Измерение радиальной скорости

Радиальная скорость цели измеряется при помощи доплеровской частоты. Ниже приведено описание радиолокационных систем непрерывного излучения и импульсно-доплеровских РЛС, а также разрешение и возможная неопределённость измерений.

Радиолокационная система непрерывного излучения (CW)

Применение радиолокационной системы непрерывного излучения (CW-Radar — Continuous Wave Radar) позволяет моментально определить доплеровский сдвиг частоты при помощи преобразования с понижением частоты и преобразования Фурье [6]. В то время как непрерывный радиочастотный сигнал, имеющий одну частоту, передается на движущийся объект, принимаемый отраженный радиочастотный сигнал смещается доплеровской частотой fD пропорционально относительной радиальной скорости объекта (рисунок 5).

Рисунок 5

Доплеровская частота fD –это измеряемая величина и определяет относительную радиальную скорость vr как функцию длины волны λ, описанную в формуле 4.

Формула 4

Разрешение по скорости представляет собой минимальную разность между двумя  значениями измерений, которые можно различить, и зависит от длительности  измерения TCPI. В радиолокационной системе непрерывного излучения длительность измерения может быть бесконечной, что приводит к неограниченному разрешению в теории. Когда длительность измерения TCPI ограничена, разрешение по скорости вычисляется по формуле 5.

Формула 5

Радиолокационная система непрерывного излучения непрерывно излучает и принимает сигналы и не может определить расстояние до объекта. Главное преимущество радиолокационной системы непрерывного излучения заключается в однозначном измерении доплеровской частоты и отсутствии явления «слепой скорости» (слепая скорость — это такая радиальная скорость перемещения объекта , при которой доплеровский сдвиг частоты отраженного от объекта сигнала равен или кратен частоте повторения излучаемых импульсов, что делает невозможным измерение скорости объекта), т.к. максимальная доплеровская частота в радиолокационной системе непрерывного излучения не имеет ограничений.

Радиолокационная система непрерывного излучения обычно используется в войсках дя подсветки целей. Из-за непрерывной передачи радиосигнал на низкой мощности радиолокационная система непрерывного излучения сложнее обнаруживается по сравнению с импульсными радиолокаторами, поэтому их часто относят к радиолокационным системам повышенной скрытности.

Импульсно-доплеровские радиолокационные системы

Радиальную скорость также можно определить с помощью передачи последовательных импульсов [8]. Когерентные (согласованные) передатчик и приёмник применяются в тех случаях, когда изменения фазы в интервалах между импульсами содержат доплеровскую частоту. Расстояние определяется с помощью времени распространения сигнала аналогичным способом. При измерении и расстояния и радиальной скорости частота повторения импульсов fPRF играет важную роль. Соответственно, импульсно-доплеровская радиолокационная система в основном характеризуется частотой повторения импульсов fPRF. Различают радиолокационные системы с низкой (LPRF — Low PRF), средней (MPRF — Medium PRF) и высокой (HPRF — High PRF) частотой повторения импульсов (PRF — Pulse Repetition Frequency).

Как показано в формуле 6, диапазон измерения скоростей зависит от интервала повторения импульсов, соответственно, от частоты повторения импульсов (частоты, на которой происходит повторение импульсов). Радиолокационные системы с низкой частотой повторения импульсов LPRF используются на дальних расстояниях из-за большего диапазона измеряемых расстояний, а радиолокационные системы   высокой частотой повторения импульсов HPRF применяют на коротких расстояниях из-за неопределённости измерений.

Диапазон радиальных скоростей также определяется интервалом повторения импульсов Tr. Доплеровская частота может быть восстановлена из последовательных импульсов, соответственно, частота дискретизации как минимум вдвое больше максимальной доплеровской частоты fD,max. Откуда следует fPRF>2fD,max и формула 6.

Формула 6

Радиолокационные системы с низкой частотой повторения импульсов LPRF имеют небольшой диапазон радиальных скоростей и большой диапазон расстояний, а радиолокационные станции с высокой частотой повторения импульсов HPRF, наоборот, обладают большим диапазоном радиальных скоростей и малым диапазон  расстояний. Это противоречие между неопределённостями расстояния и радиальной скорости называется доплеровской дилеммой. Для решения этой дилеммы импульсно-доплеровские радиолокационные системы, как правило, в зависимости от текущей ситуации изменяют интервал повторения импульсов в процессе работы.

Импульсно-доплеровские радиолокационные системы используются для измерения расстояния и радиальной скорости. Однако, в зависимости от ширины импульса, расстояние и скорость  можно измерить либо одновременно, либо по отдельности. Когда можно измерить доплеровскую частоту, она должна быть настолько высокой, чтобы её можно было восстановить из одного отражённого импульса, соответственно, импульс должен быть достаточно широким. В случае коротких импульсов и низкой доплеровской частоты, необходимо принять последовательные отражённые сигналы. В зависимости от задачи может потребоваться одновременное измерение и расстояния и радиальной скорости. Это влечёт за собой одной из причин для разработки сигналов более сложной формы.

Ссылки

1. 1.LUDLOFF, Albrecht K.: Praxiswissen Radar und Radarsignalverarbeitung, Vieweg+Teubner Verlag; Version 4., October 2009, ISBN — 9783834805973
2. 2.MEINECKE, Marc-Michael: Zum optimierten Sendesignalentwurf für Automobilradare, Shaker Verlag GmbH, August 2001. – ISBN 9783826592232
3. 3.ROHLING, Hermann; MOELLER, Christof: Radar waveform for automotive radar systems and applications, Radar Conference, 2008. RADAR ’08. IEEE , vol., no., pp.1,4, 26-30 May 2008
4. 4.ROHLING, Hermann; MEINECKE, Marc-Michael; HEUEL, Steffen; HAEKLI, Janne; NUMMILA, Kaj; HEUER, Michael: Objectives of the ARTRAC initiative in active pedestrian safety, Radar Symposium (IRS), 2013 14th International , vol.2, no., pp.726,731, 19-21 June 2013
5. 5.SCHROEDER, Christoph: System Design of an Array Antenna Radar with a Rapid Chirp Waveform, Shaker Verlag GmbH, Germany; March 2013. ISBN — 9783844016666
6. 6.SKOLNIK, Merrill I.: Introduction of Radar Systems, McGraw-Hill Inc., ISBN — 978007118189, 1962
7. 7.BUES, Roland; MINIHOLD, Roland: Overview of Tests on Radar Systems and Components, Rohde & Schwarz Application Note Nr. 1MA127_2e, 2012
8. 8.MINIHOLD, Roland; BUES, Dieter: Introduction to Radar system and Component Tests, Rohde & Schwarz White Paper Nr. 1MA207-1e, 2013

Источники

• https://scdn.rohde-schwarz.com/ur/pws/dl_downloads/dl_application/application_notes/1ma239/1MA239_1e_Radar_Waveforms_AD_Autom.pdf

Материал предназначен для использования в образовательных целях