雙天線雷達測速儀的研發

陳紅江，張 浩，湯 灝，吳 軍

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

雙天線雷達測速儀的研發

陳紅江1，張 浩1，湯 灝1，吳 軍2

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

為解決現有機車測速儀的不足，研發一種基于非對稱發射角度的雙天線雷達測速儀。該測速儀由雙雷達微波模塊、信號調理模塊、數據處理模塊和電源模塊組成。雙雷達微波模塊與地面分別構成不同的發射角，以不同的頻率發射雷達波，根據能量和頻譜特征接收各自發射的雷達波產生的反射波，將其傳入信號調理模塊分別處理后，再輸入數據處理模塊利用多普勒效應相關算法分別進行分析解算。模擬測試結果表明，該測速儀具有測速精度高、系統穩定、數據可靠等優點。

雙天線雷達；測速儀；微波模塊；信號調理模塊；多普勒效應

0 引 言

為了確保鐵路列車運行安全，需要不斷完善列車運行保障體系，這就需要對列車的運行速度進行實時監控[1-4]。

目前各種列車測速方法的匯總及優缺點如表1所示。其中前2種測試方法為間接測速，具有結構簡單、安裝方便等優點，是我國列車運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測速存在山區和隧道的信號盲區，不適合用于列車速度測量。多普勒雷達測速具有可靠性高、實時性強、穩定性強等優點，在國外被廣泛應用于機動車和列車測速[5-8]。然而，目前國內還沒有對列車雷達測速儀進行檢測的相應技術和設備，也缺乏相關的規程、規范或標準。

表1 幾種現有測速方式的優缺點對比

針對以上情況，本文提出了基于多普勒效應的雙天線雷達測速儀。該測速儀應用多普勒效應非接觸測量列車行駛速度，采用了雙天線的冗余設計及特殊的算法，抗干擾能力更強、準確度更高。此外，雙天線雷達測速儀提供脈沖及串口2種數據輸出，能夠滿足客戶更多的需求。

1 雙天線雷達系統設計

雙天線雷達系統主要由微波模塊、信號調理模塊、數據處理模塊和電源模塊4個模塊組成，如圖1所示。

1.1 微波模塊

雙天線雷達微波源采用微帶結構，外觀小巧，工作時能耗較低，而且易于集成于各種電路。該天線不僅可用于探測運動目標的存在、速度及方向，還可以利用編程功能自行設置發射頻率、輸出功率以及內部中頻放大器的增益。這樣，可以有效解決相鄰雷達傳感器因為發射信號頻率相近，可能產生相互干擾的問題。

1.2 信號調理模塊

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

圖1 雙天線雷達系統主要組成部分

圖2 A/D采樣應用電路圖

1.3 數據處理模塊

鑒于雷達信號處理算法中需運算Burg算法以及同時處理2路信號，考慮運算速度、運算精度、片內資源等各個方面，處理器必須滿足高能效、連通性設計、高集成度外設、低熱量耗散以及更長的電池使用壽命等要求。

系統的軟件設計分為系統初始化、DSP中斷、信號處理和串口通信4個部分，圖3給出系統DSP軟件的流程圖。

圖3 DSP軟件流程圖

1.4 電源模塊

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

2 雙天線雷達結構設計

2.1 抗震結構設計

由于2個雙雷達微波模塊與地面分別構成不同的發射角，因此可以接收到2個不同頻譜的反射波，將其分別處理后輸入DSP進行速度解算。這樣的雙模塊設計可以避免列車顛簸帶來的測量誤差，確保速度值的準確性。此外，從工程化冗余設計方面考慮，當其中一個微波模塊出現故障無法正常工作時，另外一個微波模塊還可以單獨實現系統的測速功能，從而大大提高系統可靠性。

圖4 雷達測速傳感器抗震設計圖［9］

根據國內外相關文獻以及同類先進產品的技術指標，雷達微波模塊與地面的夾角θ最好在30°～60°之間。根據大量的資料支持以及實際實驗中多種角度的對比總結，確定系統最佳的θ角。假設本系統設計的2個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個模塊之間的角度差為10°。若運行中列車出現顛簸或猛烈的震動，導致雷達微波模塊的發射波與地面的夾角α和β發生變化，分別變為α1和β1，但它們仍滿足|α1-β1|=10°，如圖 4（b）所示。

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

2.2 可靠性和環境適應性設計

由于雙天線雷達測速儀工作時直接安裝在列車底部，車輛運行環境惡劣，且運行時間長，對雙天線雷達測速儀的可靠性和環境適應能力提出了很高的要求。

機械可靠性：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：全部采用工業級電子元器件，PCB貼裝后全部刷三防油漆，測速儀內部整理微波屏蔽，10萬小時無故障設計。

環境適應性：工作溫度為-40～80℃，無風扇散熱，穩定可靠，IP防護等級為IP67。

2.3 基于列車加速度規則的可靠性設計

基于列車加減速信號來提高列車速度可靠性。列車通過開關量或TTL信號的方式，接入列車控制系統的加減速機剎車控制信號，在信號動作時間后，列車速度應明確為加速、減速或急減速。雙天線雷達測速儀工作時運算結果與此趨勢應互相對應，否則為錯誤數據。

基于列車加速度規則的設計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車功率，還要兼顧乘客乘坐時的舒適度。人體能夠忍受的加速度為1～2 m/s2，結合機車功率計算，列車加速度一般也在這個數值范圍內。雙天線雷達測速儀工作時通過對連續速度序列計算得到加速度，通常情況下，加速度應符合上述要求。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計

雙天線雷達測速儀采用2片天線，提供4個信號通道。通過算法可以得到列車運行的方向和2組獨立的速度值。當2片天線輸出相同的速度則表示當前測速是可信的；當速度發生跳變且2片天線得到的速度差別較大時，根據加速度判定規則獲取當前速度。在速度輸出率要求不高的情況下，由于雷達輸出率可高達50Hz，可以通過分析連續的速度序列，進一步驗證或糾正輸出的速度值。

2.5 裝配結構設計

圖5 雙天線雷達裝配結構圖

根據使用要求，雙天線雷達主要包括雷達、雷達擋板、蓋板等部分，詳細裝配情況如圖5所示。其中，底殼為一體化結構，可以增加結構強度，減少連接，方便裝配；擋板具有高強度耐壓功能，防水密封，防止碎石沖擊，且采用沉臺設計，防止擋板掉落；外部連接器采用IP67防護等級航空插頭，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，防止內部連接線晃動。

3 測試方法及數據分析

對雙天線測速雷達進行實驗室速度模擬測試，將被測雙天線雷達測速儀與雷達測速儀檢定裝置進行連接，如圖6所示。

首先，接通被檢雙天線雷達測速儀電源后開機，預熱15min。反射信號調制器將獲得被檢測速儀的發射頻率f，并反饋給控制處理模塊。

圖6 測試方法原理圖

表2 實驗數據匯總表 km/h

然后，根據預定的模擬速度（10～400 km/h）計算出需要模擬的多普勒頻移fd的大小，通過調制器生成反射頻率為f1（f1=f±fd）的多普勒信號，經天線發射回被檢測速儀并解調出f1，就能計算出應該測得的速度。

最終，通過比較被檢測速儀測得的速度值和雷達測速儀檢定裝置模擬的標準速度值，可以得到被檢測速儀的測速準確度等信息，具體實驗室模擬測試數據見表2。

通過分析表中測試數據可知，該雙天線雷達測速儀在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 結束語

本文設計了一種基于非對稱發射角度的雙天線雷達測速儀，解決了現有列車速度傳感器在車輪打滑、空轉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、實時連續的測速能力，可以獲取穩定、準確、實時的速度信息、距離信息和方向信息，有效判斷列車行駛狀況和路況信息，為列車安全運營提供有效的保障。

[1]王斌，劉昭度，何瑋，等.車用測距雷達研究進展[J].傳感器與微系統，2006，25（3）：7-9.

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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

國家重大科學儀器設備開發專項（2012YQ090208）

陳紅江（1983-），男，河北衡水市人，高級工程師，博士，研究方向為振動、聲學及速度計量技術研究與應用。