風是相對于大地表面的空氣運動,風速大小和方向嚴重影響人類的生活。高分辨率、高精度的風場分布測量在氣象研究、天氣預報、大氣環境監測、機場切變風預警以及國防高技術戰略戰術武器系統等方面占有非常重要的地位。參考文獻[1]采用多普勒雷達測風；參考文獻[2]采用風廓線雷達測風，利用大氣中各種尺度的湍流對電磁波的散射作用來探測大氣風場等物理量；參考文獻[3]采用激光多普勒雷達測風，利用激光收發系統對空氣中的粒子散射回波信號進行采集，再經過分析計算這些測量數據，從而得到風場數據；參考文獻[4]采用多普勒聲雷達測風，應用聲波在大氣中傳播的多普勒效應來探測風速。上述雷達通常為脈沖體制雷達，而連續波雷達相對于脈沖雷達具有體積小、重量輕、發射峰值功率低、測距測速精度高等優點。本文提出應用對稱三角線性調頻連續波STLFMCW(Symmetric Triangular Linear Frequency Modulated Continuous Wave)雷達測風方案，比風廓線雷達和多普勒雷達成本更低、分辨率更高。

1 STLFMCW雷達測速原理
    簡單的線性調頻波包括三角調制波和鋸齒調制波。三角調制波形比鋸齒波調制波形更容易獲得目標的距離與速度信息，并且三角波調制通過采用不同的調頻斜率來抵消距離和速度之間的耦合，從而實現對目標速度的估計與補償。三角波LFMCW雷達的回波信號和本振信號進行混頻后得到的差頻信號含有距離和速度信息，對其進行信號處理，經過FFT運算就可以得到目標的距離和速度信息[5]。

2 仿真結果
2.1 單個散射點目標的仿真  
    采用上述方法對單個散射點目標進行仿真，其參數設置為:三角波調制周期Tp=0.16 ms,調頻帶寬?駐F=30 MHz，載頻f0=1 GHz， 采樣頻率fs=8 MHz，目標距離雷達R=820 m，速度v=20 m/s， 上下掃頻的一維距離像如圖2、圖3所示。

    通過Matlab仿真計算得出，上下掃頻段的徑向距離分別為R+=816.8 m，R-=825.1 m，其對應頻率分別為fb+=2.052 363 MHz，fb-=2.052 637 MHz。根據式(1)、式(6)可以得知目標距離R=821 m，徑向速度v=20.6 m/s。
    通過對仿真結果的分析可以看出，采用正負調頻的三角線性調頻連續波雷達信號上下掃頻段唯一的區別是調頻斜率由?滋變成-?滋，利用對稱三角波的特點能有效地解決距離速度耦合現象。這種方法也可以用于探測飛機、汽車等單個散射點目標的距離和速度。
2.2 多個散射點目標的仿真
    對于多散射點目標，由于快速傅里葉變換所固有的頻率間隔引起頻譜泄漏，導致上下掃頻段內的一維距離像不再完全一致，所以必須在速度估計和補償后才能得到目標實際的一維距離像，這樣也可方便識別與積累。在多個散射點目標同時存在的情況下，運動目標的一維距離像在不同的掃頻周期內存在散射點閃爍與距離游動現象，如圖4、圖5所示，兩個掃頻周期內目標點對應的幅度、快速傅里葉變換的點數都不相同[6]。其參數設置為：三角波調制周期Tp=0.16 ms；調頻帶寬?駐F=30 MHz；載頻f0=1 GHz；采樣頻率fs=8 MHz。共有3個目標，與雷達距離分別為R1=55 m、R2=80 m、R3=110 m,速度分別為v1=0、v2=-16 m/s、v3=40 m/s。設置判別門限為400，采樣周期為32。此情況下可以先對32個周期累加求和，得到平均的一維距離像，然后再對距離像進行速度估計和補償[6]。

    為了估計出目標的速度，可以先測得上下掃頻段內3個峰值點所對應的頻率，然后計算出每對峰值點之間的頻率差，再求其平均值計算估計速度[7]。累加平均后可以得到上掃頻段內峰值點fb+分別為0.275 MHz、0.200 000 6 MHz、0.274 998 48 MHz，下掃頻段內峰值點fb-分別為0.275 1 MHz、0.199 999 4 MHz、0.275 001 51 MHz,從而根據上述方法可以得出v1=0 m/s、v2=-15.9 m/s、v3=40.4 m/s。
    在風速測量中，由于雷達接收天線各個方向接收的氣溶膠（低空）、霧、云粒子（高空）的米散射回波是該方向上距離的函數，根據上述方法可以測得風的徑向速度。只要獲取各方向上的徑向速度，在一定假設條件下，就可以反演出風矢量了。
    仿真使用1 GHz的調頻連續波雷達，因其波長較長，適合于晴空探測。探測范圍為3 km，測速精度為0.1 m/s。
3 風速信息的獲取
 　高空中風矢量是一個三維量。因此，要確定某一點的矢量信息，需要3個線性無關的量。在單基地雷達系統中,獲得某一點3個線性無關量是相當困難的，在假設高空風水平均勻的前提下，可以通過獲得某一高度上3個不同點的信息來達到目的。
    在一個三波束的系統中，理論上只要滿足3個波束的指向即可以獲得3個線性無關的量，波束的指向是可以任意確定的。不過實際應用中，波束的指向并不是任意的。通常選擇一個垂直指向天頂的波束，另外兩個波束以α角度(α一般取15°）偏離天頂且其方位正交[8]。
 
    本文提出將對稱三角線性調頻連續波雷達應用于風速探測中，雷達接收天線各個方向上的氣溶膠、霧、云粒子的米散射回波是該方向上距離的函數，對回波信號與本振信號混頻后得到的差頻信號進行信號處理，可以得到風的徑向速度，從而反演出整個風場信息，其探測范圍為3 km，測速精度可達到0.1 m/s，在氣象、環保、國防、機場等領域均有十分重大的意義以及廣闊的應用前景。
參考文獻
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[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] 濤乃先, 鄭毅. 風對多普勒聲雷達測風的某些影響[J].北京大學學報(自然科學版),1986(1):98-105.
[5] 袁偉明，王敏，吳順君.對稱三角線性調頻連續波信號的檢測與參數估計[J]. 電波科學學報，2005，20(5):594-597.
[6] 李召飛.線性調頻連續波雷達的信號處理研究[D].南京：南京理工大學，2008.
[7] 肖慧,胡衛東,郁文賢.LFMCW雷達多目標距離-速度聯合配對法[J].系統工程與電子技術,2010,32(1):72-76.
[8] 鄧洪， 楊萬麟，何建新.風廓線雷達信號信息提取實現[J].成都信息工程學院學報,2005，20(6)：717-720.