汽车电子实验-雷达

《汽车电子学》课程实验报告——多普勒雷达测速试验

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2010-10-11

多普勒雷达测速实验

一、实验目的：

1、掌握雷达测速的原理

2、了解雷达的安装、使用方法和注意事项

3、验证雷达测速的效果

二、实验原理：

1、基于多普勒效应的雷达测速原理

雷达的工作原理：雷达发射某一固定频率的微波，如遇到活动目标，回波的频率与发射波的频率出现频率差，称为多普勒频移（Doppler shift ）。根据多普勒频移的大小，可测出目标对雷达的径向相对运动速度；根据发射脉冲和接收的时间差，可以测出目标的距离。

现简单描述一下多普勒效应：

多普勒效应——波源与观察者有相对运动时，观察者接收到的频率与波源发射频率不相同的现象。如当鸣笛的火车开向站台，站台上的观察者听到的笛声变尖，即频率升高；相反，当火车离开站台，听到的笛声频率降低。现讨论以下三种情况。

（1）设波源的频率为s f ，观察者接收到的频率R f ，波的频率f ，波速为u 。 相对于媒质，波源不动，观察者以速度R v 向着波源运动 ，如图1a 。(波长不变、等效的波速变化) 。

则(1)R

R R

R u v u v u v f f u f u

λ

+++=

=

=

（2）相对于媒质观察者不动，波源以速度s v 向着观察者运动，如图1b 。因为波源所发出的相邻的两个同相振动状态是在不同地点发出的，这两个地点相隔

的距离为s s v T ，其中为波源周期s T 。如果波源是向着观察者运动的，这后一地点到前方最近的同相点之间的距离是现在媒质中的波长λ。

波源运动，在媒质中的波长：

0()(2)s

s s s s s

u v v T u v T f λλ-=-=-=

对应波的频率为：(波速不变，等效的波长变化) (3)s

s

u

u

f f u v λ

=

=

-

由于观察者静止，所以他接收到的频率就是波的频率：

R s s

u

f f f u v ==

- ， 0)0)s s v v >⎧⎨

<⎩

波源朝向观察者运动(，频率升高

波源远离观察者运动(，频率减小 （3）相对于媒质，波源和观察者同时运动，则有如下： 仅观察者运动时，观察者所接收到的频率如（1）式，R

R u v f f u

+= 仅波源运动时，介质中波的频率如（3）式，s s

u

u

f f u v λ

==

- 将（3）式中的f 代入（1）式，得

(4)R

R s

s

u v f f u v +=

-，0,00,0R s R s v v v v >>⎧⎨<<⎩

波源, 观察者相向运动时, 最大波源, 观察者背向运动时, 最小

b

1图多普勒效应原理示意图

2 多普勒雷达测量拖拉机对地速度原理 在农业机械的研究和鉴定试验中，许多的参数都与农机具的行走速度有关。例如，计算谷物产量时，需要检测联合收割机的速度；分析排种均匀性时，需要借助播种机的行走速度，等等。因此，人们在不断研究新的测量方法和新的测量仪器，以满足不同场合的测速需要，而且把直接测量运动物体的相对速度作为主要的研究方向。非接触测量方法有多种，如基于视频的测速、红外线等方法测量速度；但是每种方法都有各自的优缺点。超声波常应用于高速测量，激光测速法对测量角度的要求比较严格，基于视频的速度测量，是测定固定时间间隔的两幁连续序列图像中目标的相对位移实现速度测定，这种方法一般要求摄像机要固定不动，但目前在国内这方法还没应用于农业。在农业作业机械自动控制系统中，对于对地行走速度的测量是一个非常重要的方面。

如图2所示，雷达安装角度为α，发射的微波信号频率是0f ，速度为光速c ，车辆前进速度为F v ，设地面反射的回波频率为1f ，此时可看作波源运动，观察者静止的情况。则有 10

(5)cos F c

f f c v α

=

-

微波反射回来时，设雷达接收到的频率为2f ，此时可

看作是波源静止，观察者运动的情况，则有

210cos cos (6)cos F F F c v c v f f f c c v ααα++==- 故多普勒频移210

2cos cos F F v f f f f c v αα⋅∆=-=-，而车辆对地速度20200

1(7)cos 2cos F f f c

c f v f f f αα-∆=

≈+

附注：如果车辆行驶过程中产生俯仰变化时，要准确测量车辆相对地面速度，需要在车辆上安装两个多普勒雷达，一个向前发射微波信号另一个向后发射，得到的两个不同值的多普勒频移f ∆，取平均后再求速度即为当前车辆相对地面行驶速度。如图3所示。

三、实验设备

1. 美国帝强DjRVS Ⅱ雷达测速传感器介绍

此雷达测速传感器如图3所示，其固有的微波频率是24.125 GHz ±50 MHz，工作电压范围是9V ～16V ，输出的是幅度+12V 的频率信号，其测速范围在0.53 到 107 km/h ，实际的速度测量误差：<±5%（0.53 to 3.2 km/h ），<±3%（3.2 to 107 km/h ）。雷达在车辆上的安装图如图4所示：

2图雷达测速示意图

3图俯仰时雷达测速示意图

后方测量系统

前方测量系统

图3

雷达测速传感器

图4 雷达安装图