雷达测速原理及其实际应用的研究.doc

工程设计作业 关于雷达测速原理及其实际应用的研究 班级：020831 学号：02083050 姓名：陈彦武关于雷达测速原理及其实际应用的研究一 雷达测速原理: 雷达英文为RADAR, 是 Radio Detection And Ranging 的缩写. 为目前侦测移动物体最普遍的方法. 雷达测速的基本原理是应用都卜勒 Doppler 效应, 利用持续不断发射出电波的装置，对着物体发射出电波, 当无线电波在行进的过程中, 碰到物体时被反射, 而且其反弹回来的电波波长会随着所碰到的物体的移动状态而改变. 经由计算之后, 便可得知该物体与雷达之间相对移动速度. 若无线电波所碰到的物体是固定不动的, 那么所反弹回来的无线电波其波长是不会改变的. 但若物体是朝着无线电线发射的方向前进时, 此时所反弹回来的无线电波其波长会发生变化, 借于反弹回来的无浅电波波长所产生的变化, 便可以依特定比例关系经由计算之后, 便可得知该移动物体与雷达之间物体的相对移动速度. (PS: 此原理初级物理学当中有公式可以计算) 1 雷达测速仪 雷达测速的原理是应用多普勒效应, 因此, 具有以下特点: ( 1) 雷达波束比激光光束的照射面大, 因此雷达测速易于捕捉目标, 无须精确瞄准。 ( 2) 雷达测速设备可安装在巡逻车上, 能够在运动中实现车速检测, 是“移动电子警察”非常重要的组成部分。 ( 3) 雷达固定测速误差为1km/h, 运动时测速误差为2km/h, 完全可以满足对交通违章查处的要求。 ( 4) 雷达发射的电磁波波束有一定的张角, 因此有效测速距离相对于激光测速较近, 最远测速距离为800m( 针对大车) 。 ( 5) 雷达测速仪技术成熟, 价格适中。 ( 6) 雷达测速仪发射波束的张角是一个很重要的技术指标。张角越大, 测速准确率越易受影响; 反之, 则影响较小。 雷达测速仪以其价格便宜、测速准确、使用方便和在运动中能够实现检测车速, 被公安交管部门作为判断是否超速并进行处罚的首选工具。 毫米波测速雷达系统原理图2 雷射测速与雷达测速区别 雷达为利用无线电回波以探测目标方向和距离的一种装置。雷达为英文Radar一字之译音，该字系由Radio Detection And Ranging一语中诸字前缀缩写而成，为无线电探向与测距之意。全世界开始熟悉雷达是在1940年的不列颠空战中，七百架载有雷达的英国战斗机，击败两千架来袭的德国轰炸机，因而改写了历史。二次大战后，雷达开始有许多和平用途。在天气预测方面，它能用来侦测暴风雨；在飞机轮船航行安全方面，它可帮助领港人员及机场航管人员更有效地完成他们的任务。 雷达工作原理与声波之反射情形极类似，差别只在于其所使用之波为一频率极高之无线电波，而非声波。雷达之发射机相当于喊叫声之声带，发出类似喊叫声之电脉冲（Pulse），雷达之指向天线犹如喊话筒，使电脉冲之能量，能集中某一方向发射。接收机之作用则与人耳相仿，用以接收雷达发射机所发出电脉冲之回波。 测速雷达主要系利用都卜勒效应（Doppler Effect）原理：当目标向雷达天线*近时，反射信号频率将高于发射机频率；反之，当目标远离天线而去时，反射信号频率将低于发射机率。如此即可借由频率的改变数值，计算出目标与雷达的相对速度。 雷射的英文为Laser，这个字是由Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的第一个字母缩写而成，意思是指，经由激发放射来达到光的放大作用。雷射所激发出来的光，其光子大小与运动方向皆相同，因此每个波束的频率都相等，再加上它们一束束紧密地排列着，彼此间分毫不差地互相平行，使整个光束发射至极远处也不会散开来。在一九六二年的实验中发现，从地球发射的雷射光在经过近四十万公里的太空之旅后，只在月球表面上投射出一片约三公里直径大小的圆而已！此特性使得雷射在焊接、切割、雕刻、穿洞等加工与医学（眼科、牙科、肿瘤）之应用更为广泛。 测速雷射种类于固态雷射中的半导体雷射。雷射测速设备采用红外线半导体雷射二极管。雷射二极管有几个特点使它极适合用来量测速度： 1. 雷射二极管自微小范围中发射出极窄的光束，此一狭窄光束才能精确地瞄准目标。 2. 雷射二极管以小于十亿分之一秒的瞬间切换开关，大大提高精确度。 3. 雷射二极管发射率很窄，其侦测器极易接收到精确的波长；因此在日间有强烈阳光时，仍能正常操作。 4. 雷射二极管只发射电磁光谱中的红外线部分；而红外线系眼睛看不见的，不会影响驾驶人的注意力。 雷射测速枪以量测红外线光波传送时间来决定速度。由于光速是固定，激光脉冲传送到目标再折返的时间会与距离成正比。以固定间隔发射两个脉冲，即可测得两个距离；将此二距离之差除以发射时间间隔即可得到目标的速度。理论上，发射两次脉冲即可量测速度；实务上，为避免错误，一般雷射测速器（枪）在瞬间发射高达七组的脉冲波，自以最小平方法求其平均值，去计算目标速度。 雷射测速原理: 目前较先进的测速系统乃是利用雷射来测速, 英文为 LIDAR 是 Light Infrared Detection And Ranging 的缩写. 通常这类的雷射光都是使用一级不可见光的红外线, 其精确度及可*度都远超过传统的电波式雷达. 雷射测速的原理与雷达电波的都卜勒原理不同, 而是利用雷射光的多次碰撞移动物体以后计算移动物体于特定时间内移动的距离, 利用时间差与物体移动的距离即可计算物体与测速系统的相对移动速度. 3 举例来说 : LIDAR 装置以 15Hz 的频率运作(每秒15次), 而光速是 30万/sec, 当第一次雷射光束发射出去后, 经过 0.000001333 sec 后再反射回来, 所以第一次雷射光经反弹来回所走的距离为 300,000,000 (m/s) x 0.000001333(s) = 399(m)公尺, 雷射系统与车辆的距离必须除以 2, 相对距离为 399/2 = 199.5 m. 经过 1/15 秒后，第二次雷射光束再对移动当中的车辆测量相对距离, 经过 0.000001325 sec 后再被车辆反射回来, 利用上述方法计算, 此时雷射系统与车辆距离为 198.75。利用两次特定时间内 (1/15 sec), 车辆瞬间移动 199.5-198.75=0.75m 换算, 所以车辆速度为 40.5Km/h. 而雷射测速系统必须在连续侦测到2到3次相似的速度时, 才确定此为该车的速度, 这也就是为什么使用雷射测速装置, 只需要0.3秒的时间来锁定您的车速的原因了.二 测速雷达应用技术 1 多普勒雷达就是利用多普勒效应进行定位，测速，测距等工作的雷达。所谓多普勒效应就是，当声音，光和无线电波等振动源与观测者以相对速度V相对运动时，观测者所收到的振动频率与振动源所发出的频率有所不同。因为这一现象是奥地利科学家多普勒最早发现的，所以称之为多普勒效应。由多普勒效应所形成的频率变化叫做多普勒频移，它与相对速度V成正比，与振动的频率成反比。 脉冲多普勒雷达是利用多普勒效应制成的雷达。1842年，奥地利物理学家C多普勒发现波源和观测者的相对运动会使观测到的频率发生变化，这种现象被称为多普勒效应。 脉冲多普勒雷达的工作原理可表述如下：当雷达发射一固定频率的脉冲波对空扫描时，如遇到活动目标，回波的频率与发射波的频率出现频率差，称为多普勒频率。根据多普勒频率的大小，可测出目标对雷达的径向相对运动速度；根据发射脉冲和接收的时间差，可以测出目标的距离。同时用频率过滤方法检测目标的多普勒频率谱线，滤除干扰杂波的谱线，可使雷达从强杂波中分辨出目标信号。所以脉冲多普勒雷达比普通雷达的抗杂波干扰能力强，能探测出隐蔽在背景中的活动目标。 脉冲多普勒雷达于20世纪60年代研制成功并投入使用。20世纪70年代以来，随着大规模集成电路和数字处理技术的发展，脉冲多普勒雷达广泛用于机载预警、导航、导弹制导、卫星跟踪、战场侦察、靶场测量、武器火控和气象探测等方面，成为重要的军事装备。装有脉冲多普勒雷达的预警飞机，已成为对付低空轰炸机和巡航导弹的有效军事装备。此外，这种雷达还用于气象观测，对气象回波进行多普勒速度分辨，可获得不同高度大气层中各种空气湍流运动的分布情况。 机载火控系统用的主要是脉冲多普勒雷达。如美国战机装备的 A P G68雷达，代表了机载脉冲多普勒火控雷达的先进水平。它有18种工作方式，可对空中、地面和海上目标边搜索边跟踪，抗干扰性能好，当飞机在低空飞行时，还可引导飞机跟踪地形起伏，以避免与地面相撞。这种雷达体积小，重量轻，可靠性高。 机载脉冲多普勒雷达主要由天线、发射机、接收机、伺服系统、数字信号处理机、雷达数据处理机和数据总线等组成。机载脉冲多普勒雷达通常采用相干体制，有着极高的载频稳定度和频谱纯度以及极低的天线旁瓣，并采取先进的数字信号处理技术。脉冲多普勒雷达通常采用较高以及多种的重复频率和多种发射信号形式，以在数据处理机中利用代数方法，并可应用滤波理论在数据处理机中对目标坐标数据作进一步滤波或预测。脉冲多普勒雷达具有下列特点：采用可编程序信号处理机，以增大雷达信号的处理容量、速度和灵活性，提高设备的复用性，从而使雷达能在跟踪的同时进行搜索并能改变或增加雷达的工作状态，使雷达具有对付各种干扰的能力和超视距的识别目标的能力；采用可编程序栅控行波管，使雷达能工作在不同脉冲重复频率，具有自适应波形的能力，能根据不同的战术状态选用低、中或高三种脉冲重复频率的波形，并可获得各种工作状态的最佳性能；采用多普勒波束锐化技术获得高分辨率，在空对地应用中可提供高分辨率的地图测绘和高分辨率的局部放大测绘。2 利用多普勒频率变化技术来测量移动车辆的速度。这项技术是基于多普勒原理建立起来的，即雷达把微波发射到一个移动的物体上时，将会反射回一个与目标速度成比例的雷达信号，内部的线圈将该信号进行处理后得到一个频率的变化，通过DSP（数字信号处理）技术处理后便得到目标速度。不论驶近的车辆还是远离的车辆都会产生频率变化，因此，任何方向的车辆都会被测量到速度。测速雷达系列产品在世界发达国家的应用状况：世界发达国家的 测速装备比较完善。针对不同的地区、地势及环境，他们都配有相应的测速产品。无论固定测量还是移动测量、手动测量还是自动测量，都有一定的普及度。例如在高速公路上，既有固定地点进行速度监测，也有许多巡逻车穿梭于公路间进行移动测量。再如在学校附近的路段，大多数都安装了速度显示牌，时时对过往车辆进行监测并对其提醒，从而保证学生的安全。3 测量应用中的先进技术： 最快速度跟踪技术当雷达正在测量一辆目标车速度时，有一辆更快的车驶来，最快速度跟踪技术的出现不但让操作者可以继续对目标车进行跟踪测量，同时雷达还将显示更快车的速度。 数字天线通讯技术数字天线通讯技术的出现不但提高了雷达抗干扰的能力，同时大大提高了雷达测量的准确性。比如斯德克DSR型雷达，它的每一个天线实际上有两套微波线圈和两套A/D转换线圈。这两个微波线圈成90度方向同时提供多普勒信号。在计算单元内，所有通道的数字化多普勒信息被送到DSP线圈。每个高速的DSP线圈于是便对每一个通道的信息进行综合的“傅立叶快速变换”，以获得每一个目标的方向。 同车道技术 对于测速难题中讲到的同车道测量难点，最新技术的出现已不再需要操作者用眼睛估计和手工输入“较快”和“较慢”目标以便计算目标车读数，雷达能够自动识别巡逻车前的车速快慢并将目标车速度计算出来，这使得同一车道的操作跟相反车道模式操作同样精确和简单。 方向感应技术先进的方向感应技术允许操作者去选择特定的交通方向进行监控。不论目标车是不是距离的最近车辆，也不论它是同一车道还是相反车道，雷达都可自动对其进行速度测量并显示其相关信息。 这些技术目前的使用情况 目前世界发达国家的测速装备比较先进，象“DSP技术”在90年代初就已经开始