專利名稱：減輕脈沖多普勒雷達(dá)中距離一多普勒模糊的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及脈沖多普勒雷達(dá)系統(tǒng)，尤其涉及消除這些雷達(dá)系統(tǒng)中的距離和多普勒模糊。
背景技術(shù)：
脈沖多普勒雷達(dá)系統(tǒng)有一嚴(yán)重的性能缺陷，該缺陷叫做脈沖多普勒困境(plusepoppler dilemma)，它是由脈沖重復(fù)頻率與可測(cè)不模糊距離和多普勒頻率之間的關(guān)系引起的。此缺陷限制了用脈沖多普勒雷達(dá)系統(tǒng)獲得的氣象參數(shù)測(cè)量的數(shù)據(jù)質(zhì)量。
眾所周知，脈沖雷達(dá)系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量雷達(dá)脈沖的發(fā)射和后續(xù)的該脈沖目標(biāo)后散射的接收之間經(jīng)過(guò)的時(shí)間來(lái)確定目標(biāo)的距離，該經(jīng)過(guò)時(shí)間是t＝(2R)/C，這里R是目標(biāo)的距離，而C是光速，對(duì)于氣象雷達(dá)系統(tǒng)該距離是大氣容積(atmosphericvolume)。因?yàn)榻邮諜C(jī)不能區(qū)別來(lái)自最近發(fā)射脈沖目標(biāo)的回波和來(lái)自更早發(fā)射脈沖的另一個(gè)目標(biāo)的回波，所以由不模糊接收機(jī)接收獲得的最大不模糊時(shí)間是相繼脈沖發(fā)射之間的時(shí)間。這樣，最大不模糊距離是Rmax＝(CT)/2，T是脈沖間發(fā)射的間隔。眾所周知，脈沖多普勒雷達(dá)系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量接收到的后散射脈沖序列輻射頻譜的譜線的多普勒頻移來(lái)確定目標(biāo)的相對(duì)速度。通過(guò)以給定的重復(fù)頻率發(fā)射一脈沖序列來(lái)建立該系統(tǒng)中的譜線。這些譜線之間的頻率間隔等于脈沖序列的重復(fù)頻率，即等于(1/T)。當(dāng)目標(biāo)(后散射物)沿引起目標(biāo)和發(fā)射機(jī)之間徑向距離減小(接近目標(biāo)，(closing target))的方向移動(dòng)時(shí)，譜線的頻率增加為fDC＝(2Vc)/λ，λ是輻射波的波長(zhǎng)。相反，當(dāng)目標(biāo)沿引起目標(biāo)和發(fā)射機(jī)增加徑向距離增加(遠(yuǎn)離目標(biāo)opening target)的方向移動(dòng)時(shí)，譜線頻率減小fDO＝-(2Vo)/λ。在此脈沖多普勒雷達(dá)系統(tǒng)中，選取第n條譜線作為基準(zhǔn)，并測(cè)量在頻帶中該譜線和相鄰兩條譜線(n-1和n＝1)之間的多普勒頻移，以獲得目標(biāo)的速度。如接著的詳細(xì)說(shuō)明，譜線的1/T間隔限制多普勒頻移譜線fn不模糊測(cè)量到頻帶fn±1/(2T)。結(jié)果，可測(cè)得的最大不模糊速度Vmax為Vmax＝±λ/(4T)也可應(yīng)用公知的抽樣理論獲得該結(jié)果，如抽樣理論所述，必須以不大于1/(2fD)的抽樣時(shí)間間隔來(lái)測(cè)量連續(xù)檢測(cè)到的雷達(dá)信號(hào)，以不模糊地測(cè)量fD。如果fD是最大的不模糊可檢測(cè)到的目標(biāo)速度，則可得出對(duì)T＝1/fD的脈沖間間隔可測(cè)得的最大不模糊可測(cè)目標(biāo)速度Vmax為Vmax＝±λ/(4T)。
這樣，很明顯可用脈沖多普勒雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)得的最大不模糊距離隨脈沖間間隔的增加而增加，而可測(cè)得的最大不模糊速度隨脈沖間間隔的減小而減小。在許多例子中，將用脈沖多普勒雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)量的不模糊速度所需的脈沖間間隔太短，從而不能提供所需的最大不模糊距離測(cè)量。
把最大距離表達(dá)式Rmax乘以最大速度表達(dá)式Vmax，得到公知的“脈沖多普勒困境”RmaxVmax＝(Cλ)/8在

圖1中示出工作在3GHz的脈沖多普勒雷達(dá)的該困境。
因?yàn)橛擅}沖發(fā)射及其回波接收之間經(jīng)過(guò)的時(shí)間來(lái)確定目標(biāo)的距離，所以從超出C/(2T)距離處目標(biāo)返回的先前發(fā)射的脈沖的回波出現(xiàn)在位于最近發(fā)射的脈沖距離間隔中的距離位置處。此情形稱為是“距離折疊”(range folding)，并在圖2和3中示出。
在圖2中示出一脈沖序列，該脈沖序列具有足夠長(zhǎng)的脈沖間間隔，以允許在后續(xù)脈沖發(fā)射前來(lái)自所有感興趣的距離處目標(biāo)的已發(fā)射脈沖的雷達(dá)回波。如圖所示，在后續(xù)脈沖TS2發(fā)射前接收到在三個(gè)不同距離處目標(biāo)的已發(fā)射脈沖TS1的目標(biāo)回波RS11、RS12和RS13。同樣地，在后續(xù)脈沖發(fā)射前，也分別接收到在相同的三個(gè)不同距離處的脈沖發(fā)射TS2和TS3的回波RS21、RS22和RS23，以及RS31、RS32和RS33。這樣，可不模糊地確定三個(gè)目標(biāo)的距離。
如圖3所示，當(dāng)脈沖重復(fù)頻率增加時(shí)，不能明確地確定相同的三個(gè)不同距離處目標(biāo)的距離。在圖中示出以更高脈沖重復(fù)頻率發(fā)射脈沖TFn獲得的來(lái)自相同的三個(gè)不同距離處目標(biāo)的信號(hào)回波(RFn1，RFn2，RFn3；n＝1，2，3，4)。在發(fā)射了TF1后，在第二個(gè)脈沖TF2發(fā)射前接收到從第一距離處的目標(biāo)的信號(hào)回波(RF11)。然而，在脈沖TF2發(fā)射前未接收到信號(hào)回波RF12和RF13。在脈沖TF2和TF3發(fā)射之間的間隔內(nèi)接收到信號(hào)回波RF12，而在脈沖TF3和TF4發(fā)射之間的間隔內(nèi)接收到信號(hào)回波RF13。同樣地，在脈沖TF2和TF3發(fā)射之間的間隔內(nèi)接收到信號(hào)回波RF21，在脈沖發(fā)射TF3和TF4之間的間隔內(nèi)接收到信號(hào)回波RF22，而在脈沖發(fā)射TF4和TF5之間的間隔內(nèi)接收到信號(hào)回波RF23。這樣，在脈沖發(fā)射TF2和TF3之間的間隔內(nèi)接收到兩個(gè)信號(hào)回波，而在TF3和TF4之間的間隔和所有其它脈沖間間隔內(nèi)接收到三個(gè)信號(hào)回波。雖然在TF3和TF4之間的間隔和所有的后續(xù)脈沖間間隔內(nèi)出現(xiàn)來(lái)自三個(gè)目標(biāo)的回波，但只有一個(gè)回波是由開(kāi)始該間隔的脈沖發(fā)射引起的，因而只測(cè)量一個(gè)不模糊距離。例如，脈沖TF3發(fā)射與信號(hào)RF31接收之間經(jīng)過(guò)的時(shí)間為脈沖從其反射的目標(biāo)提供了準(zhǔn)確的距離，而TF3的發(fā)射與信號(hào)RF13和RF22(它們不是由已發(fā)射脈沖TF3的反射)的接收之間經(jīng)過(guò)的時(shí)間提供了模糊的距離。
在圖4A到4C中示出譜線的多普勒頻移的示意圖。在圖中示出三條譜線fn-1、fn和fn+1(fn+1＝fn+1/T；fn-1＝fn-1/T)，fn是基準(zhǔn)。通過(guò)以v≤λ/4T的速度接近目標(biāo)引起的fn的多普勒頻移頻率在fn+1/(2T)和fn之間的頻帶內(nèi)，而通過(guò)以同一速度范圍遠(yuǎn)離目標(biāo)引起的fn的多普勒移頻率在fn和fn-1/(2T)之間的頻帶內(nèi)。圖4A示出以小于λ/(2T)的速度減小徑向距離的目標(biāo)引起的三條譜線的多普勒頻移Δfc，以及以小于λ/(2T)的速度增加徑向距離的目標(biāo)引起的三條譜線的多普勒頻移Δfo。通過(guò)接近目標(biāo)引起的多普勒頻移譜線(fn-1+Δfc)和(fn+1+Δfc，以及通過(guò)遠(yuǎn)離目標(biāo)引起的多普勒頻移譜線fn-1-Δfo和fn+1-Δfo不進(jìn)入頻帶fn±1/(2T)，因而對(duì)多普勒頻移的測(cè)量是不模糊的。
圖4B示出目標(biāo)通過(guò)以大于λ/(4T)的速度徑向地向雷達(dá)所在位置移動(dòng)引起的多普勒頻移譜線。在此情況中，譜線fn被多普勒頻移升到頻率fn+Δfc，此頻率超出頻帶fn±1/(2T)，而譜線fn-1的多普勒頻移進(jìn)入頻帶fn±1/(2T)。因?yàn)轭l率測(cè)量被限制在頻帶fn±1/(2T)內(nèi)，所以測(cè)得的多普勒頻移fDC是-[1/T-Δfc]，它導(dǎo)致錯(cuò)誤的徑向距離遠(yuǎn)離速度示值等于[-λ(1/T-Δfc)/2]，而不是真正的接近速度λΔfc/2。接近速度應(yīng)被認(rèn)為是正的速度，而遠(yuǎn)離速度被認(rèn)為是負(fù)的。
圖4C示出目標(biāo)通過(guò)以大于λ/(2T)的速度徑向地遠(yuǎn)離雷達(dá)所在位置的移動(dòng)引起的多普勒頻移譜線。在這些情況中，譜線fn被多普勒頻移降到頻率fn-Δfo，此頻率超出頻帶fn±1/(2T)，而譜線fn+1向下頻移到頻率fn+1-Δfo，此頻率在頻帶fn±Δfo中。結(jié)果，在頻帶fn±1/(2T)內(nèi)測(cè)量譜線fn的多普勒頻移提供的多普勒頻率fDO等于1/T-Δfo，而不是真正的多普勒頻移Δfo。模糊多普勒頻移代表的速度等于λ(1/T-Δfo)/2，而不是真正的速度(-λΔfo/2)。
從后散射目標(biāo)移動(dòng)引起發(fā)射信號(hào)的相移來(lái)確定多普勒頻率。相位是頻率與時(shí)間的函數(shù)，并表示為φ＝2πft。因此，在圖4B脈沖間周期內(nèi)移動(dòng)目標(biāo)引起的相移是φDA＝2π(fn+fDA)T。從視在多普勒頻移fDC確定的相位是φM＝2π(fn-(1/T)+fDA)T＝2π(fD+fDA)-2π。這樣，多普勒頻移頻率處，信號(hào)的實(shí)際相位相對(duì)于測(cè)得相位為φDA＝φM+2π。在圖4A中，假定目標(biāo)的移動(dòng)使譜線偏移了小于1/T的頻率，從而在fn附近的±1/(2T)測(cè)量頻帶中不出現(xiàn)多普勒頻移譜線fn-1。然而，目標(biāo)速度可以是這樣的，從而引起多普勒頻移頻譜線fn-k出現(xiàn)在此測(cè)量頻帶中。結(jié)果，相位模糊的一般表達(dá)式為φDA＝φM+2kπ很明顯的是，除非已知目標(biāo)速度引起的譜線多普勒頻移保持在fn±1/(2T)的頻帶內(nèi)，否則脈沖多普勒雷達(dá)提供的相位確定是多重模糊的。
為了消除距離和速度模糊，已有技術(shù)的氣象雷達(dá)使用一相當(dāng)長(zhǎng)的脈沖間間隔TR和一較短的脈沖間間隔Tv，前者用于測(cè)量降水反射率，后者用于測(cè)量徑向速度。為了把速度和頻譜信息置于準(zhǔn)確的距離位置，已有技術(shù)的系統(tǒng)使用一距離展開(kāi)(range-unfolding)算法，即比較在最遲發(fā)射脈沖的距離間隔C/(2Tv)內(nèi)接收到的所有回波的幅度，并選中一個(gè)超出預(yù)定閾值的回波幅度作為由最遲的脈沖發(fā)射引起的回波。如果沒(méi)有一個(gè)回波超出該閾值，則不利用回波信息。結(jié)果，可能丟失重要的氣象速度信息，因?yàn)椴荒苊鞔_地確定至氣象散射物的距離。

發(fā)明內(nèi)容
依據(jù)本發(fā)明，通過(guò)對(duì)經(jīng)過(guò)周期性波形調(diào)制的信號(hào)進(jìn)行輻射，可消除脈沖多普勒雷達(dá)系統(tǒng)中的多普勒頻移模糊，在該波形的一個(gè)周期內(nèi)具有多個(gè)脈沖，該周期內(nèi)脈沖之間的脈沖間間隔是不等的。對(duì)于多個(gè)包括脈沖間間隔及其線性組合的延遲時(shí)間使雷達(dá)目標(biāo)回波自相關(guān)。通過(guò)把2kπ(k＝0、±1、±2、…)加入對(duì)最短延遲時(shí)間T1獲得的相位θC1中，從|(θC2+2mk2π)-(T2/T1)θC1|＜π中確定整數(shù)mk2，然后設(shè)定θC2＝θC2+2mk2π，來(lái)展開(kāi)算得的自相關(guān)函數(shù)輻角θCi。以相同的方式用整數(shù)mki展開(kāi)相位角θ3、θ4、……、θm，mki是從|(θCi+2mkiπ)-(Ti/Ti-1)θCi|＜π中確定的。將展開(kāi)的相位角和點(diǎn)(0，0)對(duì)于每個(gè)k值的相位角對(duì)延遲時(shí)間直線的平均最小二乘擬合。確定偏離每條線的相角的均方根誤差，選出具有最小RMS的線的斜率作為多普勒角頻移，從中可得到目標(biāo)的速度。
附圖概述圖1是指出對(duì)給定脈沖重復(fù)頻率可測(cè)得的最大不模糊多普勒和距離的“脈沖多普勒困境”的示意圖。
圖2是用于確定不模糊距離的脈沖重復(fù)頻率示意圖。
圖3是距離模糊脈沖重復(fù)頻率的示意圖。
圖4A到4C示出周期性脈沖序列的頻譜線，用于說(shuō)明多普勒頻移模糊。
圖5是本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例的方框圖。
圖6示出對(duì)圖5的較佳實(shí)施例進(jìn)行周期性調(diào)制的周期，從而在每個(gè)周期中發(fā)射三個(gè)不等距脈沖。
圖7A到7G是周期性調(diào)制的周期中不等距脈沖發(fā)射以及相應(yīng)于這些發(fā)射的目標(biāo)回波位置的示意圖，用于說(shuō)明自相關(guān)過(guò)程。
圖8是適用于重疊和展開(kāi)自相關(guān)相位角平均最小二乘擬合的三條直線的圖，用于說(shuō)明相位角對(duì)延遲時(shí)間直線的選擇，該直線具有代表多普勒頻移的斜率。
圖9A示出每個(gè)周期中具有單個(gè)脈沖的周期波形。
圖9B示出相位角對(duì)延遲時(shí)間的兩條直線，用于說(shuō)明每周期具有單個(gè)脈沖的周期性波形調(diào)制的固有相關(guān)相位角模糊。
圖10A代表對(duì)多個(gè)延遲時(shí)間獲得的模糊自相關(guān)相位角。
圖10B示出圖10A的相位角在自相關(guān)相位對(duì)自相關(guān)延遲時(shí)間坐標(biāo)系統(tǒng)上展開(kāi)的曲線圖。
本發(fā)明較佳實(shí)施方式在圖5中示出依據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的脈沖多普勒雷達(dá)。此脈沖多普勒雷達(dá)包括提供脈沖調(diào)制載波信號(hào)的穩(wěn)頻發(fā)射機(jī)11，該載波信號(hào)具有的頻率是兩個(gè)頻率之和fs+fc，這里fs是穩(wěn)頻本機(jī)振蕩器(STALO)的頻率，fc是相干振蕩器(COHO)的頻率。用波形發(fā)生器13提供的周期性波形調(diào)制載波信號(hào)。如圖6所示，波形15中的每個(gè)周期包括三個(gè)脈沖P1、P2和P3。脈沖之間的間隔不等，TA是P1和P2之間的間隔，TB是P2和P3之間的間隔，而TC是P3與下一周期PA之間的間隔?？傊芷赥等于TA+TB+TC。如下所述，利用此包括三個(gè)具不等間隔脈沖的波形，以消除測(cè)量加到雷達(dá)信號(hào)回波上的多普勒相移中的模糊。
用于發(fā)射的脈沖調(diào)制信號(hào)通過(guò)雙工器19從發(fā)射機(jī)11耦合到天線17。由天線17接收從目標(biāo)(諸如氣象散射物)后散射的脈動(dòng)信號(hào)，這些信號(hào)通過(guò)雙工器19耦合到混頻器21，該混頻器21也接收來(lái)自發(fā)射機(jī)11作為本機(jī)振蕩器信號(hào)的STALO頻率fs信號(hào)?；祛l器21提供的中頻(IF)信號(hào)被IF放大器23放大，并被耦合到相位檢波器25，一COHO頻率fc的信號(hào)也被耦合到該相位檢波器25。相位檢波器25可以是提供兩個(gè)表征相位的脈沖序列輸出信號(hào)的這種類型，其中一個(gè)I與COHO信號(hào)同相位，而另一個(gè)Q與COHO信號(hào)正交。脈沖序列信號(hào)I和Q被耦合到雜散回波濾波器27，該濾波器27可以是Rubin等人在第08/148,447號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)中揭示的這種類型，該專利已轉(zhuǎn)讓給本受讓人并通過(guò)引用包括在這里，其中為了消除雜散回波單獨(dú)地處理脈沖序列信號(hào)I和Q。這些經(jīng)雜散回波濾波的I和Q脈沖序列信號(hào)被耦合到處理器29，其中在相關(guān)器31把它們對(duì)于延遲時(shí)間TA、TB和TC作自相關(guān)。
現(xiàn)在參考圖7A到7G，示出相對(duì)于各個(gè)脈沖發(fā)射時(shí)刻接收到的脈沖ri，i＝1，2，3的時(shí)間位置。為了消除模糊的回波已選中脈沖間間隔Tj，從而消除距離模糊并產(chǎn)生多普勒頻移頻率模糊。仍將描述，為了有效地消除模糊，選擇脈沖間間隔，從而一個(gè)間隔不等于另外兩個(gè)間隔之和，或者它不是另外兩個(gè)中的任一個(gè)的諧量(harmonic)。如接著所述，利用三個(gè)延遲時(shí)間TA、TB、TC處獲得的自相關(guān)相位可消除多普勒模糊。因?yàn)镮和Q信號(hào)由接收到的脈沖得出，所以該圖也代表接收到的脈沖的I和Q脈沖序列信號(hào)相對(duì)于各個(gè)脈沖發(fā)射的時(shí)間位置。在圖中，r1、r2和r3是脈沖序列信號(hào)的時(shí)間位置，這些信號(hào)是由于發(fā)射P1、P2和P3而接收到的信號(hào)引起的。相關(guān)器31把TA、TB和TC的時(shí)間延遲加到I和Q脈沖序列信號(hào)，并使每個(gè)被延遲的序列與如圖7A所示的未延遲脈沖作相關(guān)。在被延遲了TA(如圖7B所示)的I和Q信號(hào)的序列中把發(fā)射P1的回波r1與圖7A所示I和Q信號(hào)的發(fā)射P2的回波r2作相關(guān)。因?yàn)檫@些回波來(lái)自同一散射物，所以這些信號(hào)的相關(guān)是自相關(guān)，并給出了自相關(guān)函數(shù)R(TA)。如圖7C所示，r1與r2的相關(guān)是在周期TT＝TA+TB+TC中發(fā)生的唯一相關(guān)。同樣地，把延遲時(shí)間TB的(如圖7D所示)脈沖發(fā)射P2的回波r2與圖7A所示脈沖發(fā)射P3的回波r3相關(guān)，從而給出自相關(guān)函數(shù)R(TB)，把延遲時(shí)間TC的(如圖7F所示)脈沖發(fā)射P3的回波r3與圖7A所示脈沖發(fā)射P1的回波r1相關(guān)，從而給出自相關(guān)函數(shù)R(TC)。在圖7E和7G中分別示出由這些相關(guān)得出的時(shí)間線。
很明顯，對(duì)于如7A所示的脈沖間間隔，很明顯延遲時(shí)間TA、TB和TC提供了以下相關(guān)
延遲時(shí)間TA使r1與r2、r1’與r2’等相關(guān)。
延遲時(shí)間TB使r2與r3、r2’與r3’等相關(guān)。
延遲時(shí)間TC使r3與r1’、r3’與r1’等相關(guān)。
等于圖7A的脈沖間間隔線性組合的延遲時(shí)間提供不同的回波信號(hào)的相關(guān)，例如延遲時(shí)間(TA+TB)使r1與r3、r1’與r3’等相關(guān)。
延遲時(shí)間(TA+TC)使r3與r2’、r3’與r2’等相關(guān)。
可以把來(lái)自氣象散射物的檢測(cè)到回波的模擬為具有高斯功率譜密度的高斯過(guò)程，該密度具有相應(yīng)于照射雷達(dá)的散射物平均徑向速度v的平均頻率fDv=2fDλ]]>這里λ是發(fā)射信號(hào)的波長(zhǎng)。雷達(dá)接收到的回波脈沖序列的自相關(guān)函數(shù)可寫為R(τ)＝|R(τ)|ejθ(τ)＝|R(τ)|ejωDτ這里ωD＝2πfD。因?yàn)榻拥降男盘?hào)的功率譜密度是高斯形的，因此，|R(τ)|，它是功率譜密度的傅里葉反變換，也是高斯形的。當(dāng)后散射以恒定速度相對(duì)于雷達(dá)接收機(jī)徑向移動(dòng)時(shí)，arg R(τ)＝θ(τ)＝ωDτ的期望值是延遲時(shí)間τ的線性函數(shù)。因此，如果TA＝TB＝TC＝T，θ(T)＝θT，則不存在噪聲，且頻譜密度非常窄，于是θ(T)＝2θT，θ(3T)＝3θT＝(3/2)θT(2T)。如果脈沖間間隔不相等且θ(TA)＝θA，則對(duì)于相同條件，有θ(TA)＝θB＝(TB/TA)θA，θ(TC)＝θC＝(TC/TB)θB。結(jié)果，arg R(τ)＝θ(τ)，(自相關(guān)相位角)對(duì)τ(自相關(guān)延遲時(shí)間)的曲線是通過(guò)原點(diǎn)的直線。該直線的斜率是角頻率ωD。當(dāng)存在噪聲和/或頻譜密度較寬時(shí)，θ(τ)的值將靠近于其斜率為ωD的直線。
從以上公式，顯見(jiàn)θ(τ)是模2π的，它必須以較高次的延遲時(shí)間來(lái)展開(kāi)，以在獲得最佳擬合直線及其斜率前消除模2π的不確定性。
如上所述，當(dāng)脈沖序列被噪聲惡化或脈沖序列的譜寬度很大時(shí)，上述關(guān)系式變?yōu)棣?T)＝θTθ(2T)≈2θTθ(3T)≈3θT≈(3/2)θ2T然而，只要θ(τ)中的波動(dòng)比π小得多，則噪聲和譜寬度不能防止θ(τ)的展開(kāi)(不折疊)。因?yàn)棣?τ)的波動(dòng)是隨機(jī)的且一般不具有dc分量，所以θ(τ)的不折疊值對(duì)延遲時(shí)間的曲線將在通過(guò)原點(diǎn)并具有斜率ωD的直線的周圍分布。因此，一種估算ωD的準(zhǔn)確方法是(i)對(duì)幾個(gè)延遲時(shí)間計(jì)算θ(τ)，(ii)從第一個(gè)延遲時(shí)間開(kāi)始，展開(kāi)后續(xù)的θ(τ)值，以及(iii)在平均最小二乘的意義下使直線從原點(diǎn)(θ(0)＝0)通過(guò)展開(kāi)的值。公知的估算ωD的脈沖對(duì)技術(shù)(pulse-pair techniqne)是此過(guò)程的特殊情況。該技術(shù)通過(guò)只在等于一個(gè)脈沖間間隔幾個(gè)的延遲時(shí)間內(nèi)的相關(guān)來(lái)估算自相關(guān)相位角。把較高次延遲時(shí)間的多重性用于速度估算提供了一種更準(zhǔn)確的估算，但這需要用于較高次延遲時(shí)間的θ(τ)值是展開(kāi)的，以獲得這些延遲時(shí)間處真正的自相關(guān)相位角。由Rubin等人在第08/65,971號(hào)未批準(zhǔn)美國(guó)專利申請(qǐng)中揭示了一種用于準(zhǔn)確的不模糊的速度確定的展開(kāi)過(guò)程，該專利已轉(zhuǎn)讓給本受讓人，并通過(guò)引用包括在這里。
接收到的脈沖序列的I和Q分量從雜散回波濾波器27被耦合到處理器29中的相關(guān)器31，在相關(guān)器31中以適當(dāng)?shù)难舆t進(jìn)行自相關(guān)。從相關(guān)器31對(duì)輻角(相位)確定器33提供自相關(guān)函數(shù)的分量，確定器33依據(jù)相關(guān)方法處理這些分量，以獲得自相關(guān)函數(shù)的相位角。代表這些相位角的信號(hào)被耦合到相位角展開(kāi)器35，在其中如下所述展開(kāi)相位角。
現(xiàn)在參考圖8。如前所述，由相關(guān)處理確定的相位角是模2π的，從而基于接收到數(shù)據(jù)的實(shí)際的展開(kāi)的相位角θi可寫為θi＝ωDTi＝θCi+2mπ m＝0，1，2， ……這里θCi是根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)的算得值。對(duì)延遲時(shí)間TA、TB和TC算得的相位角θCA、θCB和θCC被耦合到展開(kāi)處理器35，在其中建立展開(kāi)的相位角。展開(kāi)處理從這樣的假定開(kāi)始，該假定認(rèn)為起始相位角θCA＝θa是不模糊的。如此建立展開(kāi)整數(shù)mB，從而|TBTAθA-(θB+2mOAπ)|<π]]>因此，θB＝θCB+2mBπ。同樣地，如此建立展開(kāi)整數(shù)mC，從而|TCTBθB-(θCC+2mCπ)|<π]]>因此，θC＝θCC+2mCπ。
代表三個(gè)展開(kāi)相位角的信號(hào)被耦合到平均最小二乘擬合處理器37，其中對(duì)直線49作平均最小二乘擬合，該直線49代表對(duì)于相位角θA、θB和θC，相位角對(duì)延遲時(shí)間的關(guān)系，相位角θA、θB和θC。
對(duì)于θA1＝θCA+2π重復(fù)進(jìn)行展開(kāi)處理。選擇新的mB和mC的值，以產(chǎn)生一組新的相位值θA1、θB1和θC1。此過(guò)程可推廣如下令θKA＝θCA+2kπ；k＝0，±1，±2，……。對(duì)每個(gè)k值，找出從計(jì)算得到的值θCA、θCB和θCC得到一組展開(kāi)的相位θKA、θKB和θKC的展開(kāi)整數(shù)mKB和mKC。圖8中的直線49、51和53分別是對(duì)k＝0、1和2的θKA、θKB和θKC對(duì)于直線的平均最小二乘擬合。
繼續(xù)參考圖5和8。代表每個(gè)均方誤差直線的信號(hào)和從中導(dǎo)出直線的相位角被耦合到RMS誤差估算器39，它估算擬合每條直線的總均方誤差。這由如上所述分別確定相應(yīng)于θKA、θKB和θKB偏離構(gòu)成的每條線的偏離誤差εKA、εKB和εKC而實(shí)現(xiàn)。給出的總均方誤差ξK為ξK=ϵKA2+ϵKB2+ϵKC2]]>這里k＝0，±1，±2。
如此確定的RMS誤差被耦合到直線選擇器41，它比較這些RMS誤差并選出相應(yīng)于具有最小RMS誤差的k值的直線，作為代表正確相位角對(duì)延遲時(shí)間的直線并用于算得的模2π自相關(guān)相位角。被選出的直線函數(shù)耦合到速度確定器43，在其中確定被選出直線的斜率nk，并從下式建立不模糊速度vuvu=nkλ4π]]>把來(lái)自速度確定器的后散射物速度耦合到速度描繪器45，該描繪器可提供速度對(duì)距離的圖。
現(xiàn)在參考圖9A和9B。圖9A示出具有均勻脈沖間間隔的波形55?？梢宰C明，將上述過(guò)程加到均勻脈沖序列TA＝TB＝TC的不能消除多普勒模糊。應(yīng)記住，R(0)的輻角是零。在一無(wú)噪聲的環(huán)境中，對(duì)于均勻脈沖重復(fù)間隔T的θ(τ)的值可寫為θ(2T)＝2θ(T)θ(3T)＝3θ(T)很容易證明θk(T)、θk(2T)和θk(3T)落在一直線上，該直線的斜率是選出的整數(shù)k的函數(shù)。圖9B示出其上落有θ0(T)、θ0(2T)和θ0(3T)的對(duì)于k＝0的直線57，以及其上落有θ1(T)、θ1(2T)和θ1(3T)的直線59。這等于說(shuō)，不能從θ(T)、θ(2T)和θ(3T)的值明確地確定k的值。因此，當(dāng)反射雷達(dá)目標(biāo)的所期望的徑向速度范圍超出Nyquist間隔，即|2v/λ|＞1/(2T)時(shí)，具有均勻脈沖重復(fù)頻率的脈沖序列是固有模糊的。
參考圖4B和4C可進(jìn)一步說(shuō)明周期性波形不能消除多普勒模糊，通過(guò)每條頻譜線乘以2πT可把這些圖從頻域轉(zhuǎn)換到相位域。頻譜線fn與fn+1之間相位角之差2πfn+1T-2πfnT是2π。此外，在圖4B中2π(fn-1+Δf0)T和2π(fn+Δf0)T之間的相位差以及2π(fn-Δf0)T和2π(fn+1-Δf0)T之間的相位差也是2π。這樣，把2kπ加到自相關(guān)的相位角(即多普勒頻移的相位角)中，就能重復(fù)譜線相移的關(guān)系。
當(dāng)使用兩個(gè)或多個(gè)脈沖重復(fù)時(shí)，可消除由fd＝(2v)/λ＜1/(2T)引起的相移?？紤]兩個(gè)交替的脈沖重復(fù)間隔TA和TB，這里TA＜TB且TA≠kTB，這里k是一個(gè)整數(shù)。對(duì)于所期望的要測(cè)量速度的范圍，假定相應(yīng)于TA的Nyquist間隔是模糊的，但相應(yīng)于(TB-TA)的Nyquist間隔是不模糊的。如果θA＝θCA+2kπ，則θB＝TB/TA(θA+2kπ)。如果企圖使直線通過(guò)原點(diǎn)、θA和θB，則只有一個(gè)k值能夠滿足，只要該直線相應(yīng)于引起多普勒頻移的速度，該多普勒速度在相應(yīng)于(TB-TA)的Nyquist間隔內(nèi)。噪聲和隨機(jī)波動(dòng)的存在使得θA和θB之間的關(guān)系近似于實(shí)際，即θB≈(TA/TB)?？梢宰C明，可獲得的最大不模糊多普勒頻率為fDM=±1T2-T1]]>。這樣可確定最大速度為Vm=±λ2(T2-T1)]]>。
為了把在平均最小二乘意義下的直線對(duì)于數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確擬合引起的去混疊(dealiasing)誤差減到最少，對(duì)于TA＜TB＜TC，可使用附加的脈沖重復(fù)間隔，這里(TB-TA)和(TC-TB)相應(yīng)于對(duì)所期望的要測(cè)量速度范圍不模糊的Nyquist間隔。在平均最小二乘意義下，需要所有3個(gè)點(diǎn)落在通過(guò)原點(diǎn)的直線上，這減少了存在噪聲和過(guò)程波動(dòng)時(shí)誤差的幾率。
在進(jìn)行了平均最小二乘擬合后，很顯然，在所有通過(guò)原點(diǎn)(0，0)的直線中，直線51具有最小的RMS誤差，它是用于被處理數(shù)據(jù)的輻角對(duì)延遲時(shí)間的函數(shù)，其斜率是可確定目標(biāo)速度的多普勒頻移頻率。
參考圖10A和10B，將給出如何消除相位模糊的一個(gè)例子，此時(shí)對(duì)于自相關(guān)函數(shù)的所有延遲時(shí)間的相位是模糊的。用三個(gè)延遲時(shí)間T1、T2和T3對(duì)自相關(guān)函數(shù)抽樣。如圖10A所示；實(shí)際相位角θA(T1)大于π，從而通過(guò)自相關(guān)過(guò)程算得的相位角是角θC(T1)，它是一個(gè)小于π的負(fù)角；實(shí)際相位角θA(T2)在2π和3π之間，從而通過(guò)自相關(guān)過(guò)程算得的相位角θC(T2)是一個(gè)小于π的正角；實(shí)際相位角θA(T3)在4π和5π之間，從而通過(guò)自相關(guān)過(guò)程計(jì)算得到的相位角θA(T3)是一個(gè)小于π的正角。假定進(jìn)行無(wú)噪聲過(guò)程，圖10B示出對(duì)k＝1算得的相位角θC(T1)、θC(T2)和θC(T3)以及展開(kāi)相位θ1(T1)、θ1(T2)和θ1(T3)；對(duì)k＝2算得的相位角θ1(T1)、θ1(T2)和θ1(T3)；對(duì)k＝-1計(jì)算得到的相位角θ(-1)(T1)、θ(-1)(T2)和θ(-1)(T3)。相位θ1(T1)、θ1(T2)和θ1(T3)以及點(diǎn)(0，0)都落在相應(yīng)于k＝1的直線上，而通過(guò)相應(yīng)于k＝0、k＝2和k＝-1的三組相位角都不能畫出通過(guò)點(diǎn)(0，0)的直線。結(jié)果，θA(T1)、θA(T2)和θA(T3)分別相應(yīng)于θ1(T1)、θ1(T2)和θ1(T3)，對(duì)于k＝1的直線的斜率等于ωD。
雖然上面給出的說(shuō)明利用對(duì)于三個(gè)延遲時(shí)間的自相關(guān)的輻角，但這不是限制。以確定建立多普勒頻移所用的直線斜率所述的方式可以利用對(duì)于兩個(gè)或多個(gè)延遲時(shí)間的自相關(guān)的輻角。
眾所周知，可從零延遲時(shí)間自相關(guān)函數(shù)R(0)確定后散射物的反射率。值I和Q可耦合到提供后散射物反射率對(duì)距離的圖的反射率描繪器47，從而以公知的方式利用I和Q值來(lái)獲得R(0)。
雖然在較佳實(shí)施例中描述了本發(fā)明，但應(yīng)理解其中所使用的詞是為了說(shuō)明而不是限制，可在所附的權(quán)利要求書(shū)的范圍內(nèi)在進(jìn)行改變，而不背離本發(fā)明在較寬方面真實(shí)范圍和精神。
權(quán)利要求
1.一種多普勒雷達(dá)，具有用于發(fā)射脈沖調(diào)制信號(hào)的穩(wěn)頻發(fā)射機(jī)以及用于接收雷達(dá)回波信號(hào)的接收機(jī)，其特征在于還包括耦合到所述發(fā)射機(jī)的波形發(fā)生裝置，所述波形發(fā)生裝置用于提供周期性調(diào)制波形，每個(gè)周期包括多個(gè)其間有不等間隔的脈沖，從而使周期性脈沖調(diào)制輻射信號(hào)的每個(gè)周期具有多個(gè)其間間隔不等的輻射脈沖調(diào)制信號(hào)；耦合到所述接收機(jī)的相關(guān)裝置，所述相關(guān)裝置用于對(duì)回波的雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行自相關(guān)，用于所述自相關(guān)的延遲時(shí)間等于所述周期中所述多個(gè)脈沖之間的所述不等間隔，所述相關(guān)裝置也用于提供代表所述自相關(guān)的信號(hào)，所述自相關(guān)具有一幅度和一相位；以及耦合來(lái)接收所述代表自相關(guān)信號(hào)的多普勒頻移裝置，所述多普勒頻率裝置用于提供代表所述回波雷達(dá)信號(hào)的多普勒頻移的信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的多普勒雷達(dá)，其特征在于所述多普勒頻移裝置包括耦合來(lái)接收所述代表自相關(guān)信號(hào)的裝置，所述裝置用于提供代表所述自相關(guān)的所述相位角的信號(hào)；以及耦合來(lái)接收所述代表相位角信號(hào)的頻移裝置，所述頻移裝置用于提供代表所述多普勒頻移的信號(hào)。
3.如權(quán)利要求2所述的多普勒雷達(dá)，其特征在于所述相位角裝置包括耦合來(lái)接收所述代表相位角信號(hào)的裝置，所述裝置用于選擇一k值，并把2kπ，k＝0，±1，±2，±3、…，加到第一相位角θC(T1)，以獲得代表第一相位角輻角的信號(hào)，所述第一相位角θC(T1)是對(duì)延遲時(shí)間T1自相關(guān)的所述相位角；耦合到所述相關(guān)裝置以接收至少一個(gè)自相關(guān)相位角θC(Tj)的裝置，這些自相關(guān)相位角分別是對(duì)延遲時(shí)間Tj，j≠1獲得的，所述裝置用于對(duì)每個(gè)相位角θC(Tj)確定整數(shù)mkj，這里mkj由下式來(lái)確定|TjTj-1θ'kC(Tj-1)-(θkC(Tj)+2mkjπ)|<π]]>所述裝置還用于提供代表所述至少一個(gè)相位角輻角θC’(Tj)＝θC(Tj)+2mkjπ的信號(hào)；耦合來(lái)接收所述代表第一相位角輻角信號(hào)和所述至少一個(gè)代表相位角輻角的信號(hào)的直線裝置，所述直線裝置用于對(duì)每個(gè)被選的k值確定所述第一相位角最小輻角和所述至少一個(gè)相位角輻角對(duì)一通過(guò)原點(diǎn)的直線的平均最小二乘擬合，所述原點(diǎn)是相位角對(duì)延遲時(shí)間坐標(biāo)系統(tǒng)的原點(diǎn)，所述直線裝置還用于提供分別代表相應(yīng)于所述k值的所述直線的信號(hào)；耦合來(lái)接收所述代表第一相位角輻角的信號(hào)、所述至少一個(gè)代表相位角輻角的信號(hào)，以及代表所述直線的信號(hào)的估算裝置，所述估算裝置用于確定所述第一相位角輻角的和所述至少一個(gè)相位角輻角對(duì)所述每條直線均方根(RMS)偏離誤差，以及用一小于所有其它直線RMS偏離誤差的RMS偏離誤差來(lái)選出所述直線中的一條，這樣提供具有最小RMS偏離誤差的被選出的直線，所述被選出的直線具有代表多普勒頻移頻率的斜率，所述多普勒頻移頻率是由一發(fā)出雷達(dá)回波信號(hào)的散射物的速度引起的，所述估算裝置還用于提供一代表所述被選出直線的信號(hào)；以及耦合來(lái)接收所述代表被選出直線信號(hào)的斜率裝置，所述斜率裝置用于確定所述斜率并提供代表該斜率的信號(hào)。
4.如權(quán)利要求3所述的多普勒雷達(dá)，其特征在于還包括耦合到所述斜率裝置的裝置，所述裝置用于由所述斜率確定所述散射物的速度。
5.一種確定移動(dòng)目標(biāo)速度的方法，其特征在于包括以下步驟輻射一經(jīng)周期性波形調(diào)制的信號(hào)，所述周期性波形的每個(gè)周期包括多個(gè)其間為不等間隔的脈沖；使用等于所述不等間隔的延遲時(shí)間對(duì)來(lái)自所述目標(biāo)的后散射回波進(jìn)行自相關(guān)，以對(duì)等于所述不等間隔的延遲時(shí)間獲得所述接收到的后散射回波的自相關(guān)，每個(gè)所述自相關(guān)都具有一幅度和一相位；以及利用所述自相關(guān)確定目標(biāo)速度。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述利用步驟包括以下步驟從每個(gè)所述自相關(guān)中提取所述相位角，以提供提取的相位角；以及處理所述提取的相位角，以獲得所述目標(biāo)速度。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述處理步驟包括以下步驟對(duì)選定的k值把2kπ，k＝0，±1，±2，±3，…，加到第一相位角，以獲得第一相位角的輻角，所述第一相位角是對(duì)延遲時(shí)間T1作自相關(guān)的所述相位角；對(duì)于至少一個(gè)自相關(guān)相位角θC(Tj)確定整數(shù)mkj，這些自相關(guān)相位角分別是以延遲時(shí)間Tjj≠1獲得的，及提供代表至少一個(gè)相位角輻角θC’(Tj)＝θC(Tj)+2mkjπ的信號(hào)，這里mkj由下式來(lái)確定|TjTj-1θ'kC(Tj-1)-(θkC(Tj)+2mkjπ)|<π]]>對(duì)于每個(gè)選定的k值，確定所述第一相位角輻角和所述至少一個(gè)相位角輻角對(duì)一直線的平均最小二乘擬合，所述直線通過(guò)相位角對(duì)延遲時(shí)間坐標(biāo)系統(tǒng)的原點(diǎn)，從而提供多條分別相應(yīng)于所述k值的所述直線；對(duì)于每個(gè)所述k值相應(yīng)的直線，計(jì)算所述第一相位角的輻角和所述自變的至少一個(gè)相位角輻角的均方根(RMS)誤差；選出具有一RMS偏離誤差的直線，該RMS偏離誤差小于所有其它k值相應(yīng)直線的RMS偏離誤差，這樣提供一具有最小RMS偏離誤差的選出的直線，所述選出的直線代表對(duì)于延遲時(shí)間的自相關(guān)相位角，并具有代表由所述目標(biāo)速度引起的多普勒頻移的斜率；以及由所述多普勒頻移確定所述目標(biāo)速度。
全文摘要
一種用于消除脈沖多普勒雷達(dá)系統(tǒng)中多普勒頻移模糊的方法和設(shè)備，提供用周期性波形(13)調(diào)制的輻射信號(hào)(11)，所述波形的一個(gè)周期中具有多個(gè)脈沖，脈沖間的間隔不相等。把雷達(dá)目標(biāo)回波用多個(gè)延遲時(shí)間進(jìn)行自相關(guān)(31)。展開(kāi)(35)算得的(33)自相關(guān)函數(shù)的輻角θ
文檔編號(hào)G01S13/22GK1154162SQ95193864
公開(kāi)日1997年7月9日 申請(qǐng)日期1995年6月30日 優(yōu)先權(quán)日1994年6月30日
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