風(fēng)是相對于大地表面的空氣運動,風(fēng)速大小和方向嚴(yán)重影響人類的生活,。高分辨率,、高精度的風(fēng)場分布測量在氣象研究、天氣預(yù)報,、大氣環(huán)境監(jiān)測,、機場切變風(fēng)預(yù)警以及國防高技術(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[1]采用多普勒雷達測風(fēng),；參考文獻[2]采用風(fēng)廓線雷達測風(fēng),，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(fēng)場等物理量；參考文獻[3]采用激光多普勒雷達測風(fēng),，利用激光收發(fā)系統(tǒng)對空氣中的粒子散射回波信號進行采集,，再經(jīng)過分析計算這些測量數(shù)據(jù)，從而得到風(fēng)場數(shù)據(jù),；參考文獻[4]采用多普勒聲雷達測風(fēng),，應(yīng)用聲波在大氣中傳播的多普勒效應(yīng)來探測風(fēng)速,。上述雷達通常為脈沖體制雷達，而連續(xù)波雷達相對于脈沖雷達具有體積小,、重量輕,、發(fā)射峰值功率低、測距測速精度高等優(yōu)點,。本文提出應(yīng)用對稱三角線性調(diào)頻連續(xù)波STLFMCW(Symmetric Triangular Linear Frequency Modulated Continuous Wave)雷達測風(fēng)方案,，比風(fēng)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(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)制通過采用不同的調(diào)頻斜率來抵消距離和速度之間的耦合,，從而實現(xiàn)對目標(biāo)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(jīng)過FFT運算就可以得到目標(biāo)的距離和速度信息[5],。

2 仿真結(jié)果
2.1 單個散射點目標(biāo)的仿真  
    采用上述方法對單個散射點目標(biāo)進行仿真，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(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。
    通過對仿真結(jié)果的分析可以看出,，采用正負(fù)調(diào)頻的三角線性調(diào)頻連續(xù)波雷達信號上下掃頻段唯一的區(qū)別是調(diào)頻斜率由?滋變成-?滋,，利用對稱三角波的特點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飛機,、汽車等單個散射點目標(biāo)的距離和速度,。
2.2 多個散射點目標(biāo)的仿真
    對于多散射點目標(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和補償后才能得到目標(biāo)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(biāo)同時存在的情況下,，運動目標(biāo)的一維距離像在不同的掃頻周期內(nèi)存在散射點閃爍與距離游動現(xiàn)象,，如圖4、圖5所示,，兩個掃頻周期內(nèi)目標(biāo)點對應(yīng)的幅度,、快速傅里葉變換的點數(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個目標(biāo),，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(shè)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(biāo)的速度,，可以先測得上下掃頻段內(nèi)3個峰值點所對應(yīng)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(nèi)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(nèi)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(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(shù),，根據(jù)上述方法可以測得風(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，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(fēng)速信息的獲取
 　高空中風(fēng)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(guān)的量,。在單基地雷達系統(tǒng)中,獲得某一點3個線性無關(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(tǒng)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(guān)的量,，波束的指向是可以任意確定的,。不過實際應(yīng)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?shù)牟ㄊ?，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(diào)頻連續(xù)波雷達應(yīng)用于風(fēng)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(shù),，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(fēng)的徑向速度，從而反演出整個風(fēng)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(huán)保,、國防、機場等領(lǐng)域均有十分重大的意義以及廣闊的應(yīng)用前景,。
參考文獻
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