1、 工程設計作業(yè) 關于雷達測速原理及其實際應用的研究 班級：020831 學號：02083050 姓名：陳彥武關于雷達測速原理及其實際應用的研究一 雷達測速原理: 雷達英文為RADAR, 是 Radio Detection And Ranging 的縮寫. 為目前偵測移動物體最普遍的方法. 雷達測速的基本原理是應用都卜勒 Doppler 效應, 利用持續(xù)不斷發(fā)射出電波的裝置，對著物體發(fā)射出電波, 當無線電波在行進的過程中, 碰到物體時被反射, 而且其反彈回來的電波波長會隨著所碰到的物體的移動狀態(tài)而改變. 經(jīng)由計算之后, 便可得知該物體與雷達之間相對移動速度. 若無線電波所碰到的物體是固定不動的,

2、 那么所反彈回來的無線電波其波長是不會改變的. 但若物體是朝著無線電線發(fā)射的方向前進時, 此時所反彈回來的無線電波其波長會發(fā)生變化, 借于反彈回來的無淺電波波長所產(chǎn)生的變化, 便可以依特定比例關系經(jīng)由計算之后, 便可得知該移動物體與雷達之間物體的相對移動速度. (PS: 此原理初級物理學當中有公式可以計算) 1 雷達測速儀 雷達測速的原理是應用多普勒效應, 因此, 具有以下特點: ( 1) 雷達波束比激光光束的照射面大, 因此雷達測速易于捕捉目標, 無須精確瞄準。 ( 2) 雷達測速設備可安裝在巡邏車上, 能夠在運動中實現(xiàn)車速檢測, 是“移動電子警察”非常重要的組成部分。 ( 3) 雷達固定測

3、速誤差為±1km/h, 運動時測速誤差為±2km/h, 完全可以滿足對交通違章查處的要求。 ( 4) 雷達發(fā)射的電磁波波束有一定的張角, 因此有效測速距離相對于激光測速較近, 最遠測速距離為800m( 針對大車) 。 ( 5) 雷達測速儀技術成熟, 價格適中。 ( 6) 雷達測速儀發(fā)射波束的張角是一個很重要的技術指標。張角越大, 測速準確率越易受影響; 反之, 則影響較小。 雷達測速儀以其價格便宜、測速準確、使用方便和在運動中能夠?qū)崿F(xiàn)檢測車速, 被公安交管部門作為判斷是否超速并進行處罰的首選工具。 毫米波測速雷達系統(tǒng)原理圖2 雷射測速與雷達測速區(qū)別 雷達為利用無線電回波以探

4、測目標方向和距離的一種裝置。雷達為英文Radar一字之譯音，該字系由Radio Detection And Ranging一語中諸字前綴縮寫而成，為無線電探向與測距之意。全世界開始熟悉雷達是在1940年的不列顛空戰(zhàn)中，七百架載有雷達的英國戰(zhàn)斗機，擊敗兩千架來襲的德國轟炸機，因而改寫了歷史。二次大戰(zhàn)后，雷達開始有許多和平用途。在天氣預測方面，它能用來偵測暴風雨；在飛機輪船航行安全方面，它可幫助領港人員及機場航管人員更有效地完成他們的任務。 雷達工作原理與聲波之反射情形極類似，差別只在于其所使用之波為一頻率極高之無線電波，而非聲波。雷達之發(fā)射機相當于喊叫聲之聲帶，發(fā)出類似喊叫聲之電脈沖（Pulse

5、），雷達之指向天線猶如喊話筒，使電脈沖之能量，能集中某一方向發(fā)射。接收機之作用則與人耳相仿，用以接收雷達發(fā)射機所發(fā)出電脈沖之回波。 測速雷達主要系利用都卜勒效應（Doppler Effect）原理：當目標向雷達天線*近時，反射信號頻率將高于發(fā)射機頻率；反之，當目標遠離天線而去時，反射信號頻率將低于發(fā)射機率。如此即可借由頻率的改變數(shù)值，計算出目標與雷達的相對速度。 雷射的英文為Laser，這個字是由Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的第一個字母縮寫而成，意思是指，經(jīng)由激發(fā)放射來達到光的放大作用。雷射所激發(fā)出來的光，其光子

6、大小與運動方向皆相同，因此每個波束的頻率都相等，再加上它們一束束緊密地排列著，彼此間分毫不差地互相平行，使整個光束發(fā)射至極遠處也不會散開來。在一九六二年的實驗中發(fā)現(xiàn)，從地球發(fā)射的雷射光在經(jīng)過近四十萬公里的太空之旅后，只在月球表面上投射出一片約三公里直徑大小的圓而已！此特性使得雷射在焊接、切割、雕刻、穿洞等加工與醫(yī)學（眼科、牙科、腫瘤）之應用更為廣泛。 測速雷射種類于固態(tài)雷射中的半導體雷射。雷射測速設備采用紅外線半導體雷射二極管。雷射二極管有幾個特點使它極適合用來量測速度： 1. 雷射二極管自微小范圍中發(fā)射出極窄的光束，此一狹窄光束才能精確地瞄準目標。 2. 雷射二極管以小于十億分之一秒的瞬間切

7、換開關，大大提高精確度。 3. 雷射二極管發(fā)射率很窄，其偵測器極易接收到精確的波長；因此在日間有強烈陽光時，仍能正常操作。 4. 雷射二極管只發(fā)射電磁光譜中的紅外線部分；而紅外線系眼睛看不見的，不會影響駕駛人的注意力。 雷射測速槍以量測紅外線光波傳送時間來決定速度。由于光速是固定，激光脈沖傳送到目標再折返的時間會與距離成正比。以固定間隔發(fā)射兩個脈沖，即可測得兩個距離；將此二距離之差除以發(fā)射時間間隔即可得到目標的速度。理論上，發(fā)射兩次脈沖即可量測速度；實務上，為避免錯誤，一般雷射測速器（槍）在瞬間發(fā)射高達七組的脈沖波，自以最小平方法求其平均值，去計算目標速度。 雷射測速原理: 目前較先進的測速系

8、統(tǒng)乃是利用雷射來測速, 英文為 LIDAR 是 Light Infrared Detection And Ranging 的縮寫. 通常這類的雷射光都是使用一級不可見光的紅外線, 其精確度及可*度都遠超過傳統(tǒng)的電波式雷達. 雷射測速的原理與雷達電波的都卜勒原理不同, 而是利用雷射光的多次碰撞移動物體以后計算移動物體于特定時間內(nèi)移動的距離, 利用時間差與物體移動的距離即可計算物體與測速系統(tǒng)的相對移動速度. 3 舉例來說 : LIDAR 裝置以 15Hz 的頻率運作(每秒15次), 而光速是 30萬/sec, 當?shù)谝淮卫咨涔馐l(fā)射出去后, 經(jīng)過 0. sec 后再反射回來, 所以第一次雷射光經(jīng)反彈

9、來回所走的距離為 300,000,000 (m/s) x 0.(s) = 399(m)公尺, 雷射系統(tǒng)與車輛的距離必須除以 2, 相對距離為 399/2 = 199.5 m. 經(jīng)過 1/15 秒后，第二次雷射光束再對移動當中的車輛測量相對距離, 經(jīng)過 0. sec 后再被車輛反射回來, 利用上述方法計算, 此時雷射系統(tǒng)與車輛距離為 198.75。利用兩次特定時間內(nèi) (1/15 sec), 車輛瞬間移動 199.5-198.75=0.75m 換算, 所以車輛速度為 40.5Km/h. 而雷射測速系統(tǒng)必須在連續(xù)偵測到2到3次相似的速度時, 才確定此為該車的速度, 這也就是為什么使用雷射測速裝置,

10、只需要0.3秒的時間來鎖定您的車速的原因了.二 測速雷達應用技術 1 多普勒雷達就是利用多普勒效應進行定位，測速，測距等工作的雷達。所謂多普勒效應就是，當聲音，光和無線電波等振動源與觀測者以相對速度V相對運動時，觀測者所收到的振動頻率與振動源所發(fā)出的頻率有所不同。因為這一現(xiàn)象是奧地利科學家多普勒最早發(fā)現(xiàn)的，所以稱之為多普勒效應。由多普勒效應所形成的頻率變化叫做多普勒頻移，它與相對速度V成正比，與振動的頻率成反比。 脈沖多普勒雷達是利用多普勒效應制成的雷達。1842年，奧地利物理學家C·多普勒發(fā)現(xiàn)波源和觀測者的相對運動會使觀測到的頻率發(fā)生變化，這種現(xiàn)象被稱為多普勒效應。 脈沖多普勒雷達

11、的工作原理可表述如下：當雷達發(fā)射一固定頻率的脈沖波對空掃描時，如遇到活動目標，回波的頻率與發(fā)射波的頻率出現(xiàn)頻率差，稱為多普勒頻率。根據(jù)多普勒頻率的大小，可測出目標對雷達的徑向相對運動速度；根據(jù)發(fā)射脈沖和接收的時間差，可以測出目標的距離。同時用頻率過濾方法檢測目標的多普勒頻率譜線，濾除干擾雜波的譜線，可使雷達從強雜波中分辨出目標信號。所以脈沖多普勒雷達比普通雷達的抗雜波干擾能力強，能探測出隱蔽在背景中的活動目標。 脈沖多普勒雷達于20世紀60年代研制成功并投入使用。20世紀70年代以來，隨著大規(guī)模集成電路和數(shù)字處理技術的發(fā)展，脈沖多普勒雷達廣泛用于機載預警、導航、導彈制導、衛(wèi)星跟蹤、戰(zhàn)場偵察、靶

12、場測量、武器火控和氣象探測等方面，成為重要的軍事裝備。裝有脈沖多普勒雷達的預警飛機，已成為對付低空轟炸機和巡航導彈的有效軍事裝備。此外，這種雷達還用于氣象觀測，對氣象回波進行多普勒速度分辨，可獲得不同高度大氣層中各種空氣湍流運動的分布情況。 機載火控系統(tǒng)用的主要是脈沖多普勒雷達。如美國戰(zhàn)機裝備的 A P G68雷達，代表了機載脈沖多普勒火控雷達的先進水平。它有18種工作方式，可對空中、地面和海上目標邊搜索邊跟蹤，抗干擾性能好，當飛機在低空飛行時，還可引導飛機跟蹤地形起伏，以避免與地面相撞。這種雷達體積小，重量輕，可靠性高。 機載脈沖多普勒雷達主要由天線、發(fā)射機、接收機、伺服系統(tǒng)、數(shù)字信號處理機

13、、雷達數(shù)據(jù)處理機和數(shù)據(jù)總線等組成。機載脈沖多普勒雷達通常采用相干體制，有著極高的載頻穩(wěn)定度和頻譜純度以及極低的天線旁瓣，并采取先進的數(shù)字信號處理技術。脈沖多普勒雷達通常采用較高以及多種的重復頻率和多種發(fā)射信號形式，以在數(shù)據(jù)處理機中利用代數(shù)方法，并可應用濾波理論在數(shù)據(jù)處理機中對目標坐標數(shù)據(jù)作進一步濾波或預測。脈沖多普勒雷達具有下列特點：采用可編程序信號處理機，以增大雷達信號的處理容量、速度和靈活性，提高設備的復用性，從而使雷達能在跟蹤的同時進行搜索并能改變或增加雷達的工作狀態(tài)，使雷達具有對付各種干擾的能力和超視距的識別目標的能力；采用可編程序柵控行波管，使雷達能工作在不同脈沖重復頻率，具有自適應

14、波形的能力，能根據(jù)不同的戰(zhàn)術狀態(tài)選用低、中或高三種脈沖重復頻率的波形，并可獲得各種工作狀態(tài)的最佳性能；采用多普勒波束銳化技術獲得高分辨率，在空對地應用中可提供高分辨率的地圖測繪和高分辨率的局部放大測繪。2 利用多普勒頻率變化技術來測量移動車輛的速度。這項技術是基于多普勒原理建立起來的，即雷達把微波發(fā)射到一個移動的物體上時，將會反射回一個與目標速度成比例的雷達信號，內(nèi)部的線圈將該信號進行處理后得到一個頻率的變化，通過DSP（數(shù)字信號處理）技術處理后便得到目標速度。不論駛近的車輛還是遠離的車輛都會產(chǎn)生頻率變化，因此，任何方向的車輛都會被測量到速度。測速雷達系列產(chǎn)品在世界發(fā)達國家的應用狀況：世界發(fā)達

15、國家的 測速裝備比較完善。針對不同的地區(qū)、地勢及環(huán)境，他們都配有相應的測速產(chǎn)品。無論固定測量還是移動測量、手動測量還是自動測量，都有一定的普及度。例如在高速公路上，既有固定地點進行速度監(jiān)測，也有許多巡邏車穿梭于公路間進行移動測量。再如在學校附近的路段，大多數(shù)都安裝了速度顯示牌，時時對過往車輛進行監(jiān)測并對其提醒，從而保證學生的安全。3 測量應用中的先進技術： 最快速度跟蹤技術當雷達正在測量一輛目標車速度時，有一輛更快的車駛來，最快速度跟蹤技術的出現(xiàn)不但讓操作者可以繼續(xù)對目標車進行跟蹤測量，同時雷達還將顯示更快車的速度。 數(shù)字天線通訊技術數(shù)字天線通訊技術的出現(xiàn)不但提高了雷達抗干擾的能力，同時大大提

16、高了雷達測量的準確性。比如斯德克DSR型雷達，它的每一個天線實際上有兩套微波線圈和兩套A/D轉換線圈。這兩個微波線圈成90度方向同時提供多普勒信號。在計算單元內(nèi)，所有通道的數(shù)字化多普勒信息被送到DSP線圈。每個高速的DSP線圈于是便對每一個通道的信息進行綜合的“傅立葉快速變換”，以獲得每一個目標的方向。 同車道技術 對于測速難題中講到的同車道測量難點，最新技術的出現(xiàn)已不再需要操作者用眼睛估計和手工輸入“較快”和“較慢”目標以便計算目標車讀數(shù)，雷達能夠自動識別巡邏車前的車速快慢并將目標車速度計算出來，這使得同一車道的操作跟相反車道模式操作同樣精確和簡單。 方向感應技術先進的方向感應技術允許操作者去選擇特定的交通方向進行監(jiān)控。不論目標車是不是距離的最近車輛，也不論它是同一車道還是相反車道，雷達都可自動對其進行速度測量并顯示其相關信息。 這些技術目前的使用情況 目前世界發(fā)達國家的測速裝備比較先進，象“DSP技術”在90年代初就已經(jīng)開始用