当前课程知识点:声纳技术 > 第六章 声纳测速技术 > 6.4 目标多普勒测速法 > 6.4.1 学习视频
本知识点讲解目标多普勒测速的基本原理,重点是多普勒信息的提取问题。
大家好
本次课我们学习目标多普勒测速法
我们知道
声纳与目标之间的相对运动
会使接收的信号波形发生改变
表现为信号频率的偏移
称为多普勒频移现象
在主动声纳信号分析部分
我们通过推导给出了多普勒频移的表达式
为ξ=f0(2v/c)
其中f0为发射信号频率
v为相对运动速度
c为声速
前面我们介绍了两种主动声纳目标测速方法
位变率法和脉冲测速法
这两种方法实现起来都比较简单 易行
但其共同缺点是无法快速测定目标速度
为了能够实时的 直接的测量目标的速度
现代声纳广泛采用多普勒测速方法
多普勒测速方法原理简单
主要环节是多普勒信息的提取
因此本次课我们主要讨论
多普勒信息的提取方法
多普勒信息的提取方法与工作波形有关
重点讨论三种波形
分别是连续正弦波 单频脉冲信号和调频信号
首先来看连续正弦波测速
连续正弦波是最简单的信号形式
其测速原理如图所示
发射机发射频率为f0的连续正弦波
经目标发射后
接收到的正弦波信号频率为f0+fd
其中fd为多普勒频移
因此有f d=f 0(2v r)/c
其中vr为本舰与目标相对径向运动速度
将接收的信号与发射信号混频后
经滤波滤出多普勒频移
最后用频率测量装置测出fd
即可得到目标径向速度的表达式
这一方法因用了连续单频正弦波
因而信号在频率轴上体现为一根很窄的谱线
多普勒频移只是使频谱移动一个增量
所以可用使用很窄的窄带滤波器工作
把所需要的分量滤出
而把干扰滤掉
提高接收系统的输出信噪比
另外 因信号是个单频分量信号
多普勒频率可以精确测量
从而使测速精度很高
即使目标运动很慢
多普勒频移很小 也能很好的测定
连续正弦波测速的主要缺点是
由于不能进行测距 限制了其应用范围
对发射机频率的瞬时稳定性要求很高
要求信号从发射到回来的时间内
发射机频率很稳定
若发射机频率从f0变到了f0-Δf
则混频器输出端上的频率变为f d+Δf
发射机频率变化便被包含在了多普勒频移中
显然造成了测速误差
而且多普勒频移越小
对发射机稳定性要求越高
第三个缺点是
这种方案需要收发换能器分开
且必须克服发射对接收系统的干扰
因此这种系统实际应用很少
接下来我们在学习单频脉冲测速方法
单频调制脉冲受多普勒频移影响后的频谱变化
可理解为将发射信号频谱
移动了一个多普勒频率增量
如右图所示
是频谱的整体移动
声纳中多普勒频移一般会
比脉冲信号的频带宽度大
我们举例来说明
假设
单频脉冲信号的发射脉冲宽度τ=50ms
脉冲重复周期T=2.5s
中心频率f0=10kHz
目标与探测声纳之间的相对速度vr=30节
这时可计算出
多普勒平移fd约为200Hz
脉冲的频带宽度如图所示
有Δf=2/τ=40Hz
频谱中每条谱线之间的
间隔重复频率F0=1/T=0.4Hz
频谱的分布情况是频带宽度很窄
频谱线很密
而多普勒频移超过频带宽度五倍
实际上由于各谱线的
多普勒频移必然会稍有不同
因此会使频谱发生畸变
这样就不能用简单的滤波方法把
多普勒频移取出来了
脉冲测量法测量多普勒频移的设备较复杂
我们这里介绍两种最基本的实现方法
频道分割法和跟踪滤波法
如图所示
为了能迅速测出多普勒频率
在可能的接收频带内设置一组滤波器
使其各对应一个径向速度
这种方法称为频道分割法
该组滤波器的频谱如图所示
每个滤波器频带间隔为Δf d
若目标回波频率为f0+kΔfd
则这时回波信号刚好与
这系列匹配滤波器中第k个最匹配
也就是第K个滤波器的输出最大
其余各路因不匹配输出都比较小
因此通过最大值选择器
便可知道信号与第k路匹配
这样就可以知道回波的中心频率为
f0+kΔfd从而可得出目标径向运动速度
为v r=c/2⋅(kΔf d)/f 0
该方法对应的速率分辨率
与滤波器组的频率间隔Δf d有关
为Δv r=1/2 c⋅(Δf d)/f 0
这种实现方法的优点是
符合最佳接收机结构
具有较好的发现特性
能最佳的发现有用信号
但这种系统结构复杂
需要大量的匹配滤波器才能完成
即使这样
这种方法的实际应用还是比较多的
另一种常用的方法是频率跟踪法
其基本原理是利用一个频率跟踪器
使其输出信号频率总是等于接收信号频率
再将此信号与发射信号频率比较
得到多普勒频率
原理图如图所示
设发射信号频率为f0
接收回波信号频率为f1=f0+fd
起始状态时压控振荡器
输出振荡的频率为f2=f0
它在频率比较器1中
与接收信号频率f1进行比较
得出信号的频差fd
此频差fd经频率电压变换器变为
与fd成正比的电压信号
这个电压信号加到压控振荡器上
使其输出频率f2向f0+fd靠近
如此反复 直到f2=f1=f0+fd时
比较器1输出频差为0
然后将f2的信号送至频率比较器2
与发射信号频率f0比较得到fd
调制器实际上是一个距离门
他们的控制信号来自距离跟踪系统
以便使频率比较器在回波到达时进行比较
实际上也就是起到一个时间跟踪的作用
这种跟踪回路对频率的跟踪通常称为“锁定”
整个系统是一个匹配滤波器
测得多普勒频移
从而得到目标速度
这种测速系统比较复杂
但它是一个最佳滤波器
发现特性好 抗干扰能力强
可以在有干扰的情况下发现目标
并进行测速
这种方法的实用价值比较高
除此之外
还有很多测量单频脉冲回波频率的方法
我们这里不再赘述
接着我们来复习一下调频信号测速法
在测距部分
我们介绍了两种用于测量运动目标距离的方法
一种是三角波调频测距法
原理如图所示
另一种是阶跃调频信号测距法
这两种方法均可以在测距的同时进行测速
具体细节我们就不再重复
本次课我们学习了目标的多普勒测速法
主要是通过测量目标回波的
多普勒频移来求出目标速度
重点分析了多普勒信息提取的三种办法
首先是连续正弦波法
其原理如图所示
其优点是谱线窄 信噪比高
缺点是
收发换能器须分开
而且对发射频率稳定性要求高
然后学习了单频脉冲法
主要学习了频道分割法和频率跟踪法两种
最后复习了调频信号测速
分三角波调频信号和阶跃调频信号
是在测距的同时进行测速
当然调频信号测速法还有很多种
如果大家有兴趣的话可以去翻阅相关资料
本次课就学到这里 再见
-1.1 从美人鱼看什么是声纳
--1.1.3 本节小测验
-1.2 声纳的发展简史
--1.2.3 本节小测验
-1.3 从一艘潜艇看声纳的分类
--1.3.3 本节小测验
-1.4 声纳方程
--1.4.3 本章小测验
-1.5 声纳系统的战术和技术指标
-2.1 初识声纳信号
--2.1.3 本节小测验
-2.2 主动声纳信号的描述
--2.2.3 本节小测验
-2.3 从汽笛声看多普勒频移
--2.3.3 本节小测验
-2.4 从分辨力的角度看模糊函数
--2.4.3 本节小测验
-2.5 常用主动声纳信号之CW信号分析
--2.5.3本节小测验
-2.6 常用主动声纳信号之LFM信号分析
--2.6.3 本节小测验
-3.1 振幅测向——最大值测向
--3.1.3 本节小测验
-3.2 振幅测向——振幅差值法测向
--3.2.3 本节小测验
-3.3 相位法测向
--3.3.3 本节小测验
-3.4 相位法测向的多值性问题
--3.4.3 本节小测验
-4.1 从手电筒操作看波束形成的原理
--4.1.3 本节小测验
-4.2 加权和加档
--4.2.3 本节小测验
-4.3 直线单波束的指向性
--4.3.3 本节小测验
-4.4 直线多波束的相关问题
--4.4.3 本节小测验
-4.5 波束形成器
--4.5.3 本节小测验
-5.1 测距导语
--5.1.3 本节小测验
-5.2 脉冲测距法
--5.2.3 本节小测验
-5.3 调频信号测距法
--5.3.3 本节小测验
-5.4 调频信号测距法——动目标测距
--5.4.3 本节小测验
-5.5 潜艇侧面为什么有三个阵
--5.5.3 本节小测验
-【选学内容】5.6相位测距法
-6.1 测速导语
--6.1.3 本节小测验
-6.2 矢量速度的测量
--6.2.3 本节小测验
-6.3 又见脉冲——脉冲测速法
--6.3.3 本节小测验
-6.4 目标多普勒测速法
--6.4.3 本节小测验
-6.5 本舰多普勒测速法——基本原理和发射波形
--6.5.3 本节小测验
-6.6 【选学内容】本舰多普勒测速法——误差分析
--6.6.3 本节小测验
-6.7 相关测速
--6.7.3 本节小测验
-7.1 声纳发射机
--7.1.3 本节小测验
-7.2 声纳接收机
--7.2.3 本节小测验
-7.3 设备会说谎吗?
--7.3.3 本节小测验
-7.4 相控发射
--7.4.3 本节小测验
-【选学内容】7.5 匹配滤波器的原理
-【选学内容】7.6 主动声纳信号的匹配滤波
-8.1 航空声纳浮标系统
--8.1.3 本节小测验
-8.2 航空吊放声纳系统
--8.2.3 本节小测验
-期末考试