雙天線雷達(dá)測速儀的研發(fā)

陳紅江，張 浩，湯 灝，吳 軍

（1.湖南省計(jì)量檢測研究院，湖南 長沙 410014；2.長沙普德利生科技有限公司，湖南 長沙 410000）

雙天線雷達(dá)測速儀的研發(fā)

陳紅江1，張 浩1，湯 灝1，吳 軍2

（1.湖南省計(jì)量檢測研究院，湖南 長沙 410014；2.長沙普德利生科技有限公司，湖南 長沙 410000）

為解決現(xiàn)有機(jī)車測速儀的不足，研發(fā)一種基于非對稱發(fā)射角度的雙天線雷達(dá)測速儀。該測速儀由雙雷達(dá)微波模塊、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和電源模塊組成。雙雷達(dá)微波模塊與地面分別構(gòu)成不同的發(fā)射角，以不同的頻率發(fā)射雷達(dá)波，根據(jù)能量和頻譜特征接收各自發(fā)射的雷達(dá)波產(chǎn)生的反射波，將其傳入信號調(diào)理模塊分別處理后，再輸入數(shù)據(jù)處理模塊利用多普勒效應(yīng)相關(guān)算法分別進(jìn)行分析解算。模擬測試結(jié)果表明，該測速儀具有測速精度高、系統(tǒng)穩(wěn)定、數(shù)據(jù)可靠等優(yōu)點(diǎn)。

雙天線雷達(dá)；測速儀；微波模塊；信號調(diào)理模塊；多普勒效應(yīng)

0 引 言

為了確保鐵路列車運(yùn)行安全，需要不斷完善列車運(yùn)行保障體系，這就需要對列車的運(yùn)行速度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控[1-4]。

目前各種列車測速方法的匯總及優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。其中前2種測試方法為間接測速，具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，是我國列車運(yùn)行速度測量的主要方法。后2種測試方法為直接測速，其中GPS測速存在山區(qū)和隧道的信號盲區(qū)，不適合用于列車速度測量。多普勒雷達(dá)測速具有可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在國外被廣泛應(yīng)用于機(jī)動車和列車測速[5-8]。然而，目前國內(nèi)還沒有對列車?yán)走_(dá)測速儀進(jìn)行檢測的相應(yīng)技術(shù)和設(shè)備，也缺乏相關(guān)的規(guī)程、規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。

表1 幾種現(xiàn)有測速方式的優(yōu)缺點(diǎn)對比

針對以上情況，本文提出了基于多普勒效應(yīng)的雙天線雷達(dá)測速儀。該測速儀應(yīng)用多普勒效應(yīng)非接觸測量列車行駛速度，采用了雙天線的冗余設(shè)計(jì)及特殊的算法，抗干擾能力更強(qiáng)、準(zhǔn)確度更高。此外，雙天線雷達(dá)測速儀提供脈沖及串口2種數(shù)據(jù)輸出，能夠滿足客戶更多的需求。

1 雙天線雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雙天線雷達(dá)系統(tǒng)主要由微波模塊、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和電源模塊4個(gè)模塊組成，如圖1所示。

1.1 微波模塊

雙天線雷達(dá)微波源采用微帶結(jié)構(gòu)，外觀小巧，工作時(shí)能耗較低，而且易于集成于各種電路。該天線不僅可用于探測運(yùn)動目標(biāo)的存在、速度及方向，還可以利用編程功能自行設(shè)置發(fā)射頻率、輸出功率以及內(nèi)部中頻放大器的增益。這樣，可以有效解決相鄰雷達(dá)傳感器因?yàn)榘l(fā)射信號頻率相近，可能產(chǎn)生相互干擾的問題。

1.2 信號調(diào)理模塊

A/D轉(zhuǎn)換采用的MAX11043ATL+是一種4路差分或單端輸入、16位A/D同時(shí)采樣芯片，每路都包含PGA（可編程增益放大器）和可編程數(shù)字濾波器模塊，如圖2所示。每個(gè)通道的濾波器由7級2階濾波器單元構(gòu)成，每個(gè)2階濾波器均可設(shè)置為低通、高通或帶通，最高可構(gòu)成14階濾波器。

圖1 雙天線雷達(dá)系統(tǒng)主要組成部分

圖2 A/D采樣應(yīng)用電路圖

1.3 數(shù)據(jù)處理模塊

鑒于雷達(dá)信號處理算法中需運(yùn)算Burg算法以及同時(shí)處理2路信號，考慮運(yùn)算速度、運(yùn)算精度、片內(nèi)資源等各個(gè)方面，處理器必須滿足高能效、連通性設(shè)計(jì)、高集成度外設(shè)、低熱量耗散以及更長的電池使用壽命等要求。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為系統(tǒng)初始化、DSP中斷、信號處理和串口通信4個(gè)部分，圖3給出系統(tǒng)DSP軟件的流程圖。

圖3 DSP軟件流程圖

1.4 電源模塊

雙天線雷達(dá)測速儀的電源模塊支持6～36V寬壓輸入，可以提供穩(wěn)定的5，12V輸出，具有防短路、防電源反接功能，且符合GB/T 25119——2010《軌道交通機(jī)車車輛電子裝置標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

2 雙天線雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于2個(gè)雙雷達(dá)微波模塊與地面分別構(gòu)成不同的發(fā)射角，因此可以接收到2個(gè)不同頻譜的反射波，將其分別處理后輸入DSP進(jìn)行速度解算。這樣的雙模塊設(shè)計(jì)可以避免列車顛簸帶來的測量誤差，確保速度值的準(zhǔn)確性。此外，從工程化冗余設(shè)計(jì)方面考慮，當(dāng)其中一個(gè)微波模塊出現(xiàn)故障無法正常工作時(shí)，另外一個(gè)微波模塊還可以單獨(dú)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的測速功能，從而大大提高系統(tǒng)可靠性。

圖4 雷達(dá)測速傳感器抗震設(shè)計(jì)圖［9］

根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)以及同類先進(jìn)產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)，雷達(dá)微波模塊與地面的夾角θ最好在30°～60°之間。根據(jù)大量的資料支持以及實(shí)際實(shí)驗(yàn)中多種角度的對比總結(jié)，確定系統(tǒng)最佳的θ角。假設(shè)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的2個(gè)微波模塊的放置如圖4（a）所示，安裝角度分別為α和β，其中α初始值為40°，β初始值為50°，2個(gè)模塊之間的角度差為10°。若運(yùn)行中列車出現(xiàn)顛簸或猛烈的震動，導(dǎo)致雷達(dá)微波模塊的發(fā)射波與地面的夾角α和β發(fā)生變化，分別變?yōu)棣?和β1，但它們?nèi)詽M足|α1-β1|=10°，如圖 4（b）所示。

雙天線夾角同向設(shè)計(jì)可以保證α和β的角度差一定，保證雷達(dá)波發(fā)射方向的一致性，避免顛簸和猛烈震動帶來的影響，有利于傳感器實(shí)際安裝及使用過程中速度測量的準(zhǔn)確性。

2.2 可靠性和環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

由于雙天線雷達(dá)測速儀工作時(shí)直接安裝在列車底部，車輛運(yùn)行環(huán)境惡劣，且運(yùn)行時(shí)間長，對雙天線雷達(dá)測速儀的可靠性和環(huán)境適應(yīng)能力提出了很高的要求。

機(jī)械可靠性：外殼鋁材整體成型，抗沖擊力；微波天線為10 mm耐力板，抗沖擊力；外殼與機(jī)車安裝橡膠減震墊，連接螺絲為6顆M8鋼制螺絲；外殼連接件采用12芯軍用級防水接插件。

電子可靠性：全部采用工業(yè)級電子元器件，PCB貼裝后全部刷三防油漆，測速儀內(nèi)部整理微波屏蔽，10萬小時(shí)無故障設(shè)計(jì)。

環(huán)境適應(yīng)性：工作溫度為-40～80℃，無風(fēng)扇散熱，穩(wěn)定可靠，IP防護(hù)等級為IP67。

2.3 基于列車加速度規(guī)則的可靠性設(shè)計(jì)

基于列車加減速信號來提高列車速度可靠性。列車通過開關(guān)量或TTL信號的方式，接入列車控制系統(tǒng)的加減速機(jī)剎車控制信號，在信號動作時(shí)間后，列車速度應(yīng)明確為加速、減速或急減速。雙天線雷達(dá)測速儀工作時(shí)運(yùn)算結(jié)果與此趨勢應(yīng)互相對應(yīng)，否則為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。

基于列車加速度規(guī)則的設(shè)計(jì)來提高列車速度的可靠性。列車加速度的制定因素不僅僅考慮機(jī)車功率，還要兼顧乘客乘坐時(shí)的舒適度。人體能夠忍受的加速度為1～2 m/s2，結(jié)合機(jī)車功率計(jì)算，列車加速度一般也在這個(gè)數(shù)值范圍內(nèi)。雙天線雷達(dá)測速儀工作時(shí)通過對連續(xù)速度序列計(jì)算得到加速度，通常情況下，加速度應(yīng)符合上述要求。在剎車和緊急制動情況下，加速度會變得比較大，因此增加剎車和緊急制動反饋功能允許在此種情況下加速度稍大。

2.4 基于雙天線速度雙鑒設(shè)計(jì)

雙天線雷達(dá)測速儀采用2片天線，提供4個(gè)信號通道。通過算法可以得到列車運(yùn)行的方向和2組獨(dú)立的速度值。當(dāng)2片天線輸出相同的速度則表示當(dāng)前測速是可信的；當(dāng)速度發(fā)生跳變且2片天線得到的速度差別較大時(shí)，根據(jù)加速度判定規(guī)則獲取當(dāng)前速度。在速度輸出率要求不高的情況下，由于雷達(dá)輸出率可高達(dá)50Hz，可以通過分析連續(xù)的速度序列，進(jìn)一步驗(yàn)證或糾正輸出的速度值。

2.5 裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖5 雙天線雷達(dá)裝配結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)使用要求，雙天線雷達(dá)主要包括雷達(dá)、雷達(dá)擋板、蓋板等部分，詳細(xì)裝配情況如圖5所示。其中，底殼為一體化結(jié)構(gòu)，可以增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，減少連接，方便裝配；擋板具有高強(qiáng)度耐壓功能，防水密封，防止碎石沖擊，且采用沉臺設(shè)計(jì)，防止擋板掉落；外部連接器采用IP67防護(hù)等級航空插頭，防水抗震；蓋板、背板連接用橡膠密封，防水抗震，采用多重走線，防止內(nèi)部連接線晃動。

3 測試方法及數(shù)據(jù)分析

對雙天線測速雷達(dá)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室速度模擬測試，將被測雙天線雷達(dá)測速儀與雷達(dá)測速儀檢定裝置進(jìn)行連接，如圖6所示。

首先，接通被檢雙天線雷達(dá)測速儀電源后開機(jī)，預(yù)熱15min。反射信號調(diào)制器將獲得被檢測速儀的發(fā)射頻率f，并反饋給控制處理模塊。

圖6 測試方法原理圖

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總表 km/h

然后，根據(jù)預(yù)定的模擬速度（10～400 km/h）計(jì)算出需要模擬的多普勒頻移fd的大小，通過調(diào)制器生成反射頻率為f1（f1=f±fd）的多普勒信號，經(jīng)天線發(fā)射回被檢測速儀并解調(diào)出f1，就能計(jì)算出應(yīng)該測得的速度。

最終，通過比較被檢測速儀測得的速度值和雷達(dá)測速儀檢定裝置模擬的標(biāo)準(zhǔn)速度值，可以得到被檢測速儀的測速準(zhǔn)確度等信息，具體實(shí)驗(yàn)室模擬測試數(shù)據(jù)見表2。

通過分析表中測試數(shù)據(jù)可知，該雙天線雷達(dá)測速儀在10～400km/h的模擬速度測試中均能滿足測速誤差小于1km/h，具有較高的測量精度。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于非對稱發(fā)射角度的雙天線雷達(dá)測速儀，解決了現(xiàn)有列車速度傳感器在車輪打滑、空轉(zhuǎn)以及車輪磨損變形等造成測速誤差的問題。該測速儀具備全天候、全路段、實(shí)時(shí)連續(xù)的測速能力，可以獲取穩(wěn)定、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的速度信息、距離信息和方向信息，有效判斷列車行駛狀況和路況信息，為列車安全運(yùn)營提供有效的保障。

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（編輯：商丹丹）

Development of dual antenna radar velocimeter

CHEN Hongjiang1， ZHANG Hao1， TANG Hao1， WU Jun2
（1.Hu'nan Institute of Metrology and Test，Changsha 410014，China；2.Changsha Potelissom Technology Co.，Ltd.，Changsha 410000，China）

To solve the shortcomings of locomotive velocimeter，the dual antenna radar velocimeter based on asymmetric emission angle is developed，which is composed of dual radar microwave module， signal conditioning module， data processing module and power module.The dual radar microwave module and the ground form different emission angles and transmit radar waves at different frequencies，the reflected waves are

according to their respective energy and spectrum characteristics，finally the wave singles are analyzed and calculated by using Doppler effect before signal conditioning module processing.The test results show that the dual antenna radar velocimeter is with high precision，stable system and reliability characteristics.

dual antenna radar； velocimeter； microwave module； signal conditioning module； Doppler effect

A

1674-5124（2017）06-0075-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.06.016

2016-10-29；

2016-12-15

國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)（2012YQ090208）

陳紅江（1983-），男，河北衡水市人，高級工程師，博士，研究方向?yàn)檎駝?、聲學(xué)及速度計(jì)量技術(shù)研究與應(yīng)用。