间的空间辐射，并模拟射频收发机在雷达上的安装环境，测试射频收发机之间的泄露信号，保证收发机之间的射频泄露信号不大于-70dBm。

(3)通过调整多普勒雷达中频接收机内放大电路，实现对中频接收机的优化，以提升中频接收机在1Hz～100Hz低频段内的增益，再采用四通道分时处理方法降低信号切换引起的低频信号干扰和泄露信号干扰；

(4)采用PID综合算法和分段线性算法，结合多普勒雷达信号处理机给定的AGC电压对中频接收机进行AGC控制，减小AGC抖动，以保证中频接收机通道的稳定性；

(5)将多普勒雷达波束切换周期由20ms延长至80ms，此时波束切换带来的调制信号由50Hz变为12.5Hz，有效降低了雷达波束切换带来的低频调制信号干扰；

(6)利用经过上述(1)～(5)处理后的多普勒雷达进行测速：

(6a)将多普勒雷达置于空旷场地且倒立放置，使天线面对准天空；

(6b)对多普勒雷达通电，在不加入任何外部信号的情况下观测雷达的当前状态：

若雷达跟踪锁定，则说明跟踪的是零频泄露信号，应调整AGC电压以降低雷达低速信号灵敏度，以保证雷达在装机使用过程中不会错误跟踪；

若雷达失锁，即雷达在净空测试时不跟踪泄露信号。此时通过专用测试仪给雷达输入-100dBm的1Hz～100Hz中频模拟测试信号Fa、Fb、Fc、Fd，使得多普勒雷达正确跟踪四波束测试信号Fa、Fb、Fc、Fd，解算出载体三轴向的0km/h～10km/h低速度信息Vx,Vy,Vz。

本发明从雷达***设计出发，综合了射频收发隔离技术、中频信号处理技术、AGC控制以及专用净空测试方法等，提高了多普勒雷达低速信号灵敏度的同时不会错误的跟踪泄露信号，与现有技术相比具有以下优点：

1.提高了连续波多普勒雷达低速信号灵敏度，使多普勒雷达在载机悬停及低速运动时可以测速。

2.解决了泄漏信号抑制及低速信号灵敏度提升之间的矛盾，使雷达在低速测速的同时不会错误跟踪泄露信号。

3.提高雷达低速信号灵敏度的同时没有对雷达测速精度等其他性能造成影响。

4.本发明应用于多普勒雷达，提高了多普勒雷达低速跟踪能力，使多普勒雷达在载机处于悬停、低速飞行甚至静止状态下能够正常测速。

5.采用本发明的多普勒雷达，可以在载机执行悬停、声纳吊放、自动过渡等任务时提供连续、精准的速度信息，提高了任务成功率。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

附图说明

图1为多普勒雷达的工作原理图；

图2为本发明的实现流程图；

图3为本发明中的泄露信号示意图；

图4为本发明中的AGC电压控制方式子流程图；

图5为本发明中的AGC控制算法与传统AGC控制算法效果比较图；

图6为本发明中波束周期延长示意图。

具体实施方式

参照图1，多普勒雷达的工作原理如下：

多普勒雷达主要由电源、射频发射机、射频接收机、发射天线、接收天线、中频接收机、信号处理机和数据处理机组成。

多普勒雷达上的射频发射机产生射频信号Ft，该射频信号Ft通过发射天线向反射面辐射后向空间反射形成反射信号Fr，当多普勒雷达和反射面存在相对运动时，反射信号Fr相比发射信号Ft就增加了由多普勒效应产生的多普勒频移Fp，此时反射信号Fr＝Ft+Fp。反射信号Fr被接收天线接收后进入到射频接收机，在射频接收机中经过放大、混频后输出中频信号10MHz+Fp至中频接收机，该中频信号在中频接收机中经过解调、放大、调制等信号处理后变为音频信号100KHz+Fp，该音频信号进入信号处理机后解算出AGC电压送给中频接收机用于放大中频信号，解算出四波束的多普勒频移Fp送给数据处理机，用于解算出多普勒雷达载体相对于反射面的速度信息。

目前多普勒雷达普遍采用简单连续波体制，存在一个缺点，就是雷达的泄露信号和波束切换带来的低频调制信号容易造成雷达误跟踪零频率附近的信号，雷达的泄露信号示意图见图3。为了防止这种误跟踪的情况，通常采用带通滤波器对零频信号和低频调制信号等干扰信号进行抑制，抑制上述干扰信号的同时也对飞机低速飞行时产生的低频段内的多普勒信号产生了抑制，造成雷达不能跟踪上低频段内的多普勒信号，导致雷达不能在飞机悬停或低速飞行时稳定测速。

本发明通过对现有多普勒雷达的改进，使其可以正确的跟踪低速多普勒频移信号而不会跟踪零频信号和低频调制信号等干扰信号，保证雷达能在飞机悬停或低速飞行时可以稳定测速。

参照图2，本发明的实现步骤如下：

步骤1对多普勒雷达的收发天线进行改进。

(1a)多普勒雷达使用微带天线，天线上有一层用于防尘和固定的天线罩，天线罩对发射信号有反射作用，为减小天线罩对发射信号的反射，将其厚度由原来的λ/8增加为λ/4，λ为电磁波波长，使得天线罩对发射信号的反射降低了3dB；

(1b)天线调试过程中，在靠近微带天线面的天线罩选定位置粘贴吸波材料，以将收发天线的隔离度提高3dB，该吸波材料的厚度是1.2mm，其对13GHz的微波信号吸收率大于8dB，本实例使用但不限于江苏万华拓谷新材料有限公司生产的吸波贴片WTPLH-121-SO1；

(1c)在天线装配调试过程中，通过控制微带天线和射频收发机交联接口处SMA接插件焊点的面积和厚度来降低微带天线和射频收发机交联接口的驻波比，使其驻波比不大于1.5。

步骤2对射频收发机间的空间泄露信号进行抑制。

在多普勒雷达射频收发机上方使用吸波材料,以将射频收发机间的空间泄露降低6dB，该吸波材料的厚度是1.2mm，其对13GHz的微波信号吸收率大8dB，本实例使用但不限于江苏万华拓谷新材料有限公司生产的吸波贴片WTPLH-121-SO1；

由于测试环境对空间泄露信号的测试结果影响较大，需要模拟射频收发机在雷达上的安装环境来测试射频收发机之间的空间泄露信号，在此环境下，应保证射频收发机之间的空间泄露信号不大于-70dBm。如果空间泄露信号大于-70dBm，则要更换射频收发机，即通过在射频收发机上方使用吸波材料和更换射频收发机的方法对射频收发机间的空间泄露信号进行抑制，直至射频收发机间的空间泄露信号不大于-70dBm。

步骤3对中频接收机进行优化。

(3a)在中频接收机中采用四通道分时处理的方法抑制干扰信号：

中频信号10MHz+Fp中包含泄露信号和波束切换带来的低频调制信号等干扰信号，对该干扰信号的抑制是在中频信号10MHz+Fp的输出端连接一个四选一开关，开关通过波束控制信号进行选通，波束控制信号共“00”、“01”、“11”、“10”四种状态，分别控制开关的四个输出端口，在每个开关后接一个0.1uF的电容，以减小通道冲击，抑制干扰信号；

(3b)调整多普勒雷达中频接收机内放大电路：

由于中频接收机对中频信号10MHz+Fp在放大的同时也放大了干扰信号，所以传统中频接收机在设计时一般会对低频干扰信号进行抑制，避免雷达错误的跟踪干扰信号，这样做的结果就是雷达不会跟踪干扰信号，但同时也不会跟踪有用的低频多普勒信号，导致多普勒雷达不能测量低速信号。

本发明调整中频接收机放大电路，将原来的三级放大电路变为中频和音频两级放大，在音频放大前端连接一个47uF的电容，以此抑制干扰信号，同时将放大电路供电由原来的5V改为12V供电，提高放大器的压摆率和接收机动态范围，使得调整后的中频接收机在1Hz～100Hz低频段内的增益比调整前的增大10dB以上。以下给出三种不同型号通过调整后中频接收机的滤波增益，如表1。

表1

Fre(Hz)	1D	1AV2	1A
				5000	0.2	-0.1	0.5
4500	-0.1	-1	-0.5
				4000	-0.1	-2.1	-1.5
3500	-0.2	-3.2	-2.5
				3000	-0.2	-4.3	-3.5
2500	-0.2	-5.3	-4.5
				2000	-0.4	-6.4	-6
1500	-1	-8	-7.5
				1000	-2.6	-9.6	-10.5
500	-7.5	-16.2	-18

表1(续)

Fre(Hz)	1D	1AV2	1A
				300	-11.8	-21.2	-25
100	-19.3	-30.8	-41.5
				90	-19.7	-31.8	--
80	-20	-32.8	--
				70	-20.5	-34.3	--
60	-20.9	-35.8	--
				50	-21.3	-37.3	--
40	-21.7	-39.2	--
				30	-22.2	-42.5	--
20	-23.2	-47.2	--
				10	-26.4	-55.8	--

表1中“1D”、“1AV2”、“1A”分别代表三种不同型号的中频接收机增益曲线，其中“1D”为本发明中的中频接收机，采用两级放大，12V供电；“1A”和“1AV2”为传统中频接收机，采用三级放大，5V供电。

由表1可见本发明中频接收机在1Hz～100Hz低频段内的增益高于其他型号10dB以上。

步骤4对信号处理机内的AGC电压进行优化。

多普勒雷达通过自动增益控制AGC的方法对信号能量进行放大处理，多普勒雷达的信号处理机计算并产生AGC电压，将AGC电压送至中频接收机用于信号能量放大，使中频接收机通道信号能量尽可能接近0dBm。本发明采用线性计算和“比例-积分-微分”PID算法相结合的方法计算AGC电压。

参照图4，本步骤的具体实现如下：

当中频接收机内信号能量E的绝对值大于10dBm时，采用线性计算的方法快速的调整AGC电压使E快速接近0dBm。

当中频接收机内信号能量E的绝对值小于等于10dBm时，采用“比例-积分-微分”PID算法平稳的调整AGC电压使E平稳接近0dBm。

图5是传统PID算法和本发明中的AGC算法产生的AGC电压效果比较，其中图5a为传统PID算法效果图，图5b为本发明中改进后的AGC算法效果图，由对比可知，优化后AGC电压响应速度更快，AGC电压达到上限后抖动更小。

步骤5延长多普勒雷达波束切换周期，以降低雷达波束切换带来的调制信号。

如图6所示，多普勒雷达分为A、B、C、D四个波束，四个波束按周期T分时切换，产生的调制信号频率为1/T。多普勒雷达波束切换周期T原为20ms，产生的调制信号频率为50Hz。本发明将多普勒雷达波束切换延长至80ms，产生的调制信号频率为12.5Hz，即将多普勒雷达波束切换周期由20ms延长至80ms后，产生的调制信号频率由50Hz降低为12.5Hz。

步骤6利用经过上述步骤1～步骤5处理后的多普勒雷达进行测速。

零频率附近的干扰信号和低速信号在频谱上非常接近，当多普勒雷达跟踪低速信号时，不能区分多普勒雷达跟踪的是低速信号还是干扰信号。为了解决此问题本发明采用了净空测试的方法，利用多普勒雷达测量低速信号，具体步骤如下：

(6a)将调整好参数的多普勒雷达置于净空环境下，要求以天线垂直轴为中心，且在夹角120°的向上圆锥范围内无遮挡物；

(6b)给多普勒雷达通电工作，不输入任何外部信号，此时多普勒雷达应该失锁，如此时雷达跟踪锁定，则说明多普勒雷达跟踪的是干扰信号，此时应降低雷达低速信号灵敏度，直至多普勒雷达在净空环境下不会跟踪锁定干扰信号，以此保证雷达在装机使用过程中不会错误跟踪。

(6c)当雷达净空不跟踪干扰信号时，给雷达输入一个1Hz～100Hz低频段内的模拟测试信号，多普勒雷达正确跟踪测试信号并解算出三轴向的0km/h～10km/h低速度信息Vx,Vy,Vz：

Vx＝((Fb-Fc)+(Fa-Fd))/(2*ai)，

Vy＝((Fd-Fc)+(Fa-Fb))/(2*bj)+Vx*dk，

Vz＝-((Fa+Fc)+(Fb+Fd))/(2*cl)，

式中，Fa是雷达测量得到的A波束频率，Fb是雷达测量得到的B波束频率，Fc是雷达测量得到的C波束频率，Fd是雷达测量得到的D波束频率，ai是X轴向速度解算因子，bj是Y轴向速度解算因子，cl是Z轴向速度解算因子，dk是下压角因子，这三个速度解算因子和下压角因子由雷达硬件决定，均为已知量。*代表相乘，/代表相除。

本发明应用于连续波体制多普勒雷达，但不限于连续波多普勒雷达领域，所有连续波体制雷达低速测量的领域均可以参考使用本发明的方法。

测试结果表明，应用本发明的多普勒雷达，其低速信号跟踪能力显著提高，可以满足载机在陆地200米、1/2海情下100米的悬停、低速测速需求。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些是基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims

1.一种多普勒雷达低速测速方法，其特征在于，包括：

(2)在多普勒雷达射频收发机上方粘贴吸波材料，以降低射频收发机间的空间辐射，并模拟射频收发机在雷达上的安装环境，测试射频收发机之间的泄露信号，保证收发机之间的射频泄露信号不大于-70dBm；

所述调整多普勒雷达中频接收机内放大电路，是将原来的三级放大电路变为中频和音频两级放大，将放大电路供电由原来的5V改为12V供电，使得调整后的中频接收机在1Hz～100Hz低频段内增益比调整前增大10dB以上；

所述采用四通道分时处理方法降低信号切换引起的低频信号干扰和泄露信号干扰，是用波束控制信号控制一个四选一开关，并在每个开关后接一个0.1uF的电容，以减小通道冲击；

(6)利用经过上述(1)～(5)处理后的多普勒雷达进行测速：

若雷达失锁，即雷达在净空测试时不跟踪泄露信号；此时通过专用测试仪给雷达输入1Hz～100Hz中频模拟测试信号Fa、Fb、Fc、Fd，其中Fa是雷达测量得到的A波束频率，Fb是雷达测量得到的B波束频率，Fc是雷达测量得到的C波束频率，Fd是雷达测量得到的D波束频率；使得多普勒雷达正确跟踪四波束测试信号Fa、Fb、Fc、Fd，解算出载体三轴向的0km/h～10km/h低速度信息Vx,Vy,Vz。

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(2)中在多普勒雷达射频收发机上方粘贴吸波材料，其面积大于射频收发机模块顶部面积，且小于雷达盖板面积，其厚度为1.2mm，对13GHz的微波信号吸收率大于8dB。

3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(4)中采用PID综合算法和分段线性算法，结合多普勒雷达信号处理机给定的AGC电压对中频接收机进行AGC控制，其实现如下：

AGC电压由信号处理机计算并输出给中频接收机用于信号放大；中频接收机通道能量幅值为0dBm，当放大后的通道信号能量绝对值大于10dBm，在信号处理机中采用线性算法计算AGC电压，通过雷达信号处理机控制AGC电压使其快速增大，控制中频接收机将输出信号快速放大以接近0dBm；

当通道信号能量绝对值小于10dBm时，在信号处理机中采用PID算法计算AGC电压，使得AGC电压平稳调整到上限电压，减小AGC电压抖动，以提高中频接收机通道的稳定性，控制中频接收机将输出信号平稳放大以接近0dBm。

4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(6b)中解算出载体三轴向的0km/h～10km/h低速度信息Vx,Vy,Vz，按如下公式计算：

Vx＝((Fb-Fc)+(Fa-Fd))/(2*ai)，

Vy＝((Fd-Fc)+(Fa-Fb))/(2*bj)+Vx*dk，

Vz＝-((Fa+Fc)+(Fb+Fd))/(2*cl)，

式中，ai是X轴向速度解算因子，bj是Y轴向速度解算因子，cl是Z轴向速度解算因子，dk是下压角因子，*代表相乘，/代表相除。