Одновременное измерение расстояния и радиальной скорости
Специфическая задача радиолокации — одновременное определение радиальной скорости и расстояния до одного объекта за один цикл измерений. Расстояние меряется за счёт посылки и приёма одного импульса. Радиальная скорость измеряется при помощи радиолокационных систем непрерывной волны или импульсно-доплеровской радиолокационной системы. Но импульсно-доплеровская радиолокационная система использует несколько циклов обмена для измерения доплеровской частоты при помощи изменения фазы отражённых сигналов.
Для определения радиальной скорости за один цикл измерений применяются такие формы сигналов, как непрерывная линейная частотно-модулированная волна LFMCW (Linear Frequency Modulated Continuous Wave), частотная манипуляция FSK (Frequency Shift Keying), многопозиционная частотная манипуляция MFSK (Multiple Frequency Shift Keying) и внутриимпульсная частотная модуляция (CS — Chirp Sequence). Краткое описание трендов в развитии сигналов для радиолокации, в которых сигналы с внутриимпульсной частотной модуляцией объединены с другими формами сигналов приведены ниже. У каждого сигнала имеются свои особенности.
Радиолокационные системы непрерывного излучения с линейной частотной модуляцией
Используя радиолокаационные системы непрерывного излучения с линейной частотой модуляции (LFMCW- Linear Frequency Modulated Continuous Wave) [6], сигнал с внутриимпульсной частотной модуляцией со специфичной полосой пропускания fsweep передаётся за время измерения TCPI (рисунок 6, синим цветом отмечен передаваемый сигнал, зеленым — принимаемым).
Рисунок 6
Расстояние R и радиальная скорость vr оказывают влияние на смещение измеряемой частоты, называемое частотой биения fB. Соответственно, частота биения состоит из доплеровской частоты fD и сдвига частоты, вызванного временем распространения сигнала, fτ в соответствии с формулой 7.
Формула 7
На рисунке 6 приведены два сигнала с внутриимпульсной частотной модуляцией. Отражённый сигнал (зелёный цвет) включает время распространения и смещение доплеровской частоты. Для неподвижной цели время распространения сигнала fτ определяется с помощью теоремы Фалеса ( рисунок 7) к первому переданному сигналу с частотой биения fB = fB1, показанному на рисунке 6.
Здесь 
, где 
определяет смещение частоты, вызванное распространением 
для статичной цели.
В случае движущейся цели, доплеровская частота fD также оказывает влияние на частоту биения fB. Если подставить fτ и fD в формулу 7, то получается формула 8.
Формула 8
Чтобы решить равенство, приведённое в формуле 8, необходимо знать радиальную частоту vr и расстояние R для частоты биения, как показано на рисунке 6, на котором частоты биения имеют обозначение fB1 и fB2. Систему из двух полученных уравнений с двумя неизвестными можно решить, найдя vr и R для одной цели (рисунок 7).
Рисунок 7
В случае нескольких целей значение дальности и радиальной скорости с помощью двух последовательных внутриимпульсных частотно-модулированных сигналов и получить невозможно. Происходит появление ложных целей, отстроиться от которых можно за счёт использования дополнительных частотно-модулированных сигналов, передаваемых радиолокационной системой непрерывного излучения с линейной частотной модуляцией .
Радиолокационная система с частотной манипуляцией
Радиолокационные системы с частотной манипуляцией (FSK — Frequency Shift Keying) [3] аналогичны радиолокационным системам непрерывного излучения, но излучают минимум два изменяемых немодулированных сигнала с разными несущими частотами, разность между которыми равна fshift (рисунок 8).
Рисунок 8
От двух излучаемых сигналов получаются два отражённых сигнала, у каждого из которых есть свой сдвиг доплеровской частоты fD1 и fD2. Т. к. несущие частоты fA1 и fA2 достаточно высокие по сравнению с доплеровскими частотами, то обе частоты можно считать практически равными и составляют частоту биения fB. С помощью последней можно определить радиальную скорость в соответствии с формулой 9.
Формула 9
Частота биения не оказывает влияния на время распространения сигнала, следовательно, информация о расстоянии до цели отсутствует. Но расстояние можно определить с помощью информации о разнице фаз между двумя отражёнными сигналами Δφ=φA1-φA2 в соответствии с формулой 10.
Формула 10
Фазовые измерения на интервале [0;…;2π] имеют однозначное значение, что позволяет получить максимальное расстояние, которое зависит только от fshift, в соответствии с формулой 11.
Формула 11
Радиолокационная система с частотной манипуляцией позволяет получить доплеровскую частоту и диапазон измерений. Разрешение по расстоянию отсутствует, в следствие чего, цели с одинаковой радиальной скоростью, но находящиеся на разном расстоянии относительно радиолокатора имеют одинаковую доплеровскую частоту, что не позволяет их различить. В зависимости от смещения частоты между излучаемыми сигналами может быть получен очень большой диапазон расстояний.
Ссылки
- 1.LUDLOFF, Albrecht K.: Praxiswissen Radar und Radarsignalverarbeitung, Vieweg+Teubner Verlag; Version 4., October 2009, ISBN — 9783834805973
- 2.MEINECKE, Marc-Michael: Zum optimierten Sendesignalentwurf für Automobilradare, Shaker Verlag GmbH, August 2001. – ISBN 9783826592232
- 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.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.SCHROEDER, Christoph: System Design of an Array Antenna Radar with a Rapid Chirp Waveform, Shaker Verlag GmbH, Germany; March 2013. ISBN — 9783844016666
- 6.SKOLNIK, Merrill I.: Introduction of Radar Systems, McGraw-Hill Inc., ISBN — 978007118189, 1962
- 7.BUES, Roland; MINIHOLD, Roland: Overview of Tests on Radar Systems and Components, Rohde & Schwarz Application Note Nr. 1MA127_2e, 2012
- 8.MINIHOLD, Roland; BUES, Dieter: Introduction to Radar system and Component Tests, Rohde & Schwarz White Paper Nr. 1MA207-1e, 2013
Источники
Материал предназначен для использования в образовательных целях