=v = vr
fdc
(5)
cosθ 2 f0 cosθ
可见，由于舰船随着海浪的起伏，将影响天线 的角度，进而影响波束的发射方向，因此，本设计 方案将利用加速度芯片设计角度计，追踪角度变化， 以精确计算舰船的水平行进速度。
为了获取舰船的运动方向，可以采用 I/Q 正交 双通道的方式保留多普勒频移的正负符号，从而判 定方向。
6GHz(C 波段) 400Hz 4KHz 40KHz
10GHz(X 波段) 667Hz 6.67KHz 66.7KHz
15GHz(Ku 波段) 1KHz 10KHz 100KHz
35GHz(Ka 波段) 2.33KHz 23.3KHz 233KHz
95GHz(W 波段) 6.3KHz 63KHz 630KHz
向。
2 多普勒测速雷达方案
2.1 频段的选取 由(3)式可知，多普勒频移与径向速度和发射中
表1 不同频段多普勒频率对应表[2]
雷达频率(频段)
多普勒频移 10m/s 100m/s 1000m/s
1GHz(L 波段) 66.7Hz 666.7Hz 6.67KHz
3GHz(S 波段) 200Hz 2KHz 20KHz
微波学报 2010 年 8 月
用于舰船测速的微波多普勒雷达研究
田野 谢小强 延波
( 电子科技大学电子工程学院，成都 610054 )
摘 要：本文介绍了一种适用于舰船航行速度测试的微波多普勒雷达方案。本方案采用连续波发射，零中频接收， 使得组件前端电路简易，信号处理简单，并且采用 IQ 正交双通道接收机方式保留了目标运动方向信息。另外，利用 加速度测量芯片跟踪舰船由于海浪起伏引起的天线角度变化，从而可以精确测量舰船的即时水平行进速度。 关键词：多普勒；测速；IQ 正交双通道
式中 vr
=
dR dt
是径向速度（m/s）。
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微波学报 2010 年 8 月
从而得到多普勒频率：
= fd
2= vr λ
2vr c
f0
1.2 舰载测速雷达原理
v
θ
海浪
vr=vcosθ
船体
心频率成正比，表 1 列出了不同频段以及不同速
度下的多普勒频偏量。
(3)
从表中可以看出，发射的频率越高,同一速度
锁相环信号首先经带通滤波器，滤除 VCO 产 生的谐波信号。然后通过功分电路分为两路信号， 一路经功放至天线发射信号，约为 20dBm；一路 作 为接收支路混频器的本振信号。
其中本振信号首先经 90°电桥产生两路幅度 相等，相位正交的 I/Q 信号，分别与接收的回波信 号直接混频。由于是零中频接收机，为了滤除 本振干扰，在中频段首先要做高通滤波处理。为了 扩大接收机动态范围，在中频段添加自动增益控制 （AGC）电路 。最后， 做 A/D 转换将多普勒信号交 给后续电路处理。
息。当前集成了电桥和双混频功能的 IQ 混频器 单片的产品问世，使得电路的复杂度并没有因为 要求双通道混频而增加。同时两路信号的平衡度 以及隔离度都得到了保证。
1 多普勒雷达的测速原理
导弹、舰船探测；民用上可应用于交通管制、气象 预报和入侵安防等。
而微波频段的多普勒雷达与其他形式的雷达相 比具有以下优点：
Abstract: This paper introduces a program of microwave Doppler radar for Vessel Velocity Measurement . The program uses a continuous wave emission, zero-IF receiver, making front-end circuits easy and signal processing simple.Moverover， the program uses IQ orthogonal two-channel receiver to obtain the velocity and direction， and track the antenna angle caused by wave using acceleration measurement chip ，leading to calculate the real-time speed of vessel moving real-time speed accurately.
2.2 雷达体制的选取
多普勒雷达可以分为脉冲式和连续波雷达两 种 。 [3]
脉冲式雷达可以从回波信号中提取目标的速 度、距离等信息，但是脉冲式雷达结构复杂，因 为存在速度和距离模糊的问题，信号处理也相对 比较困难，所以脉冲式雷达一般应用在军事等领 域。
对于只需要速度信息的应用，通常使用连续 波雷达，连续波雷达的结构简单、成本低，信号 的处理也相对简单，只需要提取信号的频率，而 不需要考虑信号的相位和幅度等信息。但是连续 波雷达需要考虑收发隔离的问题，在隔离度要求
Research of Microwave Doppler Radar for Vessel Velocity
Measurement
TIAN Ye, XIE Xiao-qiang , YAN Bo
(School of Electronic Engineering, University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 610054, China)
另外，为了获取天线的即时角度，本方案设计 了一个角度计。带有角度信息的电平信号同样经 A/D 转换后交给信号处理部分。
图3 加速度计芯片原理图
3 结论
由于本设计方案采用连续波体制，零中频接 收机，使得组件前端电路简单，信号处理简易， 易于工程实现。与传统简单测速雷达相比，保留 了目标运动方向信息。另外采用加速度计做角度 纠正，提高了瞬时水平速度测量的准确性。
[4] ADXL204.DataSheet.2008 Analog Devices
田 野 男，1985 年生，硕士生。主要研究方向：微波 收发组件，平面无源电路，微波集成电路与系统。 E-mail: tianye-01521@
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图2 多普勒测速雷达方案图
本方案采用锁相环电路产生稳定的发射信号， 以满足作为多普勒雷达基准信号的高稳定度以及低 相位噪声的要求。作为雷达系统的关键部件，锁相 环电路产生的本振信号其近端相噪将极大地影响系 统的整体性能。在 Ku 波段，以 50MHz 温补晶振做 参考源的情况下，近端相位噪声可以达到 -85dBc/Hz@1kHz。
传播 R / λ λ
（1）
如果目标相对于雷达运动，R 和相位都会随 着时间发生变化。对式(1)求导，可得相位随时间 的变化率，即角频率为：
ω=d
d=ϕ dt
4π d=R λ dt
4π λ
= vr
2π fd
(2)
本设计方案适用于海洋舰船的自身测速，由于 采用了正交双通道模式，保留了运动目标的方向信
Key words：Doppler; Velocity Measurement; IQ Orthogonal Two-channel
引言
作为检测运动目标的最有效手段[1]，多普勒效 应被广泛应用于军事和民用领域。通过检测多普勒 频移，可以从巨大的杂波干扰中分辨运动目标，并 且精确地测量出动目标的速度和方向。鉴于此，多 普勒雷达在军事上可应用于空中监视、火炮测速和
参考文献
[1] [美]斯科尼克.雷达系统导论.[M]电子工业出版社， 2007
[2] 王鑫. X 波段多普勒测速接收机关键技术研究 [D]. 南京：南京理工大学，2007
[3] P. Heide, et al. Coded 24GHz Doppler radar sensors: a new approach to high-precision vehicle position and ground-speed sensing in railway and automobile applications[C]. IEEE Microwawe Theory and Tech. Symp., 1995.965-968
=I A(t ) cos[2π fdt + φ(t)]
(6)
=Q A(t )sin [2π fdt + φ(t)]
(7)
(6)(7)式即分别为I和Q通道的信号，当相对位移减 小，也就是舰船正向航行时，I通道信号相位就会超 前Q通道约90°；反之，当舰船逆向航行时，I通道 信号相位滞后Q通道约90°。因此相比单通道而言， 由于保留了相位信息，可以获得舰船航行的速度方
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微波学报 2010 年 8 月
高的情况下，采用双天线结构可以最大限度地加大 隔离。 2.3 方案
通过分析和比较，选取了 Ku 波段作为发射中 心频率，连续波体制，双天线收发。具体方案如图 2 所示。
2.4 角度计
采用瞬时加速度计（ADXL204）作为天线的 角度计测试芯片。该芯片采用微机械系统，因此 具有体积小，精度高以及能耗低等特点。可选用 单/双轴测量模式,芯片以水平摆放为基准，在角 度发生变化时输出两个对应 X，Y 方向角度的电 平。用户可通过电平量精确计算芯片倾斜角度。 图 3 所示为加速度计芯片原理图[4]。
同时，微波设备的体积也是与频率相关的， 频率越高，则设备的体积越小。另外，高频段的 信号方向性好，抗干扰能力更强。然而频段高意 味着昂贵的技术成本。考虑到舰船应用对体积要 求不高，在保证测量精度的前提下，本方案拟选 取频率大小适中的 Ku 波段。以 15GHz 为例，假 设天线与水平方向呈 60 度角，则 1m/s 的速度对 应多普勒频偏为 50Hz，50m/s 的速度对应多普勒 频偏为 2.5kHz。可见，在舰船速度范围内，频偏 大小适中，信号处理段只需低速数字电路即可以 处理。