用于機(jī)車(chē)測(cè)速的雷達(dá)傳感器算法研究*

李 萌， 曹 林， 王東峰

(1.北京信息科技大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京 100101；2.北京川速微波科技有限公司，北京 100080)

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用于機(jī)車(chē)測(cè)速的雷達(dá)傳感器算法研究*

李 萌1， 曹 林1， 王東峰2

(1.北京信息科技大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京 100101；2.北京川速微波科技有限公司，北京 100080)

用于機(jī)車(chē)測(cè)速的多普勒雷達(dá)傳感器的天線(xiàn)波束方向與地面實(shí)際夾角隨著機(jī)車(chē)的震動(dòng)會(huì)發(fā)生改變，導(dǎo)致雷達(dá)測(cè)速傳感器測(cè)量的速度值與機(jī)車(chē)實(shí)際速度存在一定偏差，雙天線(xiàn)雷達(dá)測(cè)速傳感器采用雙天線(xiàn)結(jié)構(gòu)，利用兩片天線(xiàn)的角度關(guān)系及兩片天線(xiàn)所接收信號(hào)的能量大小自動(dòng)校正天線(xiàn)波束與地面夾角。通過(guò)Matlab分析數(shù)據(jù)與實(shí)際測(cè)試，角度修正后的雷達(dá)傳感器系統(tǒng)速度測(cè)量值更接近機(jī)車(chē)真實(shí)速度。

機(jī)車(chē)測(cè)速； 雷達(dá)傳感器； 雙天線(xiàn)； 角度修正

0 引 言

雷達(dá)測(cè)速傳感器采用非接觸方式，利用微波信號(hào)相對(duì)于地面的速度多普勒效應(yīng)[1]。因?yàn)殡姶挪ㄔ诓煌h(huán)境下的傳播速度幾乎不變，而且受天氣影響較小，使這種方法具有很高的可靠性和穩(wěn)定性[2]。但由于火車(chē)在行進(jìn)過(guò)程的不斷振動(dòng)，使雷達(dá)天線(xiàn)與地面的夾角θ的大小隨之發(fā)生變化，導(dǎo)致雷達(dá)測(cè)速傳感器的準(zhǔn)確度大大降低[3]。

文獻(xiàn)[4]通過(guò)采用雙微波模塊多AD采樣、不同工況下多種工作模式相互轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)思想以解決誤差和穩(wěn)定性的問(wèn)題。文獻(xiàn)[5]提出多傳感器融合定位方式，適用于城市軌道交通的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、里程計(jì)、以及信標(biāo)的組合定位方法。文獻(xiàn)[6]通過(guò)一種基于自適應(yīng)卡爾曼濾波的方法提高雷達(dá)的測(cè)速精度。

本文提出采用雙天線(xiàn)的方式，通過(guò)角度自適應(yīng)，實(shí)時(shí)地對(duì)夾角θ進(jìn)行校正，降低由于機(jī)車(chē)振動(dòng)引起的測(cè)量誤差，提高雷達(dá)測(cè)速傳感器的測(cè)速精度。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

機(jī)車(chē)多普勒測(cè)速雷達(dá)在實(shí)現(xiàn)上有兩種方式，一種是天線(xiàn)同向，另一種是天線(xiàn)異向，圖1所示為在機(jī)車(chē)上實(shí)驗(yàn)過(guò)的連續(xù)波測(cè)速雷達(dá)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。為了能夠消除由于角度偏差所帶來(lái)的測(cè)速誤差，采用雙天線(xiàn)四通道的結(jié)構(gòu)，通過(guò)兩部天線(xiàn)測(cè)出的多普勒頻率fd的差異求出實(shí)際波束方向角α。雷達(dá)發(fā)射頻率為24.15 GHz。系統(tǒng)將處理后得到的速度結(jié)果通過(guò)串口傳送到計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)。與此同時(shí)，經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的光電測(cè)速儀的測(cè)速測(cè)距結(jié)果也將存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)作為衡量多普勒雷達(dá)性能的參考標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際應(yīng)用中，考慮了采用角度自適應(yīng)矯正的方法來(lái)消除由于角度偏差所引起的測(cè)速偏差。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig 1 Block diagram of system structure

2 角度自修正算法

雷達(dá)測(cè)速傳感器的工作原理是利用多普勒效應(yīng)，安裝在機(jī)車(chē)上的雷達(dá)天線(xiàn)向地面發(fā)射固定頻率的電磁波，并接收從地面反射回來(lái)的信號(hào)，由于火車(chē)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，導(dǎo)致發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)存在一個(gè)頻率差，即為多普勒頻率fd，其與機(jī)車(chē)運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系式如下[4]

(1)

式中 v為機(jī)車(chē)運(yùn)動(dòng)速度，c為光速，f0為雷達(dá)發(fā)射頻率，θ為雷達(dá)天線(xiàn)與地面的夾角。

2.1 以同向天線(xiàn)

如圖1中(a)所示雷達(dá)安裝后，天線(xiàn)1實(shí)際與地面的夾度為θ1,天線(xiàn)2實(shí)際與地面的夾角為θ2，由于安裝在雷達(dá)上的雙天線(xiàn)具有固定的角度差，設(shè)其為Δθ，則θ1和θ2的關(guān)系為

θ2-θ1=Δθ

(2)

兩天線(xiàn)接收到的多普勒頻移分別用fd1,fd2表示，通過(guò)式(1)可知天線(xiàn)1和天線(xiàn)2所計(jì)算的速度分別為

(3)

(4)

由于兩路天線(xiàn)安裝在同一個(gè)雷達(dá)傳感器上，用于測(cè)量機(jī)車(chē)速度，理想情況下

v=v1=v2

(5)

由此可得

(6)

由式(6)可得出

(7)

(8)

因此,根據(jù)式(6)得出真實(shí)速度

(9)

2.2 當(dāng)天線(xiàn)異向時(shí)

如圖1(b)所示，其算法原理與同向天線(xiàn)類(lèi)似，不同之處在于，兩天線(xiàn)的角度和為定值(同向天線(xiàn)為角度差)，即

θ1+θ2=θsum

(10)

其公式推理過(guò)程與上相似，最后可得出

(11)

對(duì)比式(9)和式(11)可知，兩種雷達(dá)的公式可以通用，不同之處僅在于天線(xiàn)異向的雷達(dá)公式中用的是角度和θsum，而天線(xiàn)同向的雷達(dá)公式中用的是角度差Δθ。

3 測(cè)試與仿真分析

利用雷達(dá)樣機(jī)采集大量數(shù)據(jù)，其中同向天線(xiàn)雷達(dá)樣機(jī)的兩角度差為15°，異向天線(xiàn)雷達(dá)樣機(jī)的兩角度和為90°。雷達(dá)工作周期為26.24 ms,即每26.24 ms采集一個(gè)樣本數(shù)據(jù)，每個(gè)樣本數(shù)據(jù)有1 024點(diǎn)。圖2(a)為異向天線(xiàn)雷達(dá)時(shí)域數(shù)據(jù)樣本和快速傅里葉變換(FFT)后的頻域信號(hào)，圖2(b)為同向天線(xiàn)雷達(dá)時(shí)域數(shù)據(jù)樣本和FFT后的頻域信號(hào)。經(jīng)過(guò)大量采集數(shù)據(jù)樣本，并仿真分析對(duì)比數(shù)據(jù)，可以觀(guān)察到，在不考慮角度偏差時(shí)，直接根據(jù)多普勒原理計(jì)算出的速度跳變較大，不夠穩(wěn)定；而通過(guò)自適應(yīng)修正方法修正后得出的速度相對(duì)穩(wěn)定，更接近真實(shí)速度。如圖3中(a)，(b)所示，由圖中數(shù)據(jù)可見(jiàn)，實(shí)驗(yàn)中角度修正后的速度更接近真實(shí)速度。

圖2 兩種雷達(dá)時(shí)域數(shù)據(jù)樣本與FFT變換后的信號(hào)Fig 2 Time domain data samples of two kinds of radar andsignal after FFT transform

圖3 兩種雷達(dá)角度修正后速度對(duì)比結(jié)果Fig 3 Speed comparison results of two kinds of radarwith angle correction

同向天線(xiàn)雷達(dá)共有1#～4#樣機(jī)，異向天線(xiàn)雷達(dá)有2臺(tái)樣機(jī)，測(cè)試時(shí)通過(guò)進(jìn)行錄制視頻,對(duì)比統(tǒng)計(jì)測(cè)試結(jié)果，可知異向天線(xiàn)雷達(dá)的速度比同向天線(xiàn)雷達(dá)的速度更接近真實(shí)速度。具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

在機(jī)車(chē)測(cè)速中激光測(cè)速的精度最高，其工作在紅外和可見(jiàn)光波段。誤差在1 km/h以?xún)?nèi)，而本算法中的異向天線(xiàn)雷達(dá)測(cè)速誤差也在1 km/h以?xún)?nèi)[6]，但激光測(cè)速儀只能在靜止?fàn)顟B(tài)下應(yīng)用，不能以車(chē)載的動(dòng)態(tài)模式工作，所以,無(wú)法對(duì)機(jī)車(chē)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)速。

表1 同向天線(xiàn)雷達(dá)與異向天線(xiàn)雷達(dá)速度偏差對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

這種雙天線(xiàn)測(cè)速的方法只需要在單天線(xiàn)雷達(dá)上增加一個(gè)低成本天線(xiàn)即可，2套天線(xiàn)的信號(hào)送入同一信號(hào)處理器進(jìn)行檢測(cè)和融合，不僅提高了測(cè)量精度，而且雙天線(xiàn)互為冗余，提高了系統(tǒng)整體的可靠性。

連續(xù)波多普勒雷達(dá)測(cè)量機(jī)車(chē)速度時(shí)，天線(xiàn)角度偏差直接影響到了測(cè)速的精度。采用角度自修正方法，在可能出現(xiàn)的角度偏差范圍內(nèi)，能夠以很小的計(jì)算量有效解決角度偏差問(wèn)題。

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曹 林，通訊作者，E—mail:charlin26@163.com。

Algorithm study of radar sensor for locomotive speed measuring*

LI Meng1, CAO Lin1, WANG Dong-feng2

(1.College of Information and Communication Engineering，Beijing Information Science & Technology University，Beijing 100101，China; 2.Beijing TransMicrowave Science and Technogy Company Ltd，Beijing 100080，China)

The actual angle included between antenna beam direction of radar speed sensor used for measuring speed of the locomotive and horizontal will change as the locomotive vibrations,which lead to a certain deviation between the speed value of radar sensor measuring and the actual speed of the locomotive.In order to improve the accuracy of the speed measurement values, radar speed sensor with a dual antenna can automatically correct the angle between antenna beam and horizontal.By Matlab data analysis and practical test,velocity measurement value of the radar sensor system with angle correction is closer to real locomotive speed.

locomotive speed measuring; radar sensor; dual antenna; angle correction

10.13873/J.1000—9787(2016)12—0069—03

2016—02—24

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61671069)

TN 958

A

1000—9787(2016)12—0069—03

李 萌(1990-)，女,碩士研究生，研究方向?yàn)槔走_(dá)傳感器信號(hào)處理。