[其他]被动式比相多卜勒短跑测速雷达

说明书

本发明属于雷达技术领域。

本发明是一种供体育运动研究、教学和训练使用的实时化人体奔跑运动速度测试方法及其装置。

目前国内外使用的人体奔跑运动瞬时速度测试方法是高速摄影方法和分段光电管方法。高速摄影方法的缺点主要是测试结果获取周期长，数据判读计算工作量大，使用费用高。分段光电管方法仅可测出区间平均速度，多运动员测速时设备需占用跑道空间，性能较差。

近年来国内外的电子工程界对主动式多卜勒雷达用于短跑测速先后进行了一系列偿试。实验表明，由于人体並非可视为刚体目标，奔跑时人体各部位速度不一，雷达发射波与反射波混频后所得的多卜勒信号为多个频率成分混合的不规则复杂信号，用简单体制的工作原理或简单的信号处理方法已难以获得精度上可供实用的测试结果。主动式雷达要实现多路使用也比较困难。

本发明的目的在于指导设计出一种技术上、经济上易于实现的实时化多路化人体运动测速装置。

本发明的内容是提出了以比相原理设计的被动式多卜勒雷达测速方法及其装置。其信号获得过程可简述如下：在被测运动员身上佩带一小型化高频信标发射机，在直跑道的起点延长线上和终点延长线上各架设一副高频接收天线，两副天线所接收的信号分别使用电缆输入比相接收机。设运动员所佩带的发射机振盪频率为f，对应波长为λ，运动员以速度v向前运动时，由于多卜勒效应，终点延长线上天线所接收的信号频率变为f+ (v)/(λ) ，起点延长线上天线所接收的信号频率变为f- (v)/(λ) ，两副天线所接收的信号分别经同轴电缆传输至比相接收机，比相接收机将信号分别放大后进行相位比较，可提取出反映运动员发射机佩带部位瞬时速度的多卜勒信号f_d＝ (2v)/(λ) 。

由更详尽的理论方法可以推得多卜勒频移的产生是由于佩带在运动员身上的发射机运动使电波产品附加相移的结果。这个相移变化量与运动员至两接收天线间距离变化量之差成正比。因而等位移曲线是以两接收天线坐标为焦点的等距双曲线。

本发明的优点是采用比相原理来提取运动员所佩带发射机的多卜勒频移，使发射机频率不稳定度对多卜勒信号精度的影响得以抵消。由公式f_d＝ (2v)/(λ) ＝ (2fv)/(C) 知，多卜勒信号稳定度与发射机频率稳定度相当。信标发射机的频率稳定度既使仅为1×10^-3时，比相接收机理论上仍可获得0.1%的测速精度。如果信标发射机是发射着心电等遥测信号的调频发射机，使用比相接收机甚至可以在不影响原有心电遥测系统工作的情况下，同时从心电发射机的高频载波信号中提取出运动员的运动速度和位移信息。此外，被动式雷达测速多卜勒信号反映的是发射机的运动速度，信号处理简单，实现多路测速比较容易。将发射机置于运动员脚部位置时，有可能测出运动员奔跑的步长步频等重要参数。

实现本发明的最好方式是设计使用同步变频式比相接收机和小型化信标发射机。

实施例

如图所示的被动式比相多卜勒短跑测速雷达，其接收机采用了由超外差接收技术和相位差法结合而设计的同步变频式比相接收方案。图中各部件的组成是：（1）、（2）为高频接收天线，（3）为运动员佩带的信标发射机，（4）、（5）为高频放大器，（6）、（7）为混频器，（8）为本机振盪器，（9）、（10）为中频滤波放大器，（11）为多卜勒信号混频器及数字相位计，（12）为计算机接口。