雷達測速傳感器及其測試系統(tǒng)研究

佟通

摘要∶隨著地鐵飛速發(fā)展，列車運營安全要求越來越高，針對我國車載測速雷達測試工裝缺乏的緊張局面，研究了一種基于數(shù)字信號處理器雷達測速系統(tǒng)，并詳細介紹了該系統(tǒng)的工作原理。主控單元通過自定義總線與將參數(shù)下發(fā)到DRFM 單元，DRFM 模塊通過超大規(guī)模 FpGA 實現(xiàn)接收信號的檢測與參數(shù)提取、多普勒調制 （ 速度模擬 ） 與信號產生，生成的信號通過超寬帶DAC 轉換為模擬中頻信號 ，雷達微波模塊輸出的多普勒頻率信號經(jīng)放大濾波后，控制信號的采集和對數(shù)據(jù)進行計算分析，最終將結果送至顯示控制單元。該測速系統(tǒng)具有很好的精確度、實時性和穩(wěn)定性，填補了我國在這一領域的研究空白，具有重要的理論與實踐意義。

關鍵詞∶雷達，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14號線 DRs05雷達速度傳感器，一線疑似雷達存在故障。為確定此類雷達是否存在故障，以便支持一線故 障分析及開展維修工作，我開展相關維修能力及測試研究工作。

2、雷達介紹

2.1、測速雷達

品牌：DEUTA-wERKE CmbH ，型號：DRs05，雷達速度傳感器采用不接觸地面的方式測量列車運行的速度、距離、方向。同時還提供診斷和狀態(tài)信號，這些信號通過一個485通信串行接口輸出給車載，根據(jù)使用條件不同，產品的使用壽命建議在6-8年之間。

測速范圍：0.2-600Km/h

標準脈沖輸出 ： 占空比1：1供電電源：24VDC～110VDC

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

天線發(fā)射功率：2x5mw，單個天線5mw

2.2、雷達微波模塊

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

2.3、頻率解算方法

雷達微波模塊發(fā)射雷達波以后，會接受到來自各個方向的回波信號和環(huán)境本身產生的電磁波信號，這些雜波信號是測量誤差的基本來源。頻率解算方法的目標就是從各種雜波中快速準確的找到我們需要反射波信號，估算出實際的多普勒頻率。

采用何種數(shù)據(jù)處理方式和信號處理方法非常重要，一個穩(wěn)定精確的算法保證了系統(tǒng)能夠得到準確的數(shù)據(jù)，決定了雷達測速傳感器的測速質量。 頻率解算方法一直是提高雷達測速傳感器品質的重點所在。

在本測速系統(tǒng)的算法設計中，是以離散傅里葉變換為基礎的經(jīng)典譜估計算法和以隨機過程的參數(shù)模型為基礎的現(xiàn)代譜估計算。

2.4、多普勒效應

當信號發(fā)射源和目標物體即信號反射物之間有相對運動發(fā)生變化時，則目標物體所接收到的信號頻率和信號發(fā)射源所發(fā)射的信號的頻率會發(fā)生變化而頻率值不一樣。當相對運動表現(xiàn)為遠離時，接收到反射信號頻率會 變低（紅移），當相對運動表現(xiàn)為接近時，接收到的信號頻率會變高（藍移），我們根據(jù)判別接收信號頻率和發(fā)射信號的頻率的變化大小來計算相對運動的速度大小。

3、測速雷達工裝目標

根據(jù)雷達工作原理及工作目標，需建設測試工裝對雷達進行檢測。工裝需要實現(xiàn)下述功能 ：

a）定性檢測雷達功能是否正常

b）模擬雷達實際運行情況，進行前進、后退、靜止測試

c）對不同速度情況下雷達反饋數(shù)據(jù)進行測試及驗證，并對測試數(shù)據(jù)進行存儲

d）針對上述測試能夠自動進行，無需人員干預

4、 工裝搭建

4.1. 功能描述

a）雷達信號采集分析功能 ：

通過天線接收雷達發(fā)射的射頻模擬信號，并將其下變頻到模擬中頻信號，然后通過 AD 采樣得到中頻數(shù)字信號，對信號進行分析，計算信號頻率及功率;

b）速度模擬功能 ：

根據(jù)用戶自定義速度、方向，結合雷達頻率與安裝角度，計算出多普 勒頻率，對信號進行多普勒調制后，生成新的中頻回波模擬信號;

c）信號輸出功能：

對中頻模擬回波信號進行上變頻處理，并通過天線輻射給雷達接收;d） 一體化測試功能：

具備一鍵測試雷達頻率、功率、多種速度及方向組合的能力，并與雷達回傳的目標參數(shù)自動比對，自動生成雷達測試報告;

e） 自檢功能：

具備加電自檢功能，根據(jù)故障碼可以定位測試儀模塊級故障。

4.2主要性能

工作頻率：24.125CHz

測速范圍：0.1km/h-1000km/h 速度步進：0.1Km/h

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

4.3組成

雷達綜合測試儀主要包含雷達綜合測試儀主要包含 K 波段收發(fā)設備（主機，內置）、收發(fā)天線 （2對，內置 ）、便攜式操作終端、AD/DC 電源等。 其中主機單元由 DRFM 模塊、射頻上下變頻模塊、嵌人式控制器、DC/DC 電源、背板、風扇單元、收發(fā)天線 （2對，內置 ）、手持式終端 （PAD）、電 源適配器等。

4.4工作原理 ：

通過系統(tǒng)主控軟件完成工作模式、目標參數(shù)編輯并對參數(shù)進行設置，通過以太網(wǎng)將控制參數(shù)下發(fā)到主控單元。

主控單元通過自定義總線與將參數(shù)下發(fā)到 DRFM 單元，DRFM 模塊通過超大規(guī)模 FPCA 實現(xiàn)接收信號的檢測與參數(shù)提取、多普勒調制 （ 速度模擬 ） 與信號產生，生成的信號通過超寬帶 DAC 轉換為模擬中頻信號。同時DRFM 單元按控制時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態(tài)要求。通過系統(tǒng)主控軟件可逐項檢測雷達各項參數(shù)，如頻率、功率、速度（一組速度）、方向及獲取雷達上報結果等，也可一鍵自動完成各項參數(shù)測量并生成檢測報告，方便快速高效的完成雷達檢測。

5、風險應對措施

a）器件選擇軍品級，工作溫度、穩(wěn)定性和使用壽命高于工業(yè)級和民用級，且廠家為每塊軍品級模塊提供各項參數(shù)的檢測報告;

b）模塊內部設計有過流、過壓、欠壓等保護功能，同時電源板卡本身也有過流熔斷保險，雙重保護確保板卡故障不影響其他設備;

參考文獻：

[1]張武娟.雷達測速在列車運行中的研究與應用 [D]. 長沙：中南大學，2008：1～4.

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