雷達(dá)測(cè)速傳感器及其測(cè)試系統(tǒng)研究

佟通

摘要∶隨著地鐵飛速發(fā)展，列車運(yùn)營(yíng)安全要求越來(lái)越高，針對(duì)我國(guó)車載測(cè)速雷達(dá)測(cè)試工裝缺乏的緊張局面，研究了一種基于數(shù)字信號(hào)處理器雷達(dá)測(cè)速系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的工作原理。主控單元通過(guò)自定義總線與將參數(shù)下發(fā)到DRFM 單元，DRFM 模塊通過(guò)超大規(guī)模 FpGA 實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)的檢測(cè)與參數(shù)提取、多普勒調(diào)制 （ 速度模擬 ） 與信號(hào)產(chǎn)生，生成的信號(hào)通過(guò)超寬帶DAC 轉(zhuǎn)換為模擬中頻信號(hào) ，雷達(dá)微波模塊輸出的多普勒頻率信號(hào)經(jīng)放大濾波后，控制信號(hào)的采集和對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，最終將結(jié)果送至顯示控制單元。該測(cè)速系統(tǒng)具有很好的精確度、實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，填補(bǔ)了我國(guó)在這一領(lǐng)域的研究空白，具有重要的理論與實(shí)踐意義。

關(guān)鍵詞∶雷達(dá)，速度傳感器，多普勒

1、引言

2020年至2021年初，我連續(xù)收到多臺(tái)14號(hào)線 DRs05雷達(dá)速度傳感器，一線疑似雷達(dá)存在故障。為確定此類雷達(dá)是否存在故障，以便支持一線故 障分析及開(kāi)展維修工作，我開(kāi)展相關(guān)維修能力及測(cè)試研究工作。

2、雷達(dá)介紹

2.1、測(cè)速雷達(dá)

品牌：DEUTA-wERKE CmbH ，型號(hào)：DRs05，雷達(dá)速度傳感器采用不接觸地面的方式測(cè)量列車運(yùn)行的速度、距離、方向。同時(shí)還提供診斷和狀態(tài)信號(hào)，這些信號(hào)通過(guò)一個(gè)485通信串行接口輸出給車載，根據(jù)使用條件不同，產(chǎn)品的使用壽命建議在6-8年之間。

測(cè)速范圍：0.2-600Km/h

標(biāo)準(zhǔn)脈沖輸出 ： 占空比1：1供電電源：24VDC～110VDC

功耗：根據(jù)接口電路不同可達(dá)10w 天線發(fā)射頻率：24.125CHz（k 波段）

天線發(fā)射功率：2x5mw，單個(gè)天線5mw

2.2、雷達(dá)微波模塊

雷達(dá)微波模塊位于系統(tǒng)的最前端，是發(fā)射波的產(chǎn)生裝置和反射波的接受裝置，雷達(dá)微波模塊在接受了回波信號(hào)以后，向后端電路發(fā)送兩個(gè)信號(hào)混頻之后的正弦波信號(hào)，正弦波的頻率為多普勒頻率。當(dāng)然由于發(fā)雜的環(huán)境和各種干擾，雷達(dá)微波模塊向后發(fā)出的多普勒頻率還包含了許多的噪聲和干擾。如何產(chǎn)生穩(wěn)定準(zhǔn)確的多普勒頻率信號(hào)和盡量的降低噪聲及干擾是雷達(dá)微波模塊最重要的品質(zhì)因素，雷達(dá)微波模塊的質(zhì)量是保證系統(tǒng)測(cè)量精確度的基礎(chǔ)，后端的信號(hào)放大、采集和計(jì)算都是基于雷達(dá)微波模塊發(fā)出的多普勒頻率信號(hào)。

2.3、頻率解算方法

雷達(dá)微波模塊發(fā)射雷達(dá)波以后，會(huì)接受到來(lái)自各個(gè)方向的回波信號(hào)和環(huán)境本身產(chǎn)生的電磁波信號(hào)，這些雜波信號(hào)是測(cè)量誤差的基本來(lái)源。頻率解算方法的目標(biāo)就是從各種雜波中快速準(zhǔn)確的找到我們需要反射波信號(hào)，估算出實(shí)際的多普勒頻率。

采用何種數(shù)據(jù)處理方式和信號(hào)處理方法非常重要，一個(gè)穩(wěn)定精確的算法保證了系統(tǒng)能夠得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，決定了雷達(dá)測(cè)速傳感器的測(cè)速質(zhì)量。 頻率解算方法一直是提高雷達(dá)測(cè)速傳感器品質(zhì)的重點(diǎn)所在。

在本測(cè)速系統(tǒng)的算法設(shè)計(jì)中，是以離散傅里葉變換為基礎(chǔ)的經(jīng)典譜估計(jì)算法和以隨機(jī)過(guò)程的參數(shù)模型為基礎(chǔ)的現(xiàn)代譜估計(jì)算。

2.4、多普勒效應(yīng)

當(dāng)信號(hào)發(fā)射源和目標(biāo)物體即信號(hào)反射物之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)發(fā)生變化時(shí)，則目標(biāo)物體所接收到的信號(hào)頻率和信號(hào)發(fā)射源所發(fā)射的信號(hào)的頻率會(huì)發(fā)生變化而頻率值不一樣。當(dāng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為遠(yuǎn)離時(shí)，接收到反射信號(hào)頻率會(huì) 變低（紅移），當(dāng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為接近時(shí)，接收到的信號(hào)頻率會(huì)變高（藍(lán)移），我們根據(jù)判別接收信號(hào)頻率和發(fā)射信號(hào)的頻率的變化大小來(lái)計(jì)算相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度大小。

3、測(cè)速雷達(dá)工裝目標(biāo)

根據(jù)雷達(dá)工作原理及工作目標(biāo)，需建設(shè)測(cè)試工裝對(duì)雷達(dá)進(jìn)行檢測(cè)。工裝需要實(shí)現(xiàn)下述功能 ：

a）定性檢測(cè)雷達(dá)功能是否正常

b）模擬雷達(dá)實(shí)際運(yùn)行情況，進(jìn)行前進(jìn)、后退、靜止測(cè)試

c）對(duì)不同速度情況下雷達(dá)反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試及驗(yàn)證，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)

d）針對(duì)上述測(cè)試能夠自動(dòng)進(jìn)行，無(wú)需人員干預(yù)

4、 工裝搭建

4.1. 功能描述

a）雷達(dá)信號(hào)采集分析功能 ：

通過(guò)天線接收雷達(dá)發(fā)射的射頻模擬信號(hào)，并將其下變頻到模擬中頻信號(hào)，然后通過(guò) AD 采樣得到中頻數(shù)字信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，計(jì)算信號(hào)頻率及功率;

b）速度模擬功能 ：

根據(jù)用戶自定義速度、方向，結(jié)合雷達(dá)頻率與安裝角度，計(jì)算出多普 勒頻率，對(duì)信號(hào)進(jìn)行多普勒調(diào)制后，生成新的中頻回波模擬信號(hào);

c）信號(hào)輸出功能：

對(duì)中頻模擬回波信號(hào)進(jìn)行上變頻處理，并通過(guò)天線輻射給雷達(dá)接收;d） 一體化測(cè)試功能：

具備一鍵測(cè)試?yán)走_(dá)頻率、功率、多種速度及方向組合的能力，并與雷達(dá)回傳的目標(biāo)參數(shù)自動(dòng)比對(duì)，自動(dòng)生成雷達(dá)測(cè)試報(bào)告;

e） 自檢功能：

具備加電自檢功能，根據(jù)故障碼可以定位測(cè)試儀模塊級(jí)故障。

4.2主要性能

工作頻率：24.125CHz

測(cè)速范圍：0.1km/h-1000km/h 速度步進(jìn)：0.1Km/h

接收功率范圍：-30dBm-+10dBm（10mw） 支持連續(xù)老化測(cè)試

4.3組成

雷達(dá)綜合測(cè)試儀主要包含雷達(dá)綜合測(cè)試儀主要包含 K 波段收發(fā)設(shè)備（主機(jī)，內(nèi)置）、收發(fā)天線 （2對(duì)，內(nèi)置 ）、便攜式操作終端、AD/DC 電源等。 其中主機(jī)單元由 DRFM 模塊、射頻上下變頻模塊、嵌人式控制器、DC/DC 電源、背板、風(fēng)扇單元、收發(fā)天線 （2對(duì)，內(nèi)置 ）、手持式終端 （PAD）、電 源適配器等。

4.4工作原理 ：

通過(guò)系統(tǒng)主控軟件完成工作模式、目標(biāo)參數(shù)編輯并對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，通過(guò)以太網(wǎng)將控制參數(shù)下發(fā)到主控單元。

主控單元通過(guò)自定義總線與將參數(shù)下發(fā)到 DRFM 單元，DRFM 模塊通過(guò)超大規(guī)模 FPCA 實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)的檢測(cè)與參數(shù)提取、多普勒調(diào)制 （ 速度模擬 ） 與信號(hào)產(chǎn)生，生成的信號(hào)通過(guò)超寬帶 DAC 轉(zhuǎn)換為模擬中頻信號(hào)。同時(shí)DRFM 單元按控制時(shí)序向射頻上下變頻單元下發(fā)控制參數(shù)。射頻上下變頻單元完成中頻信號(hào)頻率的濾波、變頻、放大及數(shù)控衰減等，匹配系統(tǒng)的輸出功率及輸出動(dòng)態(tài)要求。通過(guò)系統(tǒng)主控軟件可逐項(xiàng)檢測(cè)雷達(dá)各項(xiàng)參數(shù)，如頻率、功率、速度（一組速度）、方向及獲取雷達(dá)上報(bào)結(jié)果等，也可一鍵自動(dòng)完成各項(xiàng)參數(shù)測(cè)量并生成檢測(cè)報(bào)告，方便快速高效的完成雷達(dá)檢測(cè)。

5、風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施

a）器件選擇軍品級(jí)，工作溫度、穩(wěn)定性和使用壽命高于工業(yè)級(jí)和民用級(jí)，且廠家為每塊軍品級(jí)模塊提供各項(xiàng)參數(shù)的檢測(cè)報(bào)告;

b）模塊內(nèi)部設(shè)計(jì)有過(guò)流、過(guò)壓、欠壓等保護(hù)功能，同時(shí)電源板卡本身也有過(guò)流熔斷保險(xiǎn)，雙重保護(hù)確保板卡故障不影響其他設(shè)備;

參考文獻(xiàn)：

[1]張武娟.雷達(dá)測(cè)速在列車運(yùn)行中的研究與應(yīng)用 [D]. 長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2008：1～4.

[2]林寶璽，胡志英. 多普勒雷達(dá).北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1982.11～201.