高精度列車多普勒測速系統的設計實現

黃 穎，蔡鴻杰

（1.北京交通大學機械與電子控制工程學院，北京100044；2.北京航天自動控制研究所北京100854）

現如今，我國高速鐵路運行時速已達到350 km/h。列車傳統接觸式測速方式由于列車運行速度太快而產生空轉、軸承磨損等弊端，從而帶來極大測量誤差[1]，無法滿足高速列車的精確測速要求。參照國內外列車測速裝置的發展狀況[2-3]，本文提出了一種高精度列車車載多普勒測速系統。測速原理基于多普勒效應，采用28335型DSP對信號進行實時采集，頻域分析，頻率提取，速度解算，可精確測量高速列車的運行速度與方向，具有測速精度高，抗干擾能力強的優點。

1 測速原理

多普勒測速是一種非接觸式測速方式。在列車底部參照軌面成一定角度θ安裝雷達測速傳感器，雷達通過天線向鋼軌表面發射電磁波并接收反射回波。當列車運動時，雷達利用多普勒效應，收集發射波與回波之間的多普勒頻移信號[4-5]。通過測量該信號的頻率即可以計算出列車的運行速度。同時，通過信號頻率的正負可以推斷出列車的運行方向。

列車運行速度計算公式為：

式中，v為列車速度，km/h；fd為多普勒頻率，Hz；f0為雷達發射波頻率，Hz；θ為雷達發射波方向與地面的夾角，度；c為光速，m/s。從式（1）中可以看出列車速度v與多普勒頻率fd成線性關系。

2 系統硬件搭建

2.1 總體方案設計

圖1所示為本文實現的列車測速系統，其硬件部分主要分為電源模塊、雷達射頻模塊、前置濾波放大模塊以及DSP信號處理模塊4部分。

圖1 測速系統硬件結構

電源模塊，為射頻模塊、前置濾波放大模塊提供5 V直流電源，為信號處理模塊提供12 V直流電源。射頻模塊屬于整個系統的前置環節，實現微波的產生、發射、接收及下變頻。由于回波信號十分微弱且混有許多雜波，因此在采樣之前需要對信號進行模擬濾波放大處理，這由前置濾波放大模塊完成。采用合適的差頻信號幅度，濾除額外的噪聲和干擾，能極大的減小后端DSP信號處理的復雜度。通過DSP進行頻譜分析，通過AR-Burg譜估計算法得到信號的功率譜并搜索出列車的多普勒頻率，完成相應速度求解功能。最后通過RS232通信串口把速度信息傳給上位機機車控制系統。

2.2 IVS167雷達射頻模塊

射頻模塊采用德國InnosenT公司的雷達微波模塊IVS167。如圖2所示為雷達工作原理圖。由壓控振蕩器VCO輸出一固定頻率為f0=24.125 GHz的發射信號，其中一路經天線發射出去，一路又分流成兩路分別進入I、Q所在通道的混頻器內。天線接收到的回波信號也經混頻器分別與實時分流的兩路信號進行混頻，最終輸出I、Q雙通道正交差頻信號進行連續波測速[6]。輸出的兩路信號，經前置濾波放大后送至AD模數轉換器進行信號采集。射頻模塊同時接收一路變容調諧電壓Vtune調制信號，此信號由DSP控制DAC產生，用于控制射頻模塊的輸出頻率。

圖2 IVS-167原理框圖

2.3 TMS320F28335型DSP信號處理模塊

DSP信號處理模塊采用TI的TMS320F28335型號DSP，為32位浮點型DSP，主頻150MHz[7]。此DSP滿足信號采集、信號濾波、信號處理包括頻譜估計與頻率提取等任務。

片內集成兩路12位AD轉換器同步完成I、Q兩路中頻放大信號的采集。2路ePWM模塊可定時觸發AD采集。采用SRAM作為數據存儲區，FLASH作為程序存儲器。采用30M外部晶振為DSP提供時鐘，并使能DSP片上PLL電路[8-9]。核心信號處理算法采用AR-Burg參數模型法對多普勒信號進行功率譜分析。提取出功率譜中列車對應的頻率并通過公式計算出列車運行的速度。SCI可配置成RS232串口與上位機進行通信，實時顯示列車運行速度。

3 系統軟件設計

3.1 軟件模塊

在CCS平臺上使用C語言進行系統軟件設計。基于模塊化設計思想，主要分為多普勒信號采集、信號濾波、信號處理以及與上位機通訊這幾個子模塊。1）信號采集模塊：利用ePWM的中斷功能實現差頻信號的采集，每次中斷時對信號進行一次采集；通過控制ePWM的中斷頻率控制采樣率。2）信號濾波模塊：在硬件濾波的基礎上，進一步完成數字濾波，濾除直流信號以及高頻信號。3）多普勒信號處理模塊：采用AR模型的Burg算法實現多普勒頻率功率譜估計，精確找到列車速度對應的多普勒頻率，進而算出列車運行速度。4）通訊模塊：通過RS232串口與上位機進行通訊，實時顯示速度值。

3.2 數據處理

將回波信號看作廣義的平穩隨機信號。對多普勒頻率進行頻譜估計。頻譜估計主要包括經典譜估計與現代譜估計，其中以FFT為代表的經典譜估計法由于窗函數的應用導致功率譜的分辨率偏低、旁瓣泄漏嚴重；現代譜估計中的參數模型法將觀測數據進行外推預測求出觀測數據以外的其他數據，極大的增大了頻譜的分辨率[10-11]。

其中AR參數模型是全極點模型，易于反映功率譜中的峰值。而Burg算法為AR模型參數的求解算法，其譜估計性能較好且計算過程簡單[12-13]。因此，本系統采用現代譜估計中的AR參數模型法中的Burg算法進行差頻信號的功率譜分析。

需要測量的列車速度v范圍在0.2～600 km/h之間，由式（2）計算可得，多普勒頻率fd的范圍在8 Hz到27 kHz之間。

式中，各參數如式1所示，假定θ=0°，c=3x108m/s，f0=24.125 GHz。為滿足采樣定理并減少頻譜混疊，選取3到5倍最高信號頻率（fmax=27 kHz），這里取采樣頻率為80 kHz。固定采樣點數N=1 024點，FFT點數為1024點，AR模型階數p=100。

3.3 邏輯設計

如圖3所示為系統軟件流程圖，分為主程序與中斷程序兩部分。主程序對片上AD模塊、ePWM模塊、SCI模塊等進行初始化設置。設置ePWM1中斷參數即系統采樣頻率，采用向上計數模式觸發中斷進行信號采樣；設置ADC模塊為級聯、并發模式，并發采樣1通道數據；完成基本參數設置后進入循環等待定時器中斷。

中斷程序完成ADC轉換。采樣數據存儲采用乒乓緩存機制，即設計兩個數據采集緩存區和相應溢出標志位。當緩存區1溢出時，主程序取出其中數據進行后續數據處理，中斷程序繼續向緩存區2內存儲采樣數據。數據處理包括數字濾波、頻域分析、多普勒頻率提取，最終實現列車速度的解算。

程序部分偽碼如下：

圖3 測速軟件流程圖

4 實驗與誤差分析

通過信號發生器給定固定頻率的正弦波信號來模擬多普勒回波信號進行仿真實驗。給定頻率f=1 000 Hz，幅值Vpp=50 mV的正弦波信號。

將CCS中DSP數據處理結果導入MATLAB中。由圖4可知，現代譜估計法中AR模型的Burg算法可準確識別信號頻率，與經典譜估計的FFT算法相比，頻譜明顯平滑，具有較高的頻譜分辨率。因此測速精度較高。

圖4 數據功率譜分析圖

由速度計算公式（1）可知，速度測量誤差的主要來源之一就是所提取多普勒頻率fd的大小。參考國內外測速傳感器對于高速列車測速誤差的標準，在在小于50 km/h以下時誤差小于0.1 km/h，由式（3）可知Δf=4 Hz；整個測速范圍內誤差小于1%，即Δf=0.447*v，將速度與允許頻率誤差的關系繪制成如圖5中實線所示。

綜合考慮頻率分辨率與系統的實時性處理要求，需要對信號進行變采樣率采樣處理。對列車多普勒頻率信號進行全段模擬，實際誤差如圖5中點線所示。圖中可以看出，在列車時速50 km/h以下時，實際點線均在理論實線下方，即測量誤差小于0.1 km/h；在大于50 km/h時速時可看到理論與實際曲線基本重合，測速誤差小于1%。

圖5 速度與允許頻率誤差關系曲線

5 結束語

本文設計了一種列車多普勒測速系統。介紹了測速系統硬件的搭建，測速軟件的設計實現，以及列車多普勒信號的AR參數模型處理算法。最后對整個測速系統以分段式采樣率的方式進行了仿真實驗與誤差分析。實驗結果表明，測速系統可以準確測量0.2到600 km/h的列車時速，并且在整個測速范圍內測速精度誤差小于1%，在小于50 km/h運行時誤差小于0.1 km/h。