提高多普勒雷达测速估计精度的方法

第33卷第4期南京理工大学学报(自然科学版)

Journal of Nanjing University of Science and Technol ogy (Natural Science )

Vol . 33No . 4提高多普勒雷达测速估计精度的方法

蔡征宇, 陈文武, 谢仁宏

(南京理工大学电子工程与光电技术学院, 江苏210094)

摘　要:针对连续波多普勒雷达外弹道测速的特点, 勒雷达速度测量精度的问题, 升、, 、测试精度和抗干扰能力, 。利用信号相邻两次截断后的频谱相位。仿真结果和外场试验表明该方法在较低信噪比下, 仍可以得到很高。

关键词:多普勒雷达; 快速傅里叶变换; 频率估计; 线性调整中图分类号:T N 953. 1　　文章编号:1005-9830(2009) 04-0520-04

Esti m ati on Precisi on I mprove mentM ethod of Velocity M easure ment

for Doppler Radar

CA I Zheng 2yu, CHEN W en 2wu, X I E Ren 2hong

(School of Electr onic Engineering and Op t oelectr onic Technol ogy, NUST, Nanjing 210094, China ) Abstract:According t o the feature of exteri or ballistic vel ocity measure ment for continuous wave Dopp ler radar, in order t o s olve the p r oble m that the frequency res oluti on and the sa mp ling frequen 2cy may bring negative effects on the vel ocity measure ment p recisi on, frequency s pectrum analysis based on fast Fourier transf or m is used . A linear adjust m ent method of frequency esti m ati on is p r o 2posed according t o the ascending or descending p rinci p le of target exteri or traject ory . The method i m p r oves the measuring distance and p recisi on and the anti 2ja mm ing ability of the syste m and avoids the appearance of continuously sa me vel ocity fr om inadequate frequency res oluti on . The frequency esti m ati on p recisi on is i m p r oved using the frequency s pectrum phase inf or mati on of adjacent continu 2ous truncati on of the signal . The si m ulati on and p ractical result show that high frequency esti m ati on p recisi on can be obtained even at a l ow signal noise rati o .

Key words:Dopp ler radar; fast Fourier transfor m; frequency esti m ati on; linear adjust m ent

　　连续波体制多普勒雷达在枪支火炮等武器的内、外弹道主要参数的测试及火炮初速预测系统中, 作为先进的靶场测试设备和武器系统初速传感器有着广泛的应用

[1, 2]

系的测试中, 采用先进可靠的谱分析法, 从而有效地在各种复杂的背景干扰和噪声中提取有用的信号, 并提高了雷达测试的作用距离、测试精度和可信度, 以及整机的抗干扰能力。由于信号经过快速

。在外弹道速度和时间关

　收稿日期:2008-05-12　　修回日期:2009-03-10

　作者简介:蔡征宇(1957-) , 男, 高级工程师, 主要研究方向:通信与信号处理, E 2mail:caizhengyu@139. com 。

总第167期蔡征宇　陈文武　谢仁宏　提高多普勒雷达测速估计精度的方法521　

傅里叶变换(FFT ) 数字变换处理后, 其分辨率与采

样频率和截断窗口大小有关, 直接影响到频率估计的准确性, 从而影响速度测量的精度。传统的处理方法有:利用频率综合器的标准频率与信号进行混频处理, 取差频降低信号的频率, 同时可以降低采样频率。在相同的截断窗口宽度下, 提高了频率分辨率, 但牺牲了速度测量的瞬时性和有效处理数据的长度。采用FFT 的细化算法———ZFFT, 可以提高频率估计精度, 但要求待处理的信号信噪比较高, 实际测试中无法满足。利用频谱主瓣内的2条

[3]

谱线的幅度, 度, 但实际测试时, , 精度。, 本文提出利用弹道规律进行线性调整, 同时利用信号FFT 频谱相位信息提高频率估计精度的方法。理论分析、计算机仿真和对实际信号的处理结果表明, 该方法在较低信噪比下, 仍可以得到很高的频率估计精度。

得太窄。而锁相跟踪滤波器的有效带宽也不宜做得过窄, 否则会大大增加捕捉时间, 有时甚至造成对干扰信号的错误跟踪而丢失目标。

对信号进行谱分析, 发现干扰信号的谱大都集中在低频范围, 且噪声谱在被检测信号附近是均匀分布的, 而具有某一特定频率的多普勒信号往往很小, 因而在时域中检出或识别被淹没在干扰和噪声中的多普勒信号比较困难。信号x (t ) , 得到x (n ) , h (, y (n ) =

x ) (n ) , 变换, 使得在离散频谱中将f d 识别出来成为可能。频率分辨率由式(3) 确定, 其中N 为截断窗口宽度, f s 为采样频率, 而N 和f s 的确定受到采样定理和目标速度变化的限制, 因此存在着较大的f d 的估计误差Δf =f s /N(3) 　

可以提高频率估计精度, 在多普勒雷达信号处理的应用中, 获得高精度的速度测量值。本文提出应用该方法对FFT 变

FFT 相位分析法

[6, 7]

1　提高多普勒信号频率估计精度的

原理

　　发射频率为f 0的电磁波, 遇到径向速度为v r 的运动目标时, 产生的多普勒频率f d 为

(1) 　f d =[2v r /(C +v r ) ]f 0

式中:C 为光速, 一般C >>v r , 故有

(2) 　v r =λ0f d /2

式中:λ0=C /f 0为发射电磁波的波长。由式(2) 可见, 只要测得f d 即可由式(2) 求出目标的径向速度v r 。因此测速问题实质上就是测多普勒频率f d 的问题。

测量f d 一般有3种方法:固时测周体制、固周测时的体制和谱分析法。前两种是经典方法, 一般情况下都可达到足够的精度。但在雷达工作环境恶劣的情况下, 如枪支、火炮的冲击振动、火焰电离等引起的干扰, 目标飞行过程中反射面积随机变化, 都会使接收到的多普勒信号“背景”变得复杂, 信噪比大大降低, 测频精度明显下降。因此为了保证一定精度和雷达作用距离, 常在接收系统采取一系列技术措施, 例如普遍采用的加分段滤波器或采用跟踪滤波器的方法, 来提高信号的信噪比。但这两种方法都是有限的, 如分段滤波器的带宽不能做

[5]

换后的相位信息中的粗测频率进行补偿, 从而得到了较好的频率估计性能。设目标飞行时所产生的多普勒信号在一定的时间内(一个窗口宽度内) 近似为单频复正弦信号

πf d t +

式中:a 、f d 和

对s (t ) 进行采样和滤波处理, 设信号的窗口记录时间长度为T, 总采样点数为N , 得到序列s (n ) 。将该序列分为两个长度相同的序列, s 1(n ) 对应前N /2点, s 2(n ) 对应后N /2点, 分别对s 1(n ) 和s 2(n ) 进行N /2点FFT , 得到离散频谱S 1(k ) 和S 2(k ) 为

　S 1(k ) =A k exp (j

(6)

式中:A k 和

a sin [π(k -f d T /2) ]

(7) 　A k π(k -f d T /2) /N]sin [2

(8) 　

由式(7) , 利用FFT 变换后幅度最大值可得到多普

Δf, k d 为幅度最大值勒信号频率的粗测值^f d =k d ・

处对应的离散频率k d =[f d T /2]([f d T /2) 表示取最

5　22南京理工大学学报(自然科学版) 第33卷第4期

接近f d T /2的整数) , Δf =2/T 为DFT 的频率分辨率。从式(8) 可见, DFT 最大谱线的相位包含了信号频率与DFT 最大谱线所在位置的偏差信息, 但由于

φ在当f d 在(k d ±0. 5) Δf 范围内变化时, Δ

φ可以对f d 与-π到+π之间变化, 因此利用Δ

DFT 最大谱线对应的频率k d Δf δ=f d /Δf -k d δ(10) 　^=Δ

当f d d . 5) 范围内变化时, δ在±0. 5

φ直接得到δ范围内变化, 可以利用Δ的估计值δ^=Δ

Δf (11) 　^f d =(k d +δ^) ・

值得注意的是, δ^由于整周模糊的计算问题超出[-0. 5, +0. 5]的范围时, 应作如下修正

δ^-1, δ^>0. 5δ(12) 　^δ^+1, δ^

还会由于频率估计分辨率不够而出现连续相同的速度值。此时应首先根据目标飞行的弹道规律, 对出现连续相同的f d 估计值进行线性调整

(13) 　f d i =f d +(Δf /2) ±i (Δf /m+1)

式中:m 为连续出现相同f d 的个数(m ≥2) , i =1,

2, 3…m 。其中±的取法:当弹道降时取“-”, 弹

道升时取“+”, 所求的f d 的估计值f d i 作为以后的

飞行目标速度计算的判据之一。

2　加性白噪声对频率估计精度的影响

文献[6]提出在加性白噪声背景下, 根据相对频偏δ的均方根误差得到f δσ2由于SN R 0, δ/T 。

因此f d 的, 且频率的估DFT 最大谱线的偏差

(15) 之间[σf d , m in , σf d , max ]。, 处在式(14) 、

当被测信号正好位于最大谱线上时σf d , m in (14) 　

πT ・SN R i

当被测信号正好位于DFT 两条谱线的中间时

1π

σf d , max f d , m in (15) 　

2T N ・SN R

i

图1给出了不同截断N 、不同δ时的SN R i -σ给出不同SN R i 时信号的频率估

δ的关系曲线。

计120次的均方根误差仿真值, 可以看出它与理论值曲线是基本吻合的, 随着SN R i 的增加, 频率估计均方根误差迅速减小, 相同SN R i 下, 较短的

N 显然比较长的N 的频率估计均方根误差明显

增大, 同时, 在相同的N 下, δ的变化, 对频率估计均方根误差的影响不是很大。

图1　不同截断N 、不同δ时的SN R i -σδ的关系曲线

总第167期蔡征宇　陈文武　谢仁宏　提高多普勒雷达测速估计精度的方法523　

3　实际测试结果

图2给出采样频率f s =500kHz , 截断窗口

N =1024, 多普勒信号频率f d =70kHz 的120次

比较低, 计算得到的δ由于噪声的影响有时符号

会发生变化, 产生插值方向错误, 因此会使对应的频率估计误差突然增大。此时可以通过增加δ符号辅助判决方法来消除可能的插值方向错误, 即通过判断幅度谱中最大值两侧相邻谱线大小关系来决定对应的插值方向。经过上述修正处理后得到的结果如图5所示, 可以看出频率估计结果明显改善。120次中最差的多普勒信号频率估计为:^f d =

107. kHz , |Δf kHz

。

连续截断后, 得到的频率估计值, 此时的SN R i 略小于0d B , 该序列经过FFT 运算处理后, ^f k =k d

f s N

=69. 824kHz , |Δf d |=|^f k -f d |=0. 1761kHz , 此

时的f d 接近离散谱线位置, 经过本文所述方法处理后, 120次中最差的多普勒信号频率估计为:

^f d =69. 96kHz , |Δf d, max |=|^f d -^f d .

图4　f d =107. 1778kHz 的谱估计(SN R 较低)

图2　f d =70kHz 的谱估计

图3给出采样频率f s =500kHz , 截断窗口N =1024, 多普勒信号频率f d =107. 1778kHz 的120次连续截断后, 得到的频率估计值, 此时的SN R i 略大于6d B , 该信号序列经FFT 运算基本谱估计后, 由于此时f d =107. 1778kHz , 正好位于第219和第220两根离散谱线的中间, 基本谱估计

图5　f d =107. 1778kHz 的谱估计

(SN R 较低, 经过修正后的测试结果)

得到的^f k =106. 934kHz 或^f k =107. 422kHz , 也就是δ=0. 5, 此时的|Δf d |=0. 2442kHz , 经过本文所述方法处理后, 120次中最差的多普勒信号频率估计为:^f d =107. 1724kHz , |Δf d, max |=0. 0056kHz

。

4　结束语

本文提出利用弹道规律进行线性调整, 同时

对信号FFT 频谱相位信息进行补偿的方法, 从而提高测试信号频率估计精度, 并通过模拟仿真和外场试验进行了验证, 验证结果表明, 频率估计的精度得到很大的提高, 从而提高了多普勒雷达对飞行目标的速度处理精度, 很好地解决了原有系统的谱估计方法对飞行目标的速度测量精度不够的问题。参考文献:

图3　f d =107. 1778kHz 的谱估计

但是, 当SN R i 较低, 例如小于0d B 的情况下, 处理结果有时会出现频率估计误差突然增大的情况, 如图4所示, 经分析发现, 此时由于信噪

[1]　吴志林, 孔德仁, 赵润贵. 双头弹多普勒测速研究

[J ].南京理工大学学报, 1999, 23(5) :430-433.

(下转第527页)

总第167期张英浩　杨　国　吴　文　毫米波直接检波式辐射计温度补偿问题研究527　

号幅度U c 进行测试, 测试结果如表1所示, 温度

补偿起到了很好的效果

。

化的特性相反, 对系统总增益进行温度补偿, 能使系统输出信号幅度在一定温度范围内保持较大的稳定, 达到较好温度补偿的效果。同时这种方法结构简单, 调试方便, 成本低, 在工程应用中有较大的实用价值。参考文献:

图3　实验系统原理图表1　温度补偿测试结果

t/℃

U /V

U c /V

[1]　汪敏, , 吴文. 8-102050

0. 61. 522. 96

1. 71. 6. 0

研究[J , 21(4) :310

.

[2, . 宽带单片低噪声放大器

[J ].电子学报, 2006, 34(5) :934

3　由上述理论分析和实验结果表明, 通过在视

频放大器中加入合适的热敏电阻, 使视频放大器增益随温度变化的特性与毫米波放大器随温度变

-937.

[3]霍年鑫. Ga A s FET 功率放大器温度补偿的设计

[J ].低温与超导, 2007, 35(4) :352-354. [4]

Skou N. M icr owave radi ometer syste m s:design and a 2nalysis[M].Nor wood, M assachusetts:A rtech House, 1989.

(上接第523页)

[2]　W eber N, Model S, Hackner M. A novel signal p r o 2

cessing app r oach for m icr owave Dopp ler s peed sensing [A].Pr oc I EEE MTT 2S I nternati onalM icr owave Sy m 2posiu m D igest[C ].Seattle, US A:I EEE, 2002. 2233-2235.

[3]

Jain V K, Collins J rW L, Davis D C . H igh 2accuracy anal og measure ment via inter polated FFT [J ].(2) :113-122. [4]

Kay S . A fast and accurate single frequency esti m at or

I EEE

[7]

Trans on I nstru mentati on and M easure ment, 1979, 28

[6][5]

[J ].I EEE Trans on Acoustics Speech and Signal Pr o 2cessing, 1989, 37(12) :1989-1990.

刘世平. 弹丸速度测量与数据处理[M].北京:兵器工业出版社, 1994. 132-173.

齐国清, 贾欣乐. 基于DFT 相位的正弦波频率和初相的高精度估计方法[J ].电子学报, 2001, 29(9) :

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郭欣, 倪晋麟, 刘国岁. 短相干积累条件下天波视距雷达的舰船检测[J ].电子与信息学报, 2004, 26

(4) :613-618.

第33卷第4期南京理工大学学报(自然科学版)

Journal of Nanjing University of Science and Technol ogy (Natural Science )

Vol . 33No . 4提高多普勒雷达测速估计精度的方法

蔡征宇, 陈文武, 谢仁宏

(南京理工大学电子工程与光电技术学院, 江苏210094)

摘　要:针对连续波多普勒雷达外弹道测速的特点, 勒雷达速度测量精度的问题, 升、, 、测试精度和抗干扰能力, 。利用信号相邻两次截断后的频谱相位。仿真结果和外场试验表明该方法在较低信噪比下, 仍可以得到很高。

关键词:多普勒雷达; 快速傅里叶变换; 频率估计; 线性调整中图分类号:T N 953. 1　　文章编号:1005-9830(2009) 04-0520-04

Esti m ati on Precisi on I mprove mentM ethod of Velocity M easure ment

for Doppler Radar

CA I Zheng 2yu, CHEN W en 2wu, X I E Ren 2hong

(School of Electr onic Engineering and Op t oelectr onic Technol ogy, NUST, Nanjing 210094, China ) Abstract:According t o the feature of exteri or ballistic vel ocity measure ment for continuous wave Dopp ler radar, in order t o s olve the p r oble m that the frequency res oluti on and the sa mp ling frequen 2cy may bring negative effects on the vel ocity measure ment p recisi on, frequency s pectrum analysis based on fast Fourier transf or m is used . A linear adjust m ent method of frequency esti m ati on is p r o 2posed according t o the ascending or descending p rinci p le of target exteri or traject ory . The method i m p r oves the measuring distance and p recisi on and the anti 2ja mm ing ability of the syste m and avoids the appearance of continuously sa me vel ocity fr om inadequate frequency res oluti on . The frequency esti m ati on p recisi on is i m p r oved using the frequency s pectrum phase inf or mati on of adjacent continu 2ous truncati on of the signal . The si m ulati on and p ractical result show that high frequency esti m ati on p recisi on can be obtained even at a l ow signal noise rati o .

Key words:Dopp ler radar; fast Fourier transfor m; frequency esti m ati on; linear adjust m ent

　　连续波体制多普勒雷达在枪支火炮等武器的内、外弹道主要参数的测试及火炮初速预测系统中, 作为先进的靶场测试设备和武器系统初速传感器有着广泛的应用

[1, 2]

系的测试中, 采用先进可靠的谱分析法, 从而有效地在各种复杂的背景干扰和噪声中提取有用的信号, 并提高了雷达测试的作用距离、测试精度和可信度, 以及整机的抗干扰能力。由于信号经过快速

。在外弹道速度和时间关

　收稿日期:2008-05-12　　修回日期:2009-03-10

　作者简介:蔡征宇(1957-) , 男, 高级工程师, 主要研究方向:通信与信号处理, E 2mail:caizhengyu@139. com 。

总第167期蔡征宇　陈文武　谢仁宏　提高多普勒雷达测速估计精度的方法521　

傅里叶变换(FFT ) 数字变换处理后, 其分辨率与采

样频率和截断窗口大小有关, 直接影响到频率估计的准确性, 从而影响速度测量的精度。传统的处理方法有:利用频率综合器的标准频率与信号进行混频处理, 取差频降低信号的频率, 同时可以降低采样频率。在相同的截断窗口宽度下, 提高了频率分辨率, 但牺牲了速度测量的瞬时性和有效处理数据的长度。采用FFT 的细化算法———ZFFT, 可以提高频率估计精度, 但要求待处理的信号信噪比较高, 实际测试中无法满足。利用频谱主瓣内的2条

[3]

谱线的幅度, 度, 但实际测试时, , 精度。, 本文提出利用弹道规律进行线性调整, 同时利用信号FFT 频谱相位信息提高频率估计精度的方法。理论分析、计算机仿真和对实际信号的处理结果表明, 该方法在较低信噪比下, 仍可以得到很高的频率估计精度。

得太窄。而锁相跟踪滤波器的有效带宽也不宜做得过窄, 否则会大大增加捕捉时间, 有时甚至造成对干扰信号的错误跟踪而丢失目标。

对信号进行谱分析, 发现干扰信号的谱大都集中在低频范围, 且噪声谱在被检测信号附近是均匀分布的, 而具有某一特定频率的多普勒信号往往很小, 因而在时域中检出或识别被淹没在干扰和噪声中的多普勒信号比较困难。信号x (t ) , 得到x (n ) , h (, y (n ) =

x ) (n ) , 变换, 使得在离散频谱中将f d 识别出来成为可能。频率分辨率由式(3) 确定, 其中N 为截断窗口宽度, f s 为采样频率, 而N 和f s 的确定受到采样定理和目标速度变化的限制, 因此存在着较大的f d 的估计误差Δf =f s /N(3) 　

可以提高频率估计精度, 在多普勒雷达信号处理的应用中, 获得高精度的速度测量值。本文提出应用该方法对FFT 变

FFT 相位分析法

[6, 7]

1　提高多普勒信号频率估计精度的

原理

　　发射频率为f 0的电磁波, 遇到径向速度为v r 的运动目标时, 产生的多普勒频率f d 为

(1) 　f d =[2v r /(C +v r ) ]f 0

式中:C 为光速, 一般C >>v r , 故有

(2) 　v r =λ0f d /2

式中:λ0=C /f 0为发射电磁波的波长。由式(2) 可见, 只要测得f d 即可由式(2) 求出目标的径向速度v r 。因此测速问题实质上就是测多普勒频率f d 的问题。

测量f d 一般有3种方法:固时测周体制、固周测时的体制和谱分析法。前两种是经典方法, 一般情况下都可达到足够的精度。但在雷达工作环境恶劣的情况下, 如枪支、火炮的冲击振动、火焰电离等引起的干扰, 目标飞行过程中反射面积随机变化, 都会使接收到的多普勒信号“背景”变得复杂, 信噪比大大降低, 测频精度明显下降。因此为了保证一定精度和雷达作用距离, 常在接收系统采取一系列技术措施, 例如普遍采用的加分段滤波器或采用跟踪滤波器的方法, 来提高信号的信噪比。但这两种方法都是有限的, 如分段滤波器的带宽不能做

[5]

换后的相位信息中的粗测频率进行补偿, 从而得到了较好的频率估计性能。设目标飞行时所产生的多普勒信号在一定的时间内(一个窗口宽度内) 近似为单频复正弦信号

πf d t +

式中:a 、f d 和

对s (t ) 进行采样和滤波处理, 设信号的窗口记录时间长度为T, 总采样点数为N , 得到序列s (n ) 。将该序列分为两个长度相同的序列, s 1(n ) 对应前N /2点, s 2(n ) 对应后N /2点, 分别对s 1(n ) 和s 2(n ) 进行N /2点FFT , 得到离散频谱S 1(k ) 和S 2(k ) 为

　S 1(k ) =A k exp (j

(6)

式中:A k 和

a sin [π(k -f d T /2) ]

(7) 　A k π(k -f d T /2) /N]sin [2

(8) 　

由式(7) , 利用FFT 变换后幅度最大值可得到多普

Δf, k d 为幅度最大值勒信号频率的粗测值^f d =k d ・

处对应的离散频率k d =[f d T /2]([f d T /2) 表示取最

5　22南京理工大学学报(自然科学版) 第33卷第4期

接近f d T /2的整数) , Δf =2/T 为DFT 的频率分辨率。从式(8) 可见, DFT 最大谱线的相位包含了信号频率与DFT 最大谱线所在位置的偏差信息, 但由于

φ在当f d 在(k d ±0. 5) Δf 范围内变化时, Δ

φ可以对f d 与-π到+π之间变化, 因此利用Δ

DFT 最大谱线对应的频率k d Δf δ=f d /Δf -k d δ(10) 　^=Δ

当f d d . 5) 范围内变化时, δ在±0. 5

φ直接得到δ范围内变化, 可以利用Δ的估计值δ^=Δ

Δf (11) 　^f d =(k d +δ^) ・

值得注意的是, δ^由于整周模糊的计算问题超出[-0. 5, +0. 5]的范围时, 应作如下修正

δ^-1, δ^>0. 5δ(12) 　^δ^+1, δ^

还会由于频率估计分辨率不够而出现连续相同的速度值。此时应首先根据目标飞行的弹道规律, 对出现连续相同的f d 估计值进行线性调整

(13) 　f d i =f d +(Δf /2) ±i (Δf /m+1)

式中:m 为连续出现相同f d 的个数(m ≥2) , i =1,

2, 3…m 。其中±的取法:当弹道降时取“-”, 弹

道升时取“+”, 所求的f d 的估计值f d i 作为以后的

飞行目标速度计算的判据之一。

2　加性白噪声对频率估计精度的影响

文献[6]提出在加性白噪声背景下, 根据相对频偏δ的均方根误差得到f δσ2由于SN R 0, δ/T 。

因此f d 的, 且频率的估DFT 最大谱线的偏差

(15) 之间[σf d , m in , σf d , max ]。, 处在式(14) 、

当被测信号正好位于最大谱线上时σf d , m in (14) 　

πT ・SN R i

当被测信号正好位于DFT 两条谱线的中间时

1π

σf d , max f d , m in (15) 　

2T N ・SN R

i

图1给出了不同截断N 、不同δ时的SN R i -σ给出不同SN R i 时信号的频率估

δ的关系曲线。

计120次的均方根误差仿真值, 可以看出它与理论值曲线是基本吻合的, 随着SN R i 的增加, 频率估计均方根误差迅速减小, 相同SN R i 下, 较短的

N 显然比较长的N 的频率估计均方根误差明显

增大, 同时, 在相同的N 下, δ的变化, 对频率估计均方根误差的影响不是很大。

图1　不同截断N 、不同δ时的SN R i -σδ的关系曲线

总第167期蔡征宇　陈文武　谢仁宏　提高多普勒雷达测速估计精度的方法523　

3　实际测试结果

图2给出采样频率f s =500kHz , 截断窗口

N =1024, 多普勒信号频率f d =70kHz 的120次

比较低, 计算得到的δ由于噪声的影响有时符号

会发生变化, 产生插值方向错误, 因此会使对应的频率估计误差突然增大。此时可以通过增加δ符号辅助判决方法来消除可能的插值方向错误, 即通过判断幅度谱中最大值两侧相邻谱线大小关系来决定对应的插值方向。经过上述修正处理后得到的结果如图5所示, 可以看出频率估计结果明显改善。120次中最差的多普勒信号频率估计为:^f d =

107. kHz , |Δf kHz

。

连续截断后, 得到的频率估计值, 此时的SN R i 略小于0d B , 该序列经过FFT 运算处理后, ^f k =k d

f s N

=69. 824kHz , |Δf d |=|^f k -f d |=0. 1761kHz , 此

时的f d 接近离散谱线位置, 经过本文所述方法处理后, 120次中最差的多普勒信号频率估计为:

^f d =69. 96kHz , |Δf d, max |=|^f d -^f d .

图4　f d =107. 1778kHz 的谱估计(SN R 较低)

图2　f d =70kHz 的谱估计

图3给出采样频率f s =500kHz , 截断窗口N =1024, 多普勒信号频率f d =107. 1778kHz 的120次连续截断后, 得到的频率估计值, 此时的SN R i 略大于6d B , 该信号序列经FFT 运算基本谱估计后, 由于此时f d =107. 1778kHz , 正好位于第219和第220两根离散谱线的中间, 基本谱估计

图5　f d =107. 1778kHz 的谱估计

(SN R 较低, 经过修正后的测试结果)

得到的^f k =106. 934kHz 或^f k =107. 422kHz , 也就是δ=0. 5, 此时的|Δf d |=0. 2442kHz , 经过本文所述方法处理后, 120次中最差的多普勒信号频率估计为:^f d =107. 1724kHz , |Δf d, max |=0. 0056kHz

。

4　结束语

本文提出利用弹道规律进行线性调整, 同时

对信号FFT 频谱相位信息进行补偿的方法, 从而提高测试信号频率估计精度, 并通过模拟仿真和外场试验进行了验证, 验证结果表明, 频率估计的精度得到很大的提高, 从而提高了多普勒雷达对飞行目标的速度处理精度, 很好地解决了原有系统的谱估计方法对飞行目标的速度测量精度不够的问题。参考文献:

图3　f d =107. 1778kHz 的谱估计

但是, 当SN R i 较低, 例如小于0d B 的情况下, 处理结果有时会出现频率估计误差突然增大的情况, 如图4所示, 经分析发现, 此时由于信噪

[1]　吴志林, 孔德仁, 赵润贵. 双头弹多普勒测速研究

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(下转第527页)

总第167期张英浩　杨　国　吴　文　毫米波直接检波式辐射计温度补偿问题研究527　

号幅度U c 进行测试, 测试结果如表1所示, 温度

补偿起到了很好的效果

。

化的特性相反, 对系统总增益进行温度补偿, 能使系统输出信号幅度在一定温度范围内保持较大的稳定, 达到较好温度补偿的效果。同时这种方法结构简单, 调试方便, 成本低, 在工程应用中有较大的实用价值。参考文献:

图3　实验系统原理图表1　温度补偿测试结果

t/℃

U /V

U c /V

[1]　汪敏, , 吴文. 8-102050

0. 61. 522. 96

1. 71. 6. 0

研究[J , 21(4) :310

.

[2, . 宽带单片低噪声放大器

[J ].电子学报, 2006, 34(5) :934

3　由上述理论分析和实验结果表明, 通过在视

频放大器中加入合适的热敏电阻, 使视频放大器增益随温度变化的特性与毫米波放大器随温度变

-937.

[3]霍年鑫. Ga A s FET 功率放大器温度补偿的设计

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