多普勒测速雷达速度转换的误差分析

多普勒测速雷达速度转换的误差分析

发表时间：2019-10-17T11:56:06.213Z 来源：《基层建设》2019年第18期作者：彭俊玮[导读] 摘要：针对高稳频率源如何影响雷达测速精度问题，构建基于频率源分析雷达测速精度的理论模型，利用同步校频和互备双锁相环（PLL）改进方案实现了高稳高可靠频率源，然后通过静态模拟试验和动目标跟踪试验，分析频率源幅度、准确度、稳定度及同步校频、锁相环等模块对多普勒和测速精度的影响。

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摘要：针对高稳频率源如何影响雷达测速精度问题，构建基于频率源分析雷达测速精度的理论模型，利用同步校频和互备双锁相环（PLL）改进方案实现了高稳高可靠频率源，然后通过静态模拟试验和动目标跟踪试验，分析频率源幅度、准确度、稳定度及同步校频、锁相环等模块对多普勒和测速精度的影响。结果表明，锁相环能够提升频率源短稳，降低雷达测速随机误差，同步校频能够减小本地铷钟与外部基准的频差，减小雷达测速系统误差，通过双源和双锁相环的设计，频率源切换或锁相环路切换时，也能够保证测速雷达系统正常工作。

关键词：多普勒测速雷达；速度转换；误差

引言

激光多普勒测速雷达具有响应速度快、测量精度高、测量动态范围宽、可测多维矢量速度等优点，被广泛应用于科研教育、工业测量、海洋测风和深空探测等领域。本文首先介绍激光多普勒测速雷达的系统框图及关键技术，着重分析了激光多普勒测速雷达的信号处理算法。

1、多普勒效应及测速原理

当无线电波在传播的过程中碰到物体时会反弹，而且反弹回来的电波频率以及振幅会随着碰撞物体的运动情况而变化。具体表现为：如果物体远离电磁波源运动时，接收到的频率较波源的实际频率降低：如果物体是向着电波发射的方向传播，此时碰撞后所反弹回来的电波频率会被压缩，即频率会增加。频率降低或者升高的变化频率叫做多普勒频率。这种由于相对运动引起的频率变化，称为“多普勒效应”。

多普勒频率一般用户表示，按照简单的运动学理论进行推导即可得到以下表达式：

上式中，c为光速，价为运动目标的速度，f。为发射波频率。由上式可见，工作波长越小，速度的分辨率就越高。所以毫米波多普勒效应获得了广泛应用。系统中关键的参量为发射频率（信号源频率），距离，运动速度，发射信号的功率，天线增益性能和物体的反射特性等。而其中射频系统中的性能指标决定了雷达的测速精度。

2、速度转换公式

物体切向速度v描述了物体在水平坐标系中的运动特性.雷达测量的径向速度vr必须经几何变换才能得到切向速度v.图1为测速雷达的参数几何关系.

图1 测速雷达参数几何关系

在图1中，A为雷达天线相位中心至物体运动路由中心线的距离，B为上述距离的垂足至最大可能拐点距离，U为最大可能拐点至物体的距离，R为雷达至物体的距离.从图1几何关系可知：R2=A2+（U+B）2，将等式求导得：

式（3）为多普勒测速雷达速度转换公式.式中距离R由径向速度vr数字积分获得。

3、试验分析

3.1 多普勒分析

用信号源模拟下行信号，信号源连接基准源，测试同源情况下测速精度情况，如果信号源不连接基准频率源，测试非同源情况下测速精度，输出点频信号fＲ，雷达接收电平设置为－120dBW，每10分钟记录一组数据，观察分析多普勒记录数据。

3.1.1 频率源幅度和频率偏移对多普勒影响

首先测试10MHz基准频率源信号幅度对测速雷达的影响，10MHz基准频率源幅度指标为450mV，改变信号源输出10MHz信号的幅度，从500mV逐渐变到60mV后，时频锁相环失锁，报故障状态，说明10MHz信号幅度在60mV以上时，测速雷达可以正常工作。反之，从60mV增大至最大1000mV，雷达系统均能正常工作。信号源用内部的基准，外部频率源输出10MHz信号，测试外10MHz信号频偏1Hz，0．5Hz，0．2Hz，0．1Hz和0．05Hz情况下多普勒变化情况，图2为同步校频模块原理图。

图2 同步校频模块原理图

3.1.2 时频锁相环对多普勒影响

将外10MHz信号经过基准10MHz选择分路模块，其中一路10MHz信号甩开锁相环A直接送测速雷达通道1，另一路10MHz信号输入到锁相环B，锁相环B输出10MHz信号直接送测速雷达通道2，然后再切换内外10MHz基准信号，两通道多普勒数据变化曲线如图3所示。如图3所示，实线表示测速雷达通道1多普勒，其10MHz频率源甩开锁相环，虚线表示测速雷达通道2多普勒，其10MHz频率源经过锁相环。当输入频率源不经过锁相环时，测速多普勒快速恢复到0Hz附近，而当频率源经过锁相环时，测速多普勒经过一个稳态跳变后再开始振荡收敛达到稳态，经过多次试验，跳变幅度不规律，试验中分别出现－84Hz，－187Hz等值，持续时间为1～3s。为进一步讨论多普勒跳变现象，检测锁相环开环晶振固有频率，即鉴相电压最大和最小时输出的频率，由于测试10MHz信号比较困难，所以仍采用多普勒频率偏差情况来衡量，试验条件为将内、外10MHz基准信号全部断开，用锁相环超稳晶体振荡器的固有频率作为基准信号，测试锁相环鉴相电压。

图3 频率源多普勒试验结果

3.2 测速系统误差分析

3.2.1 静态试验

在本实验测试内外10MHz频率源在接收同源、收发同源和接收不同源情况下的多普勒情况，用多普勒均值来分析静态测速雷达系统差。收发同源外10MHz情况下，测速多普勒均值为0．0118Hz，反映了测速雷达发射机通道、应答机转发通道和接收机通道的系统误差；接收同源情况下测速多普勒均值均小于0．012Hz，反映了接收信道和信号源同源情况下的系统误差，接收非同源时，测速多普勒均值为1．8381Hz，反映了信号源在非同源情况下的测速系统误差。分析可知，收发不同源时，其导致的系统误差远远大于其它系统误差分量。

图4 动态试验时多普勒一阶差分和系统误差

3.2.2 动态试验

动态试验中，测速雷达跟踪动态目标，时频锁相环由主用A切换到备用B，导致测速设备多普勒跳变，如图4（a）所示，测速雷达多普勒一阶差分在相对时60s左右振荡明显，而后振荡逐渐消失，其它时间点多普勒一阶差分跳变是由于特征事件影响。将多套测速测量设备事后分析目标最优弹道作为真值，反算本雷达速度偏差作为系统误差。在频率源切换时间段，在相对时间55s到59s测速数据系统误差出现跳变，如图4（b）所示，系统误差为－6m/s，持续时间4s，基本为常值误差，固定偏差折算到多普勒为107Hz，之后残差从6m/s振荡减小渐渐趋于0m/s，在60s到76s之间有抖动，之后系统误差趋于平稳。从上述分析中数据可以看出，时频锁相环A从最小电压处失锁，失锁后系