風(fēng)是相對(duì)于大地表面的空氣運(yùn)動(dòng),風(fēng)速大小和方向嚴(yán)重影響人類(lèi)的生活。高分辨率、高精度的風(fēng)場(chǎng)分布測(cè)量在氣象研究、天氣預(yù)報(bào)、大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)、機(jī)場(chǎng)切變風(fēng)預(yù)警以及國(guó)防高技術(shù)戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)武器系統(tǒng)等方面占有非常重要的地位。參考文獻(xiàn)[1]采用多普勒雷達(dá)測(cè)風(fēng)；參考文獻(xiàn)[2]采用風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)測(cè)風(fēng)，利用大氣中各種尺度的湍流對(duì)電磁波的散射作用來(lái)探測(cè)大氣風(fēng)場(chǎng)等物理量；參考文獻(xiàn)[3]采用激光多普勒雷達(dá)測(cè)風(fēng)，利用激光收發(fā)系統(tǒng)對(duì)空氣中的粒子散射回波信號(hào)進(jìn)行采集，再經(jīng)過(guò)分析計(jì)算這些測(cè)量數(shù)據(jù)，從而得到風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)；參考文獻(xiàn)[4]采用多普勒聲雷達(dá)測(cè)風(fēng)，應(yīng)用聲波在大氣中傳播的多普勒效應(yīng)來(lái)探測(cè)風(fēng)速。上述雷達(dá)通常為脈沖體制雷達(dá)，而連續(xù)波雷達(dá)相對(duì)于脈沖雷達(dá)具有體積小、重量輕、發(fā)射峰值功率低、測(cè)距測(cè)速精度高等優(yōu)點(diǎn)。本文提出應(yīng)用對(duì)稱(chēng)三角線(xiàn)性調(diào)頻連續(xù)波STLFMCW(Symmetric Triangular Linear Frequency Modulated Continuous Wave)雷達(dá)測(cè)風(fēng)方案，比風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)和多普勒雷達(dá)成本更低、分辨率更高。

1 STLFMCW雷達(dá)測(cè)速原理
    簡(jiǎn)單的線(xiàn)性調(diào)頻波包括三角調(diào)制波和鋸齒調(diào)制波。三角調(diào)制波形比鋸齒波調(diào)制波形更容易獲得目標(biāo)的距離與速度信息，并且三角波調(diào)制通過(guò)采用不同的調(diào)頻斜率來(lái)抵消距離和速度之間的耦合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)速度的估計(jì)與補(bǔ)償。三角波LFMCW雷達(dá)的回波信號(hào)和本振信號(hào)進(jìn)行混頻后得到的差頻信號(hào)含有距離和速度信息，對(duì)其進(jìn)行信號(hào)處理，經(jīng)過(guò)FFT運(yùn)算就可以得到目標(biāo)的距離和速度信息[5]。

2 仿真結(jié)果
2.1 單個(gè)散射點(diǎn)目標(biāo)的仿真  
    采用上述方法對(duì)單個(gè)散射點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行仿真，其參數(shù)設(shè)置為:三角波調(diào)制周期Tp=0.16 ms,調(diào)頻帶寬?駐F=30 MHz，載頻f0=1 GHz， 采樣頻率fs=8 MHz，目標(biāo)距離雷達(dá)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(guò)Matlab仿真計(jì)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(duì)應(yīng)頻率分別為fb+=2.052 363 MHz，fb-=2.052 637 MHz。根據(jù)式(1)、式(6)可以得知目標(biāo)距離R=821 m，徑向速度v=20.6 m/s。
    通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析可以看出，采用正負(fù)調(diào)頻的三角線(xiàn)性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)信號(hào)上下掃頻段唯一的區(qū)別是調(diào)頻斜率由?滋變成-?滋，利用對(duì)稱(chēng)三角波的特點(diǎn)能有效地解決距離速度耦合現(xiàn)象。這種方法也可以用于探測(cè)飛機(jī)、汽車(chē)等單個(gè)散射點(diǎn)目標(biāo)的距離和速度。
2.2 多個(gè)散射點(diǎn)目標(biāo)的仿真
    對(duì)于多散射點(diǎn)目標(biāo)，由于快速傅里葉變換所固有的頻率間隔引起頻譜泄漏，導(dǎo)致上下掃頻段內(nèi)的一維距離像不再完全一致，所以必須在速度估計(jì)和補(bǔ)償后才能得到目標(biāo)實(shí)際的一維距離像，這樣也可方便識(shí)別與積累。在多個(gè)散射點(diǎn)目標(biāo)同時(shí)存在的情況下，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的一維距離像在不同的掃頻周期內(nèi)存在散射點(diǎn)閃爍與距離游動(dòng)現(xiàn)象，如圖4、圖5所示，兩個(gè)掃頻周期內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的幅度、快速傅里葉變換的點(diǎn)數(shù)都不相同[6]。其參數(shù)設(shè)置為：三角波調(diào)制周期Tp=0.16 ms；調(diào)頻帶寬?駐F=30 MHz；載頻f0=1 GHz；采樣頻率fs=8 MHz。共有3個(gè)目標(biāo)，與雷達(dá)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(shè)置判別門(mén)限為400，采樣周期為32。此情況下可以先對(duì)32個(gè)周期累加求和，得到平均的一維距離像，然后再對(duì)距離像進(jìn)行速度估計(jì)和補(bǔ)償[6]。

    為了估計(jì)出目標(biāo)的速度，可以先測(cè)得上下掃頻段內(nèi)3個(gè)峰值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率，然后計(jì)算出每對(duì)峰值點(diǎn)之間的頻率差，再求其平均值計(jì)算估計(jì)速度[7]。累加平均后可以得到上掃頻段內(nèi)峰值點(diǎn)fb+分別為0.275 MHz、0.200 000 6 MHz、0.274 998 48 MHz，下掃頻段內(nèi)峰值點(diǎn)fb-分別為0.275 1 MHz、0.199 999 4 MHz、0.275 001 51 MHz,從而根據(jù)上述方法可以得出v1=0 m/s、v2=-15.9 m/s、v3=40.4 m/s。
    在風(fēng)速測(cè)量中，由于雷達(dá)接收天線(xiàn)各個(gè)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(shù)，根據(jù)上述方法可以測(cè)得風(fēng)的徑向速度。只要獲取各方向上的徑向速度，在一定假設(shè)條件下，就可以反演出風(fēng)矢量了。
    仿真使用1 GHz的調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)，因其波長(zhǎng)較長(zhǎng)，適合于晴空探測(cè)。探測(cè)范圍為3 km，測(cè)速精度為0.1 m/s。
3 風(fēng)速信息的獲取
 　高空中風(fēng)矢量是一個(gè)三維量。因此，要確定某一點(diǎn)的矢量信息，需要3個(gè)線(xiàn)性無(wú)關(guān)的量。在單基地雷達(dá)系統(tǒng)中,獲得某一點(diǎn)3個(gè)線(xiàn)性無(wú)關(guān)量是相當(dāng)困難的，在假設(shè)高空風(fēng)水平均勻的前提下，可以通過(guò)獲得某一高度上3個(gè)不同點(diǎn)的信息來(lái)達(dá)到目的。
    在一個(gè)三波束的系統(tǒng)中，理論上只要滿(mǎn)足3個(gè)波束的指向即可以獲得3個(gè)線(xiàn)性無(wú)關(guān)的量，波束的指向是可以任意確定的。不過(guò)實(shí)際應(yīng)用中，波束的指向并不是任意的。通常選擇一個(gè)垂直指向天頂?shù)牟ㄊ硗鈨蓚€(gè)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(duì)稱(chēng)三角線(xiàn)性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)應(yīng)用于風(fēng)速探測(cè)中，雷達(dá)接收天線(xiàn)各個(gè)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(shù)，對(duì)回波信號(hào)與本振信號(hào)混頻后得到的差頻信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理，可以得到風(fēng)的徑向速度，從而反演出整個(gè)風(fēng)場(chǎng)信息，其探測(cè)范圍為3 km，測(cè)速精度可達(dá)到0.1 m/s，在氣象、環(huán)保、國(guó)防、機(jī)場(chǎng)等領(lǐng)域均有十分重大的意義以及廣闊的應(yīng)用前景。
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