基于微波雷達(dá)的距離測(cè)量技術(shù)研究

田道坤 李斌

摘要：微波雷達(dá)在位移與距離測(cè)量領(lǐng)域占據(jù)重要地位，對(duì)提升位移、距離測(cè)量精準(zhǔn)性、實(shí)效性具有重要作用?；诖耍疚膹奈⒉ɡ走_(dá)距離測(cè)量原理出發(fā)，以具有現(xiàn)階段常用的調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)、脈沖超寬帶雷達(dá)以及步進(jìn)頻率連續(xù)波雷達(dá)的距離測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，以供參考。

關(guān)鍵詞：微波雷達(dá)；距離測(cè)量；測(cè)量技術(shù)

引言：

在位移與距離測(cè)量中，微波雷達(dá)傳感技術(shù)具有廣泛應(yīng)用性，可有效提升位移與距離測(cè)量進(jìn)準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程與進(jìn)程距離測(cè)量，降低外界環(huán)境（雨霧、粉塵等）對(duì)距離測(cè)量的影響。目前，基于微波雷達(dá)的距離測(cè)量技術(shù)已經(jīng)在建筑、軍事等民用領(lǐng)域得到有效應(yīng)用與推廣。為進(jìn)一步認(rèn)知基于微波雷達(dá)的距離測(cè)量技術(shù)，促進(jìn)距離測(cè)量技術(shù)的創(chuàng)新與優(yōu)化發(fā)展，本文從距離測(cè)量原理、特點(diǎn)，就基于微波雷達(dá)的距離測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了如下分析。

1微波雷達(dá)傳感技術(shù)

微波雷達(dá)是雷達(dá)系統(tǒng)中的重要組成部分，是一種獨(dú)特的電學(xué)器具。微波作為無(wú)線電波具有較強(qiáng)的方向性與速度傳播性，在遇到阻礙物后可進(jìn)行放射，而雷達(dá)通過(guò)接受電波反射信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物距離的有效測(cè)量。隨著微波雷達(dá)傳感技術(shù)的不斷研究，微波雷達(dá)傳感技術(shù)呈現(xiàn)出多樣化發(fā)展趨勢(shì)，根據(jù)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)可將其分為單頻雷達(dá)與寬帶雷達(dá)另種類型，其中單頻雷達(dá)主要以單頻微波連續(xù)波信號(hào)（continuous wave，簡(jiǎn)稱CW）為發(fā)射信號(hào)，在高精度位移與速度測(cè)量中具有廣泛應(yīng)用型；而寬帶雷達(dá)主要以IRUWB（Impulse Radio Ultra-wideband，脈沖超寬帶）、SFCW（Stepped Frequency Continuous Wave，步進(jìn)頻率連續(xù)波）、LFMCW（linear Frequency Modulation Continuous Wave，線性調(diào)頻連續(xù)波）等具有一定帶寬的信號(hào)為發(fā)射信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)測(cè)距，并進(jìn)行目標(biāo)的空間定位[1]。

2基于微波雷達(dá)的距離測(cè)量技術(shù)

在基于微波雷達(dá)的距離測(cè)量中，微波雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的不同，其測(cè)量原理、位移與距離測(cè)量系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)、測(cè)量效果也不同?；诖?，主要就CW雷達(dá)、IRUWB雷達(dá)、SFCW雷達(dá)的距離測(cè)量技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

2.1單頻連續(xù)波（CW）雷達(dá)距離測(cè)量技術(shù)

距離測(cè)量原理：基于單頻連續(xù)波（CW）雷達(dá)的距離測(cè)量技術(shù)主要是通過(guò)雷達(dá)向被測(cè)量目標(biāo)發(fā)射單頻微波信號(hào)，通過(guò)計(jì)量目標(biāo)回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)之間存在的相位差，達(dá)成距離測(cè)量目的。

距離測(cè)量特點(diǎn)：基于單頻連續(xù)波（CW）雷達(dá)的距離測(cè)量技術(shù)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，主要以單頻微波源為載體，進(jìn)行發(fā)射信號(hào)與目標(biāo)反射信號(hào)的解調(diào)，獲取相位移動(dòng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)距離的準(zhǔn)確測(cè)量。其測(cè)量結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)性相對(duì)較高，例如，Kim-S等人（2004）基于單頻連續(xù)波（CW）雷達(dá)距離測(cè)量技術(shù)原理，采用系統(tǒng)結(jié)合法將中頻子系統(tǒng)與毫米波子系統(tǒng)相融合，構(gòu)建了多功能毫米波傳感器，在有效改善模擬混頻器相位非線性問(wèn)題的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)距離測(cè)量的靜準(zhǔn)確性。并在試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，位移測(cè)量的分辨率超過(guò)10m，距離測(cè)量誤差控制在了27m以內(nèi)。

2.2脈沖超寬帶（IRUWB）雷達(dá)距離測(cè)量技術(shù)

距離測(cè)量原理：基于脈沖超寬帶（IRUWB）雷達(dá)的距離測(cè)量技術(shù)，主要是IRUWB雷達(dá)系統(tǒng)通過(guò)向被測(cè)目標(biāo)發(fā)射脈沖超寬帶信號(hào)，通過(guò)計(jì)量發(fā)射信號(hào)與目標(biāo)回波信號(hào)的時(shí)間差，達(dá)成距離測(cè)量目標(biāo)。

距離測(cè)量特點(diǎn)：基于脈沖超寬帶（IRUWB）雷達(dá)的距離測(cè)量技術(shù)，其所發(fā)射的微波脈沖信號(hào)，脈沖寬度較窄。IRUWB雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，在距離測(cè)量過(guò)程中可依靠單個(gè)計(jì)時(shí)器進(jìn)行實(shí)踐。但是在距離測(cè)量過(guò)程中，要想提升測(cè)量結(jié)果的精確度，需加強(qiáng)系統(tǒng)硬件性能，實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)器、雷達(dá)脈沖發(fā)射裝置以及微波接收解調(diào)的強(qiáng)化。同時(shí)在時(shí)間差測(cè)量過(guò)程中，可依托軟件進(jìn)行閾值判斷或脈沖互相關(guān)運(yùn)算。通常情況下，基于脈沖超寬帶（IRUWB）雷達(dá)的距離測(cè)量技術(shù)，根據(jù)時(shí)間差進(jìn)行計(jì)量可同一時(shí)間內(nèi)多個(gè)目標(biāo)距離測(cè)量需求的有效滿足，其測(cè)量靜準(zhǔn)確相對(duì)較高。

2.3步進(jìn)頻率連續(xù)波（SFCW）雷達(dá)距離測(cè)量技術(shù)

距離測(cè)量原理：基于步進(jìn)頻率連續(xù)波（SFCW）雷達(dá)的距離測(cè)量技術(shù)，其工作原理在一定程度上與LFMCW雷達(dá)系統(tǒng)（系統(tǒng)向被測(cè)目標(biāo)發(fā)射頻率可以根據(jù)時(shí)間變化的連續(xù)變化微波信號(hào)，依據(jù)信號(hào)之間混頻得到的差拍信號(hào)，實(shí)現(xiàn)距離測(cè)量）存在相似性，不同之處在于：SFCW雷達(dá)所發(fā)神的信號(hào)為隨實(shí)踐步進(jìn)變化的正弦信號(hào)，利用信號(hào)之間的干涉相位，實(shí)現(xiàn)距離測(cè)量。SFCW雷達(dá)適用于高精度結(jié)構(gòu)位移與變形測(cè)量，在結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)、目標(biāo)距離測(cè)量等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用型。

結(jié)論：

微波雷達(dá)傳感技術(shù)是位移與距離測(cè)量系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)滿足不同領(lǐng)域位移與距離測(cè)量需求，提升距離測(cè)量質(zhì)量與效率具有積極影響作用。隨著微波雷達(dá)測(cè)距傳感技術(shù)理論與實(shí)踐研究的不斷深入，在未來(lái)發(fā)展過(guò)程中，基于微波雷達(dá)的距離測(cè)量技術(shù)將在眾多領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，而距離測(cè)量產(chǎn)品的穩(wěn)定性與可靠性、精準(zhǔn)性需進(jìn)一步提升，在無(wú)源、有源探測(cè)、多目標(biāo)監(jiān)測(cè)、全過(guò)程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等方面有待進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭大青，胡順仁，李雙，劉偉.大型建筑的有源微波相位雷達(dá)位移測(cè)量方法[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2018，39（04）：44-52.

作者簡(jiǎn)介：田道坤（1978--），男，河南省濮陽(yáng)市人，民族：漢，職稱：工程師，學(xué)歷：本科，研究方向：雷達(dá)測(cè)控技術(shù)。