一種車載毫米波列車防撞雷達系統研究

劉海波* 盛蒙蒙 楊曉倩

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一種車載毫米波列車防撞雷達系統研究

劉海波盛蒙蒙 楊曉倩

(北京理工大學信息與電子學院雷達技術研究所 北京100081)

列車防撞雷達是保障鐵路行車安全的一種重要設備，該文針對列車防撞應用需求中的低成本實現目標方位角度高精度測量難題，采用了基于開關切換的數字陣列天線和頻率步進高分辨波形設計方法，分析了收發天線的天線方向圖和頻率步進合成寬帶信號幅相誤差補償問題，并構建了一種低成本車載毫米波防撞雷達系統，進行了原理樣機外場實驗。實驗結果表明該樣機系統達到了較高的距離分辨率和角度測量精度，可有效分辨鐵軌內外目標。

列車防撞雷達；數字陣列；頻率步進信號

1 引言

隨著我國客運專線建設的快速發展，列車運行速度不斷提高，對列車運行安全的要求也不斷提高，現有的列控系統采用信號閉塞手段來保證行車安全，但列控系統只能保證監測行車列車這種合作目標，對于具有突發性、不可預測等非合作目標侵限事件的發生不能提前預警。“甬溫線”鐵路交通事故也說明，除列車控制系統之外，一套與信號系統完全獨立的，可自主工作，能全天時、全天候工作的鐵路行車安全保障系統是必要的。

防撞雷達是民用雷達技術應用的一個重要分支，隨著雷達技術的發展，防撞雷達已廣泛應用于汽車、飛機、船舶等交通系統中。但與汽車防撞雷達相比，鐵路列車運行速度快，需要的制動距離遠，火車雷達需要更遠的探測威力和更高的角度測量精度，因而在實現手段上與汽車雷達也有所不同。本文針對火車防撞雷達的應用背景，研究一種具有較高的距離分辨率和方位向測角精度的低成本車載列車防撞雷達，分析討論了基于開關切換的數字陣列天線設計、頻率步進合成寬帶信號幅相誤差補償等問題，并給出了原理樣機外場實驗結果。

2 基于數字陣列的列車防撞雷達系統

2.1體制選擇

對于車載毫米波列車防撞雷達，準確判別前方一定距離的目標是否在鐵軌內是一個技術難點，根據使用方要求，要準確判別3 km處鐵軌內外目標，角度測量精度需達到0.02°，為獲得高的測量精度，必須使用大孔徑天線。同時在近距離上，需要在50 m處波束掃描范圍覆蓋鐵軌寬度，天線掃描范圍至少滿足2°～2°。為了降低成本同時提高可靠性考慮，本系統采用了收發分置天線、寬波束發射窄波束接收、接收波束采用數字波束形成的雷達體制，接收陣列天線經過數字波束形成窄波束，并采用數字單脈沖方法獲得高的測量精度，同時為了抑制角閃爍問題，還采用距離高分辨技術。

由于傳統的線性調頻連續波(Linear Fre- quency Modulation Continuous Wave, LFMCW)用于防撞雷達存在一系列技術問題，如測量多目標困難，距離分辨率受脈內掃頻線性度的影響，因此在波形設計上本系統采用了頻率步進合成寬帶信號。

2.2天線陣列設計

為了形成窄接收波束，需要大的孔徑長度，如果陣列滿布排列，成本較高，因此本系統采用了稀疏布陣形式，即天線間隔大于半波長，于是在式(1)的角度位置會產生柵瓣

由于列車雷達只對前方較窄角度范圍探測，并且采用了寬發窄收體制，通過控制發射天線波束寬度可有效抑制接收合成波束的天線柵瓣。

為進一步降低成本，參考某汽車雷達的天線設計，本雷達采用收發分置天線1發16收工作模式，每4路接收天線通過一個單刀四擲開關分時接收不同通道回波信號。單刀四擲開關原理框圖如圖2所示，當天線開關依次切換工作完一個完整周期后，再將16個天線的數據送入數字信號處理模塊。

2.3 調頻步進波形幅相補償處理

圖1 不同指向下發射接收雙程方向圖

圖2 開關工作原理框圖

目標回波的時間延遲表示為

(3)

脈壓后信號為

脈壓后信號相位為

(5)

逆傅里葉變換(IDFT)輸出高分辨成像結果為

IDFT輸出為離散的sinc函數，通道間幅度不一致會導致sinc函數輸出峰值的畸變。

解決方法就是當物體在法線方向時，取距離像峰值點，對其進行補償，使各通道之間的相位差為0。此時通道間的不一致性，可以得到較好的補償。

綜上所述，步進頻波形及幅相誤差補償處理分為通道內各頻點校正為線性相位及通道間特性校正，具體流程圖如圖3所示。

2.4 系統構建

列車防撞雷達系統的總體設計框圖如圖4所示。頻綜模塊產生單元產生兩路基帶調頻連續波信號，上變頻至X波段，發射模塊將X波段信號4倍頻，經過功率放大后發射。接收天線使用4路接收機通過4個1選4開關切換分時接收16路天線的信號，再與接收本振混頻，得到中頻信號，下一步經過AD采集后的數據進行數字信號處理，最后獲得目標的距離和角度。

3 原理樣機實驗結果分析

構建的原理樣機系統參數如表1所示，圖5展示了列車防撞雷達的實物照片。

圖3 調頻步進信號幅相誤差補償流程圖

圖4 列車防撞雷達總體設計框圖

圖5 毫米波列車防撞雷達天線實物照片

表1列車防撞雷達基本參數

Tab. 1 Specification of MMW radar

為驗證雷達系統高距離分辨和高精度單脈沖測角能，設計了如圖6所示的實驗場景：系統采用了8個天線單元工作，接收天線合成孔徑0.4 m，在距離雷達約50 m處放置3個距離不同的角反射器如圖6，間隔約為1.4 m，回波的信噪比約為30 dB，固定其中1個角反射器不動，在0°～2°范圍內橫向移動另一個角反射器，測量兩者之間角度差并與真實值比較。圖7是3個目標的1維高分辨像，圖8是在兩目標夾角不同時單脈沖角度測量誤差，可以看到單脈沖的角度測量精度在30 dB條件下可達到0.03°。

圖9是該樣機在鐵路實驗場景圖，圖10是在196 m處角反目標放置于偏離軌道中心1.7 m時，數據處理結果，圖中兩條黑色線表示虛擬的兩條鐵軌，紅色線表示鐵軌中心線，196 m處鐵軌外目標是放置的角反射器，179 m處檢測到的目標由于是與人行道交叉位置，軌道中心有明顯臺階反射造成的虛警。

圖6 3個角反射器放置示意圖

圖7 3個角反射器高分辨距離成像結果

圖8 兩目標不同夾角時的測量誤差

圖9鐵軌實驗場景

圖10 鐵軌旁目標檢測結果

4 結論

本文介紹了一種低成本車載毫米波防撞雷達系統，采用寬發窄收、開關切換的數字陣列天線、頻率步進合成寬帶信號等技術來降低成本，受實驗條件所限，該原理樣機只完成了較近距離的外場實驗，實驗結果驗證了基于開關切換的數字陣列天線角度測量原理，樣機系統對于200 m外的目標，距離分辨率優于0.3 m，在30 dB信噪比條件下，角度測量精度可達到0.03°，能有效分辨鐵軌內外目標。本雷達現階段以水平鐵軌作為分析對象，未來會對火車爬坡轉彎等技術難點進行探討和研究。

[1] H Rohling and Lissel E. 77 GHz radar sensor for car application[C]. Proceedings International Radar Conference, Alexandria, VA, USA, May 1995: 373-379.

[2] Stove and Andrew G. Obstacle detection radar for cars[J].&, 1991, 3(5): 232-240.

[3] Narayanan A H, Brennan P, Benjamin R,.. Railway level crossing obstruction detection using MIMO radar[C].Proceedings of the 8th European Radar Conference (EuRAD), 2011: 57-60.

[4] Mroué A, Heddebaut M, Elbahha F,.. UWB radar and

leaky waveguide for fall on track object identification[C]. IEEE National Radar Conference, Washington DC, United States, 2010: 573-577.

[5] 張建輝. 毫米波汽車防撞雷達的研究[D]. [博士論文], 南京: 南京理工大學, 2001: 32-33.

Zhang Jian-hui. The study of millimetre-wave band for automotive collision avoidance radar[D]. [Ph.D. dissertation], Nanjing: Nanjing Institute of Technology, 2001: 32-33.

[6] 張光義. 相控陣雷達原理[M]. 北京: 國防工業出版社, 2009: 391.

Zhang Guang-yi. Principles of Phased Array Radar[M]Beijing: National Defense Industry Press, 2009: 391.

[7] Masaru Ogawa, Yoshikazu Asano, Shigeki Ohshima,.. Electrically scanned millimeter-wave radar with antenna switching[J].,:, 2006, 89(1): 10-20.

[8] 龍騰, 毛二可, 何佩琨. 調頻步進雷達信號分析與處理[J]. 電子學報, 1998, 26(12): 84-88.

Long Teng, Mao Er-ke, and He Pei-kun. Analysis and processing of modulated frequency stepped radar signal[J]., 1998, 26(12): 84-88.

[9] Kobayakawa S, Tsutsui M, and Tanaka Y. A blind calibration method for an adaptive array antenna in DS-CDMA systems using an MMSE algorithm[C]. 2000 IEEE 51st Vehicular Technology Conference Proceedings, Tokyo, Japan, May 2000, 1: 21-25.

A Study of MMW Collision Avoidance Radar System for Trains

Liu Hai-bo ShengMeng-meng Yang Xiao-qian

(School of Information and Electronics,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081, China)

Collision avoidance radar for trains is a prime device for transportation safety. To realize low cost and high performance in terms of azimuth accuracy, we developed MMW (Milli-Meter Wave) radar, which employs a switched phased array and frequency-stepped technology. In this study, we analyze the radiation patterns of transmitting/receiving antennas and a compensation method for the amplitude/phase errors of synthetic wideband frequency-stepped signals. To confirm the operation of the radar, low-cost MMW collision avoidance radar was fabricated. The experiments confirmed a high azimuth and range resolution.

Collision avoidance radar; Digital array; Frequency-stepped signal

TN972; TN958

A

2095-283X(2013)02-0234-05

10.3724/SP.J.1300.2013.20091

劉海波(1980-)，男，山東青島人，1998年進入北京理工大學電子工程系學習，2002年博士研究生畢業，現任信息與電子學院雷達技術研究所講師，主要研究方向為新體制雷達系統構建、高分辨雷達系統等。E-mail: haibolhb@bit.edu.cn

盛蒙蒙(1987-)，男，江蘇徐州人，2010年進入北京理工大學雷達技術研究所攻讀碩士學位，主要研究方向為寬帶信號生成。E-mail: shengmengmeng_2010@126.com

楊曉倩(1989-)，女，江蘇揚州人，2011年進入北京理工大學雷達技術研究所攻讀碩士學位，主要研究方向為陣列信號處理。E-mail: yangzhouyxq@163.com

2012-12-03收到，2013-04-01改回；2013-04-12網絡優先出版

國家自然科學基金(61101229)資助課題

劉海波 haibolhb@bit.edu.cn