專利名稱：一種測速脈沖雷達及其測速方法
技術領域：
本發明屬于雷達通信技術領域，尤其涉及一種測速脈沖雷達及其測速方法。
背景技術：
現有技術中一般通過目標回波波形特征來識別目標，但作為在目前得到廣泛研究和應用的基于雷達回波波形特征的目標識別中，由于目標外形通常相似，且回波隨目標姿態、信號照射角度等變化很大，因此利用目標回波特征實現目標的準確識別尚有難度。但不同目標固有的機械振動或速度不同，因此用高精度速度測量信息進行目標識別是可行的途徑之一。特別是真假彈頭，它們體積、形狀完全相同，可根據其速度的細微差別來進行識別。但常規雷達的測速精度難以滿足目標識別的要求，特別是遠距離探測時測速精度更差，所以遠距離高精度測速研究迫在眉睫。此外，降低雷達造價是雷達的發展方向之一，也是軍事應用中的急切需求；在預警雷達等應用中，希望雷達威力范圍大；機載、星載雷達中，迫切 希望雷達發射機效率高、體積小；然而，傳統ro雷達難以解決這些問題。ro雷達，又稱脈沖多普勒雷達，顧名思義它是一種利用多普勒效應檢測目標信息的脈沖雷達。脈沖多普勒雷達的基本特點之一，是在頻域一時域存在著分布相當寬廣和功率相當強的背景雜波中檢測出有用的信號。這通常是通過雷達的自動檢測來完成的，雷達將待掃描的區域分為若干個單元，通過滑窗的移動掃描所有的單元，每次掃描后，雷達都會實時的接收本次掃描所返回的信號，這些信號只是來源于正在掃描的單元窗口。然后雷達根據一定的判決原理對接收到的信號作出處理，確定該單元中是否存在目標。傳統ro雷達要求發射機是全相參發射機，常采用行波管、固態組件等，但全相參發射機的成本高、功率小、效率低、體積大。而具有成本低、功率大、效率高、體積小的自激振蕩式發射機(磁控管)則不能測速。
發明內容
針對現有技術中的ro雷達需要全相參發射機、行波管、固態組件等，而全相參發射機的成本高、功率小、效率低、體積大。而具有成本低、功率大、效率高、體積小的自激振蕩式發射機(磁控管)則不能測速。因此有必要提供一種測速脈沖雷達及其測速方法。本發明的的測速脈沖雷達及其測速方法可以應用在民用雷達上，也可以應用在軍用國防等領域，如果本發明的技術方案涉及到國防等國家重大利益，申請人非常愿意將本申請轉為保密專利。本發明公開了一種一種脈沖測速雷達，包括第一光纖延時器、第一光/電轉換裝置、雙工裝置、放大器、相參處理器、天線；所述第一光纖延時器通過第一光/電轉換裝置連接相參處理器，所述第一光纖延時器用于產生延遲脈沖信號；所述雙工裝置連接天線和放大器，所述雙工裝置一方面將信號通過天線發射出去，另外一方面將接收的脈沖信號送入放大器進行放大；所述放大器連接相參處理器，所述放大器放大后的脈沖信號送入相參處理器，每個發射脈沖的回波只與該脈沖的延遲復制脈沖相參。優選地，上述光纖延時器包括光纖延遲線和光纖環，所述光纖延遲線和光纖環連接；所述光纖環依序連接可切換耦合器、光放大器、光頻隔離器、環開關，所述可切換耦合器用于將光脈沖耦合進光纖環，或者將光脈沖從光纖環中耦合出來；光放大器用于維持光脈沖的強度；光頻隔離器用于使光脈沖在一個方向上循環；環開關用于清空光纖環，以便接收新的脈沖。優選地，上述測速脈沖雷達包括第二光纖延時器、第一電/光轉換裝置，所述第一電/光轉換裝置連接第二光纖延時器，所述第一電/光轉換裝置用于將接收到的脈沖信號進行電/光轉換后一部分送入天線，另一部分送入第一光纖延時器。本發明還公開了一種測速脈沖雷達的測速方法，其包含以下步驟
步驟一、第一光纖延時器接收脈沖信號后進行延時，得到延時后的脈沖信號，延時后的脈沖信號送入第一光/電轉換裝置進行光/電轉換，轉換后的信號送入相參處理器； 步驟二、雙工裝置一方面將信號通過天線發射出去，另外一方面將接收的脈沖信號送入放大器進行放大，所述放大器放大后的脈沖信號送入相參處理器；
步驟三、相參處理器將來自步驟一和步驟二的信號進行相參處理，每個發射脈沖的回波只與該脈沖的延遲復制脈沖相參，相參處理后得到基帶多普勒信號。優選地，上述步驟一中的延時具體包含以下步驟
步驟I.可切換耦合器將光脈沖耦合進光纖環，耦合后的光脈沖送入光放大器；
步驟2.光放大器放大輸出的信號送入光頻隔離器，使光脈沖在一個方向上循環；
步驟3.光頻隔離器輸出的信號通過環開關后輸出給可切換耦合器，可切換耦合器將光脈沖從光纖環中耦合出來。優選地，在進行步驟一的延時前由信號源產生一個脈沖，該脈沖進入第二光纖延遲器產生脈沖串，該脈沖串中每個脈沖的相位、頻率、幅度都完全一樣，是完全相干的，所述脈沖串一方面通過天線發射出去，另外一方面送入步驟一中的第一光纖延遲器進行延遲。本發明的有益效果為通過使用光延遲器將脈沖信號進行延遲，每個發射脈沖的回波只與該脈沖的延遲復制脈沖相參，獲得理想的相參。本發明的技術方案解決了現有技術中的ro雷達難以獲得理想相干的技術問題，同時本發明的技術方案成本低，易于實現和推廣應用。
圖I為可控光纖延遲器的結構圖。圖2為可控光纖延遲器示意圖。圖3為基于光纖延遲器的接收機原理。圖4高精度測速脈沖雷達原理。圖5為非相干高精度測速脈沖雷達原理。圖6為低成本測速脈沖雷達系統構成。圖7為高精度測速脈沖雷達系統構成。圖8為低成本測速脈沖雷達仿真。圖9為傳統ro雷達與高精度測速脈沖雷達對比。
具體實施方式
下面結合說明書附圖詳細說明本發明的
具體實施方式
。本發明公開的測速脈沖雷達，包括第一光纖延時器、第一光/電轉換裝置、雙工裝置、放大器、相參處理器、天線；所述第一光纖延時器通過第一光/電轉換裝置連接相參處理器，所述第一光纖延時器用于產生延遲脈沖信號，所述延遲脈沖信號通過第一光/電轉換裝置轉換后送入相參處理器；所述雙工裝置連接天線和放大器，所述雙工裝置一方面將信號通過天線發射出去，另外一方面將接收的脈沖信號送入放大器進行放大，所述放大器連接相參處理器，所述放大器放大后的脈沖信號送入相參處理器，每個發射脈沖的回波只與該脈沖的延遲復制脈沖相參。如圖3所示，本雷達的接收機中，每個發射脈沖的回波只與該脈沖的延遲復制脈沖相參，因此可獲得理想的相參。與之相比，傳統ro雷達難以獲得理想相干傳統ro雷達中，接收回波脈沖先和本振源相參，然后進行匹配濾波(實現脈沖壓縮)。由于本振不可避免地存在頻率不穩定(相位噪聲)，因而難以獲得理想相干。 上述放大器為LNA，所述LNA即低噪聲放大器，是噪聲系數很低的放大器。一般用作各類無線電接收機的高頻或中頻前置放大器(比如手機、電腦或者iPAD里面的WiFi)，以及高靈敏度電子探測設備的放大電路。因為所有后面的處理都是基于LNA放大后的信號進行的，所以一個低噪聲的模擬放大器是至關重要的。在放大微弱信號的場合，放大器自身的噪聲對信號的干擾可能很嚴重，因此希望減小這種噪聲，以提高輸出的信噪比。由放大器所引起的信噪比惡化程度通常用噪聲系數F來表示。理想放大器的噪聲系數F= 1(0分貝)，其物理意義是輸出信噪比等于輸入信噪比。優選地，如圖I所示，本發明中提到的光纖延時器包括光纖延遲線和光纖環，所述光纖延遲線和光纖環連接；所述光纖環依序連接可切換耦合器、光放大器、光頻隔離器、環開關，所述可切換耦合器用于將光脈沖耦合進光纖環，或者將光脈沖從光纖環中耦合出來；光放大器用于維持光脈沖的強度；光頻隔離器用于使光脈沖在一個方向上循環；環開關用于清空光纖環，以便接收新的脈沖。光脈沖進入可變長度光纖延遲線，然后經過光纖環可以獲得一串延遲脈沖。可控光纖延遲器的示意圖如圖2所示。優選地，為了獲得更好的測速效果，本發明的測速脈沖雷達還包括第二光纖延時器、第一電/光轉換裝置，所述第一電/光轉換裝置連接第二光纖延時器，所述第一電/光轉換裝置用于將接收到的脈沖信號進行電/光轉換后一部分送入天線，一部分送入第一光纖延時器。高精度測速脈沖雷達原理如圖如圖4所示，由信號源產生一個脈沖，該脈沖進入第二光纖延遲器產生脈沖串，該脈沖串中每個脈沖的相位、頻率、幅度都完全一樣，是完全相干的。該脈沖串進行功率放大后發射出去。在接收端，一部分發射脈沖經過可控光纖延遲器后，與接收的脈沖回波信號混頻、濾波后直接得到基帶的多普勒信號，經過FFT處理，最后進行距離一速度解算并顯示。該雷達中，兩處用到可控光纖延遲器，其作用分別是在發射機端，實現射頻脈沖的復制，將脈沖源產生的單個脈沖復制成一串相同的脈沖，于是可獲得理想的相干脈沖串用作發射信號；在接收機端，實現對發射脈沖的延遲，延遲后的脈沖用作參考脈沖，參考脈沖可以與接收信號實現理想的相參。由于發射脈沖串是由同一個脈沖復制產生的，因此發射脈沖的脈間是完全相參、高度穩定的；每個脈沖的延遲信號與自己的回波信號相參，因此可以實現理想相參。本發明還公開了一種測速脈沖雷達的測速方法，其包含以下步驟
步驟一、第一光纖延時器接收脈沖信號后進行延時，得到延時后的脈沖信號，延時后的脈沖信號送入第一光/電轉換裝置進行光/電轉換，轉換后的信號送入相參處理器；
步驟二、雙工裝置一方面將信號通過天線發射出去，另外一方面將接收的脈沖信號送入放大器進行放大，所述放大器放大后的脈沖信號送入相參處理器；
步驟三、相參處理器將來自步驟一和步驟二的信號進行相參處理，每個發射脈沖的回波只與該脈沖的延遲復制脈沖相參，相參處理后得到基帶多普勒信號。優選地，所述步驟一中的延時具體包含以下步驟
步驟I.可切換耦合器將光脈沖耦合進光纖環，耦合后的光脈沖送入光放大器；
步驟2.光放大器放大輸出的信號送入光頻隔離器，使光脈沖在一個方向上循環；
步驟3.光頻隔離器輸出的信號通過環開關后輸出給可切換耦合器，可切換耦合器將光脈沖從光纖環中耦合出來。
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優選地，為了獲得更好的測速效果，本發明在進行步驟一的延時前由信號源產生一個脈沖，該脈沖進入第二光纖延遲器產生脈沖串，該脈沖串中每個脈沖的相位、頻率、幅度都完全一樣，是完全相干的，所述脈沖串一方面通過天線發射出去，另外一方面送入步驟一中的第一光纖延遲器進行延遲。下面以磁控管發射機發射的信號及雷達射頻脈沖產生的信號為例，詳細說明本發明的具體應用和有益效果。如圖5所示的測速脈沖雷達的原理圖，磁控管發射機產生非相干的N個脈沖，該脈沖串的一部分能量耦合進可控光纖延遲器，產生延遲脈沖串。延遲脈沖串與回波混頻后直接得到基帶信號，這些基帶信號通過濾波、FFT變換進行相參積累可獲得目標的速度信息。如圖6所示的測速脈沖雷達的結構圖，磁控管發射機產生不相干的脈沖串，該非相干脈沖串的一部分經過功率放大后進入天線發射出去，另一部分耦合進入第二個可控光纖延遲器產生延遲脈沖信號，延遲后的脈沖與接收的脈沖信號進行相參處理，相參處理后直接得到基帶多普勒信號。該雷達的特點是，磁控管產生非相干脈沖，但是將每個脈沖延遲，延遲后的脈沖只與該脈沖的回波相參，因而仍然能實現理想的相參。傳統的基于磁控管的脈沖雷達中，磁控管的頻率不穩定，特別是磁控管發射脈沖間不相干，導致該類脈沖雷達不能測速。然而，在本發明中，由于每個脈沖的回波都只與該脈沖的延時脈沖進行理想相參，因此磁控管的不穩定性對測速性能的影響非常小，可以進行目標速度測量。為了得到更好的測速效果，本發明還優選使用圖7的方案，雷達射頻脈沖源產生的單個脈沖經過E/0模塊轉換成一個光脈沖，這個光脈沖進入可控光纖延遲器，該可控光纖延遲器原理如圖I。如果光纖環長度為
I,可變長度光纖延遲線最長長度為1 ,該可變長度光纖延遲線是Mbit,則延遲產生的脈
沖串的脈沖間隔為nL + l (其中《=0，152，---51,為無窮大正常數)從可控光
2Jv
纖延遲器出來的是一個光脈沖串，該光脈沖串中每個脈沖都完全相同。該脈沖串經過0/E模塊轉換成電脈沖串，一部分經過功率放大后發射出去，另一部分進入第二個可控光纖延遲器產生延遲脈沖信號，延遲后的脈沖與接收的脈沖信號進行相參處理，相參處理后直接得到基帶多普勒信號。相對于常規的電延遲器件，光延遲具有延遲時間長、時間帶寬積大(IO6 )、工作頻率高(> 100 GHz)、損耗小、尺寸小、質量輕、不存在電磁干擾等優點。這些優點與多普勒雷達結合起來，可獲得新型的低成本高精度測速脈沖雷達。
假設每個周期發射相同的脈沖，用光纖延遲器延遲每個周期的發射信號作為參考信號。發射脈沖
s0(t) = acos(<a^ + ^ )(I)
其中a為信號幅值，為角頻率，%為初相。則第n個延遲后的參考脈沖為
= ^of -邛 ^o) = 0⑵
其中Tr為脈沖時間間隔，T0為參考脈沖串第一個脈沖延遲時間。 目標反射的第n個回波脈沖為
xj) = k w [ _ + mM -.(3)
其中&為接收脈沖串第一個脈沖延遲時間，%為多普勒頻率，為相位。則將參考信號與接收回波信號進行平方律檢波
y(4 = W1)+湖 4⑷
其中I為一個脈沖寬度。通常 老 p積分后去掉近似為零的項,就只剩下交叉項，交叉項為
2sfI(t)^xnCO = Zacoslm0(t-nTr - T0)+佴j.r,(5)
bcos}(氣 + mg)(t -nTr -^)+ ]
積化和差后，角度和的項積分近似為零，只剩下差頻項
；( ) 泌■ [ % ( +-^) + ( - )] ⑷
2 - 2nTrv 2x0 2nTrv上式中,Tfl-Ta= ^ r - —=
C€ C
取！ = 則上式成為
CC^COS ￠0^^-^+( -^ )(7)
L c__
2v 、、
由于~"，上式可進一步寫成
y(4 cos
(8)
從式(5) —(8)可以看出本發明中提供的高精度測速脈沖雷達中，由于發射脈沖與自身的延時脈沖相參，因此在式(5)中計算差頻項的時候，可以將完全對消掉，即平方律檢波后可以完全消掉1 ;若每次回波初始相位為常數，則||-||為常數，由式(8)可知，/1 )的幅度與脈沖數n和多普勒頻率%有關，因此對進行FFT可高精度測量多普勒頻率%
o傳統的PD雷達中，回波脈沖先和本振源相參，然后再進行匹配濾波。由于本振源有一定的頻率漂移，因此在式(5)中計算差頻項時候，不能將完全對消掉，該殘余項將直接轉換成多普勒頻率%的測量誤差。因此傳統ro雷達需要很高的頻率穩定度，否則不可能高精度測速。雷達工作在L波段，發射脈沖中心頻率爲=I IGH z,重復周期7 = Jm,磁控管產生的脈間頻率差為10MHz，FFT點數y= 100 ;兩目標速度分別為100m/S和120m/s，采用本發明提供的測速方法，如圖8所示，可清晰地測出兩目標速度。雷達工作在對L波段，中心頻率: 12GHz,重復周期Jf= FFT點數f = _0,對于傳統ro雷達，設相干頻率源相位噪聲每重復周期引入的頻率誤差是標準差為IHz的高斯隨機頻率。設目標徑向速度F =IOflw/S，則目標的多普勒頻率為
fd = ‘御⑷=(I Jx109)(2x W2)/(3x108) =酬/fe根據上述雷達工作參數，仿真結果如圖9。圖中對兩個速度分別為100m/S和100. 5m/s的目標，用本發明提供的高精度速度測量方法可清晰分辨，如圖中實線所示；而用傳統的多普勒測量方法已不能區分兩個不同速度的目標，如圖中虛線所示。本發明并不局限于前述的
具體實施方式
。本發明擴展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。
權利要求
1.一種脈沖測速雷達，其特征在于包括第一光纖延時器、第一光/電轉換裝置、雙工裝置、放大器、相參處理器、天線；所述第一光纖延時器通過第一光/電轉換裝置連接相參處理器，所述第一光纖延時器用于產生延遲脈沖信號；所述雙工裝置連接天線和放大器，所述雙工裝置一方面將信號通過天線發射出去，另外一方面將接收的脈沖信號送入放大器進行放大；所述放大器連接相參處理器，所述放大器放大后的脈沖信號送入相參處理器，每個發射脈沖的回波只與該脈沖的延遲復制脈沖相參。
2.如權利要求I所述的測速雷達，其特征在于所述光纖延時器包括光纖延遲線和光纖環，所述光纖延遲線和光纖環連接；所述光纖環依序連接可切換耦合器、光放大器、光頻隔離器、環開關，所述可切換耦合器用于將光脈沖耦合進光纖環，或者將光脈沖從光纖環中耦合出來；光放大器用于維持光脈沖的強度；光頻隔離器用于使光脈沖在一個方向上循環；環開關用于清空光纖環，以便接收新的脈沖。
3.如權利要求2所述的測速雷達，其特征在于所述測速脈沖雷達包括第二光纖延時器、第一電/光轉換裝置，所述第一電/光轉換裝置連接第二光纖延時器，所述第一電/光 轉換裝置用于將接收到的脈沖信號進行電/光轉換后一部分送入天線，另一部分送入第一光纖延時器。
4.一種測速脈沖雷達的測速方法，其包含以下步驟 步驟一、第一光纖延時器接收脈沖信號后進行延時，得到延時后的脈沖信號，延時后的脈沖信號送入第一光/電轉換裝置進行光/電轉換，轉換后的信號送入相參處理器； 步驟二、雙工裝置一方面將信號通過天線發射出去，另外一方面將接收的脈沖信號送入放大器進行放大，所述放大器放大后的脈沖信號送入相參處理器； 步驟三、相參處理器將來自步驟一和步驟二的信號進行相參處理，每個發射脈沖的回波只與該脈沖的延遲復制脈沖相參，相參處理后得到基帶多普勒信號。
5.如權利要求4所述的測速方法，其特征在于所述步驟一中的延時具體包含以下步驟 步驟I.可切換耦合器將光脈沖耦合進光纖環，耦合后的光脈沖送入光放大器； 步驟2.光放大器放大輸出的信號送入光頻隔離器，使光脈沖在一個方向上循環； 步驟3.光頻隔離器輸出的信號通過環開關后輸出給可切換耦合器，可切換耦合器將光脈沖從光纖環中耦合出來。
6.如權利要求5所述的測速方法，其特征在于在進行步驟一的延時前由信號源產生一個脈沖，該脈沖進入第二光纖延遲器產生脈沖串，該脈沖串中每個脈沖的相位、頻率、幅度都完全一樣，是完全相干的，所述脈沖串一方面通過天線發射出去，另外一方面送入步驟一中的第一光纖延遲器進行延遲。
全文摘要
本發明涉及雷達通信技術領域，本發明公開了一種脈沖測速雷達，包括第一光纖延時器、第一光/電轉換裝置、雙工裝置、放大器、相參處理器、天線；所述第一光纖延時器通過第一光/電轉換裝置連接相參處理器，所述第一光纖延時器用于產生延遲脈沖信號；所述雙工裝置連接天線和放大器，所述雙工裝置一方面將信號通過天線發射出去，另外一方面將接收的脈沖信號送入放大器進行放大；所述放大器連接相參處理器，所述放大器放大后的脈沖信號送入相參處理器，每個發射脈沖的回波只與該脈沖的延遲復制脈沖相參。使用光延遲器將脈沖信號進行延遲，每個發射脈沖的回波只與該脈沖的延遲復制脈沖相參，獲得理想的相參。
文檔編號G01S13/58GK102759733SQ201110106058
公開日2012年10月31日 申請日期2011年4月27日 優先權日2011年4月27日
發明者嚴濟鴻, 何子述, 劉立東, 李會勇, 胡進峰 申請人:電子科技大學