对称三角线性调频连续波雷达应用于风速探测

摘  要： 提出将对称三角线性调频连续波雷达应用于风速探测中，首先分析了对称三角线性调频连续波雷达信号波形，阐述了雷达测距测速原理，针对单个散射点和多个散射点的情况进行了仿真测试。结果表明能够从对称三角线性调频连续波雷达回波信号中获取风速信息，其探测范围为3 km，测速精度为0.1 m/s，具有较高的实用价值和广阔的应用前景。
关键词： STLFMCW雷达； 风速测量； 距离测量

    风是相对于大地表面的空气运动,风速大小和方向严重影响人类的生活。高分辨率、高精度的风场分布测量在气象研究、天气预报、大气环境监测、机场切变风预警以及国防高技术战略战术武器系统等方面占有非常重要的地位。参考文献[1]采用多普勒雷达测风；参考文献[2]采用风廓线雷达测风，利用大气中各种尺度的湍流对电磁波的散射作用来探测大气风场等物理量；参考文献[3]采用激光多普勒雷达测风，利用激光收发系统对空气中的粒子散射回波信号进行采集，再经过分析计算这些测量数据，从而得到风场数据；参考文献[4]采用多普勒声雷达测风，应用声波在大气中传播的多普勒效应来探测风速。上述雷达通常为脉冲体制雷达，而连续波雷达相对于脉冲雷达具有体积小、重量轻、发射峰值功率低、测距测速精度高等优点。本文提出应用对称三角线性调频连续波STLFMCW(Symmetric Triangular Linear Frequency Modulated Continuous Wave)雷达测风方案，比风廓线雷达和多普勒雷达成本更低、分辨率更高。
1 STLFMCW雷达测速原理
    简单的线性调频波包括三角调制波和锯齿调制波。三角调制波形比锯齿波调制波形更容易获得目标的距离与速度信息，并且三角波调制通过采用不同的调频斜率来抵消距离和速度之间的耦合，从而实现对目标速度的估计与补偿。三角波LFMCW雷达的回波信号和本振信号进行混频后得到的差频信号含有距离和速度信息，对其进行信号处理，经过FFT运算就可以得到目标的距离和速度信息[5]。

2 仿真结果
2.1 单个散射点目标的仿真  
    采用上述方法对单个散射点目标进行仿真，其参数设置为:三角波调制周期Tp=0.16 ms,调频带宽 驻F=30 MHz，载频f0=1 GHz， 采样频率fs=8 MHz，目标距离雷达R=820 m，速度v=20 m/s， 上下扫频的一维距离像如图2、图3所示。

    通过Matlab仿真计算得出，上下扫频段的径向距离分别为R+=816.8 m，R-=825.1 m，其对应频率分别为fb+=2.052 363 MHz，fb-=2.052 637 MHz。根据式(1)、式(6)可以得知目标距离R=821 m，径向速度v=20.6 m/s。
    通过对仿真结果的分析可以看出，采用正负调频的三角线性调频连续波雷达信号上下扫频段唯一的区别是调频斜率由 滋变成- 滋，利用对称三角波的特点能有效地解决距离速度耦合现象。这种方法也可以用于探测飞机、汽车等单个散射点目标的距离和速度。
2.2 多个散射点目标的仿真
    对于多散射点目标，由于快速傅里叶变换所固有的频率间隔引起频谱泄漏，导致上下扫频段内的一维距离像不再完全一致，所以必须在速度估计和补偿后才能得到目标实际的一维距离像，这样也可方便识别与积累。在多个散射点目标同时存在的情况下，运动目标的一维距离像在不同的扫频周期内存在散射点闪烁与距离游动现象，如图4、图5所示，两个扫频周期内目标点对应的幅度、快速傅里叶变换的点数都不相同[6]。其参数设置为：三角波调制周期Tp=0.16 ms；调频带宽 驻F=30 MHz；载频f0=1 GHz；采样频率fs=8 MHz。共有3个目标，与雷达距离分别为R1=55 m、R2=80 m、R3=110 m,速度分别为v1=0、v2=-16 m/s、v3=40 m/s。设置判别门限为400，采样周期为32。此情况下可以先对32个周期累加求和，得到平均的一维距离像，然后再对距离像进行速度估计和补偿[6]。

    为了估计出目标的速度，可以先测得上下扫频段内3个峰值点所对应的频率，然后计算出每对峰值点之间的频率差，再求其平均值计算估计速度[7]。累加平均后可以得到上扫频段内峰值点fb+分别为0.275 MHz、0.200 000 6 MHz、0.274 998 48 MHz，下扫频段内峰值点fb-分别为0.275 1 MHz、0.199 999 4 MHz、0.275 001 51 MHz,从而根据上述方法可以得出v1=0 m/s、v2=-15.9 m/s、v3=40.4 m/s。
    在风速测量中，由于雷达接收天线各个方向接收的气溶胶（低空）、雾、云粒子（高空）的米散射回波是该方向上距离的函数，根据上述方法可以测得风的径向速度。只要获取各方向上的径向速度，在一定假设条件下，就可以反演出风矢量了。
    仿真使用1 GHz的调频连续波雷达，因其波长较长，适合于晴空探测。探测范围为3 km，测速精度为0.1 m/s。
3 风速信息的获取
 　高空中风矢量是一个三维量。因此，要确定某一点的矢量信息，需要3个线性无关的量。在单基地雷达系统中,获得某一点3个线性无关量是相当困难的，在假设高空风水平均匀的前提下，可以通过获得某一高度上3个不同点的信息来达到目的。
    在一个三波束的系统中，理论上只要满足3个波束的指向即可以获得3个线性无关的量，波束的指向是可以任意确定的。不过实际应用中，波束的指向并不是任意的。通常选择一个垂直指向天顶的波束，另外两个波束以α角度(α一般取15°）偏离天顶且其方位正交[8]。
 
    本文提出将对称三角线性调频连续波雷达应用于风速探测中，雷达接收天线各个方向上的气溶胶、雾、云粒子的米散射回波是该方向上距离的函数，对回波信号与本振信号混频后得到的差频信号进行信号处理，可以得到风的径向速度，从而反演出整个风场信息，其探测范围为3 km，测速精度可达到0.1 m/s，在气象、环保、国防、机场等领域均有十分重大的意义以及广阔的应用前景。
参考文献
[1] 吕博，佘勇，王贤勤.常规天气雷达基于ETREC技术的三维风场反演[J].工程地球物理学报, 2007，4(5)：475-480.
[2] FERNANDEZ D E，KERR E M， CASTELLS A，et al. IWRAP: the imaging wind and rain airborne profiler for  remote sensing of the ocean and the atmospheric boundary layer within tropical cyclones[J].IEEE Trans.on Geoscience and Remote Sensing ,2005,43(8):1775-1787.
[3] LIU Z S, LIU B Y, WU S H，et al. High spatial and temporal resolution mobile incoherent doppler lidar for sea surface wind measurements[J].Optics Letters,2008，33(13):1485-1487.
[4] 涛乃先, 郑毅. 风对多普勒声雷达测风的某些影响[J].北京大学学报(自然科学版),1986(1):98-105.
[5] 袁伟明，王敏，吴顺君.对称三角线性调频连续波信号的检测与参数估计[J]. 电波科学学报，2005，20(5):594-597.
[6] 李召飞.线性调频连续波雷达的信号处理研究[D].南京：南京理工大学，2008.
[7] 肖慧,胡卫东,郁文贤.LFMCW雷达多目标距离-速度联合配对法[J].系统工程与电子技术,2010,32(1):72-76.
[8] 邓洪， 杨万麟，何建新.风廓线雷达信号信息提取实现[J].成都信息工程学院学报,2005，20(6)：717-720.