CN103235310A - 一种车载毫米波列车防撞雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种车载毫米波列车防撞雷达系统，包括频综模块、发射模块、接收模块、天馈模块以及信号处理模块；频综模块用于产生X波段发射激励信号和X波段接收本振信号；发射模块用于将X波段激励信号倍频至Ka波段；天馈模块包括一个发射天线、Kn个接收天线和n个单刀K掷开关，其中每相邻K路接收天线通过一单刀K掷开关与接收模块相连;接收模块包含n个接收机，每一接收机与天馈模块中的一单刀K掷开关相连；信号处理模块用于对接收的信号进行处理，获取目标的距离、速度及角度信息，然后将其传输给列车中控系统，由列车中控系统对列车下发停车指令。该系统安装在火车上，能够准确探测出火车前方的障碍物，从而很好实现火车防撞功能。

Description

一种车载毫米波列车防撞雷达系统

技术领域

本发明涉及一种车载毫米波列车防撞雷达系统，属于防撞雷达技术领域。

背景技术

截至2010年，全国铁路营运里程已达9.1万公里，其中高速铁路8358公里，2011年，全国高铁将初步成网，运营里程将突破1.3万公里，占世界高速铁路总里程的一半以上。铁路运输的绝对安全运行不仅是体现铁路运输业发展水平最重要的标志，也是关系国运民生的重大问题，我国蓬勃发展的高速铁路运输系统速度高、密度大的特点更要求重大安全事故绝不发生。

2011年7月23日，我国发生了“甬温线”特别重大铁路交通事故，造成了死亡40人，受伤200余人的惨剧。惨痛的教训说明除了依靠信号闭塞手段来保证行车安全之外，还应该有多套与信号系统完全独立的、可自主工作、不会同时故障、能全天时全天候工作的铁路行车安全保障系统。

列车防撞雷达是一种保证铁路行车安全，防止列车相撞的有效手段。其原理是将雷达安装于列车头部，对前方一定距离范围内的场景目标进行探测、分辨和识别，进而实现列车防撞的目的，如图1所示。

针对列车冲突、异物侵限等引起铁路安全事故，提出的安全防撞仪器的研究，可以分为如下两类。

一类是信息组网型行车安全保障仪器，即将传感器分置于列车间或列车与车外安全辅助设备间，通过信息组网实现前车状态预知与提前预警，其代表是德国RCAS系统和印度ACD系统。这类列车防撞预警安全仪器的主要缺点是依赖外部条件及基础保障设施，不能独立自主工作，并且不能探测轨道内非合作目标（例如故障列车、其它异物等）。

另一类是自主探测型行车安全保障仪器，通过传感器对目标进行主动探测，依据探测结果进行安全预警，与第一类相比，可独立自主工作，不会因受到其它列车供电故障或通信受阻的影响而停止工作，且基于光学、红外、激光等探测手段的行车安全保障系统，具有可视性好、成本低等优点；但易受雨、雾等影响，不能全天候、全天时工作，且其探测距离短，不能满足高速列车防撞预警的需求。

英国UCL大学研制了一种基于MIMO体制的道口异物侵限预警雷达，可监视在不超过30m的短距离内跨越道口的车辆、行人及其它障碍物；法国交通和安全研究院(INRETS)基于超宽带雷达技术研制了站台异物侵限检测雷达，并开展了试验验证工作。以上两种防撞雷达设备皆属于“定点防御”型，即只能布置于异物侵限易发地，不能满足随车实时检测预警任务。

在意大利铁道部轨道异物识别系统(Railway objects IdentificationSystem)项目研制中，俄罗斯Elva公司设计了一套雷达型防撞仪器，型号为FMCW-10/94。该仪器安装于列车头部，随车实时完成威胁目标探测报警，其探测距离设计指标为150m，试验验证可达到230m，但远不能满足我国高速铁路行车安全预警距离的需要。

综合以上国外动态分析，俄罗斯、英国、法国等技术较为先进的国家都针对本国（或应用国）铁路运行特点，进行了列车雷达型防撞仪器技术的深入研究。主要指标与功能特点如表1所示，其中防撞仪器部分业务指标（如虚警误报率、检测率等）还未见公开报道。

表1国外雷达型防撞仪器主要指标与功能特点

国内关于交通安全的防撞系统的研究多基于汽车或船舶防撞，有多家研究机构正在进行汽车防撞雷达系统的研究。但由于汽车防碰撞雷达的应用需求和背景与列车防撞雷达差异很大，其较短的探测距离不能满足高速铁路预警距离的需求，因而基于汽车防撞应用背景研究的技术和产品并不适用于铁路交通安全系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于数字相控阵雷达体制的列车防撞系统，该系统安装在火车上，能够准确探测出火车前方的障碍物，从而很好实现火车防撞功能。

实现本发明的技术方案如下：

一种车载毫米波列车防撞雷达系统，该系统安装于列车的上，包括频综模块、发射模块、接收模块、天馈模块以及信号处理模块；其中上述各模块之间的连接关系为：频综模块分别与发射模块和接收模块相连，发射模块和接收模块分别与天馈模块相连，信号处理模块与接收模块相连；

频综模块用于产生X波段发射激励信号和X波段接收本振信号，并将所述X波段发射激励信号传输给发射模块，将所述X波段接收本振信号传输给接收模块；

发射模块用于将X波段激励信号倍频至Ka波段，并进行功率放大后传输给天馈模块；

天馈模块包括一个发射天线、K×n个接收天线和n个单刀K掷开关，其中每相邻K路接收天线通过一单刀K掷开关与接收模块相连;

接收模块包含n个接收机，每一接收机与天馈模块中的一单刀K掷开关相连；一方面用于将X波段接收本振信号倍频成Ka波段本振信号，另一方面每一接收机利用单刀K掷开关分时接收与其相连的接收天线的目标回波，并利用Ka波段本振信号将目标回波下变频成中频信号，再对中频信号进行滤波、放大生成基带信号并输出给信号处理模块；

信号处理模块用于对接收的信号进行处理，获取目标的距离、速度及角度信息，然后将其传输给列车中控系统，由列车中控系统对列车下发停车指令。

进一步地，本发明天馈模块中发射天线所发射信号的波形为线性调频波形或线性调频步进波形。

进一步地，本发明当所述天馈模块中发射天线的波形为线性调频波形时，则信号处理模块对接收的信号进行处理的过程为：

步骤一、将基带信号进行脉内积累，然后进行复加权求和，形成nScan个不同指向的和波束输出结果和差波束输出结果，其中nScan为雷达扫描时设定的波位个数；

步骤二、对nScan个不同指向的和波束输出结果进行脉间积累，得到nScan个和波束距离多普勒（PD）平面；对nScan个不同指向的差波束输出结果进行脉间积累得到nScan个差波束PD平面；

步骤三、在nScan个和波束形成的PD平面上进行二维恒定虚警率（CFAR）检测；

步骤四、对二维CFAR检测过门限的点进行目标参量测量，所述目标参量包括距离、速度以及角度，并将此时测量得到的角度记为粗测角；

步骤五、将所述粗测角作为振幅和差法中的波束视轴方向θ₀，根据θ₀所对应的差波束PD平面计算差波束的输出结果F_Δ，根据和波束输出结果F_∑和差波束的输出结果F_Δ计算目标角度的精确值θ_ε，最后根据测量值进行距离角度二维凝聚；

步骤六、将测量出的目标距离、速度、角度信息传输给列车中控系统，由列车中控系统对列车下发停车指令。

有益效果

第一、本发明列车防撞系统用于安装在列车车头上，在列车行进过程中，利用天馈模块上的发射天线和接收天线相扫实现探测火车前方和铁路两旁的障碍物，并测定其距离和方位，然后由列车中控系统判断是否停车，从而实现列车防撞的目的。

第二、本发明列车防撞系统利用大口径一发多收分置天线，即在宽波束扫描、多个窄波束接收的工作方式下，提高方位角度分辨率及收发双向天线旁瓣性能，增强了雷达抗干扰能力，同时对降低仪器重量、功耗以及节约成本起着至关重要的作用。

第三、本发明利用单刀多掷开关，采样分时的工作模式，使得多个接收天线共享一路接收机，大大降低了本发明列车防撞系统的制造成本。

附图说明

附图1-车载列车防撞雷达探测示意图；

附图2-本发明所述的一种车载毫米波列车防撞雷达系统组成框图；

附图3-本发明所述天线模块中的单刀四掷开关原理框图；

附图4-本发明所述一种车载毫米波列车防撞雷达系统信号处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明技术方案做进一步解释说明。

如图2所示，本发明车载毫米波列车防撞雷达系统包括：频综模块、发射模块、接收模块、天馈模块以及信号处理模块。

频综模块包括雷达系统基带信号源板卡和一个锁相环的混频器，用于产生X波段发射激励信号和X波段接收本振信号，并将所述X波段发射激励信号传输给发射模块，将所述X波段接收本振信号传输给接收模块。

发射模块用于将X波段激励信号倍频至Ka波段，并进行功率放大后传输给天馈模块；其中传输给天馈模块的信号的波形可根据用户的需求进行选择，可选波形有线性调频波形或线性调频步进波形或模拟去斜波形。

天馈模块包括接收天线、4n个发射天线和n个单刀四掷开关，其中每4路接收天线通过一单刀四掷开关与接收模块相连，如图3所示。本发明采用收发分置天线的模式，即1个发射天线多个接收天线的工作模式，每4路接收天线通过一个单刀四掷开关与接收机相连，接收机分时接收与其相连的、不同发射天线回波。当单刀四掷开关依次切换工作完一个完整周期后，得到多个接收天线的回波数据。

接收模块包含n个接收机，每一接收机与天馈模块中的一单刀四掷开关相连；一方面用于将X波段接收本振信号倍频成Ka波段本振信号，另一方面每一接收机利用单刀K掷开关分时接收与其相连的接收天线的目标回波，并利用Ka波段本振信号将目标回波下变频成中频信号，再对中频信号进行滤波、放大生成基带信号并输出给信号处理模块。

信号处理模块用于对接收的信号进行处理，获取目标的距离和角度传给列车中控系统，由列车中控系统对列车下发停车指令。

本发明根据用户的不同需求，具有两种信号波形：线性调频波形和线性调频步进波形。下面对两种波形的信号处理不同的地方进行介绍：

当发射信号波形是线性调频步进波形时，则先对接收的回波进行距离脉压，细化距离向抽取后，合成高分辨像，检测目标后在目标出现位置进行数字多波束和单脉冲测角，得到目标角度信息。

如图4所示，当发射信号为线性调频波形时，则本发明对接收的回波进行处理的具体过程为：

步骤S301：由于列车防撞雷达系统回波信号由帧头和回波数据两部分组成，因此数据采集后将帧头和实际回波数据分离，所述帧头用于辨别起始CPI位置和开关工作状态。

步骤S302：将分时接收的多天线数据进行数字下变频处理，再经过低通滤波和放大后获得基带信号。

其中步骤S301和步骤S302是在接收模块中接收机处理完成的，接下来的步骤S303至步骤S308是在信号处理模块中实现的。

步骤S303：将基带信号进行脉内积累，然后进行复加权求和，形成nScan个不同指向的和波束输出结果和差波束输出结果，其中nScan为雷达扫描时设定的波位个数。

步骤S304：对

个不同指向的和波束输出结果进行脉间积累，得到nScan个和波束PD平面；对nScan个不同指向的差波束输出结果进行脉间积累得到nScan个差波束PD平面。

步骤S305：在nScan个和波束形成的PD平面上进行二维CFAR检测。

步骤S306:对二维CFAR检测过门限的点进行目标参量测量(包括距离、速度、角度)，其中将此时测量得到的角度记为粗测角，即检测到目标的PD平面所在的波位。

步骤S307：将所述粗测角作为振幅和差法中的波束视轴方向θ₀，根据θ₀所对应的差波束PD平面计算差波束的输出结果F_Δ，根据和波束输出结果F_∑和差波束的输出结果F_Δ得到角度的精确值θ_ε，最后根据测量值进行距离角度二维凝聚（即存在多个目标时，需要将其距离和角度匹配上）。

步骤S308：根据测量出的目标距离、速度、角度信息传输给列车中控系统，由列车中控系统对列车下发停车指令。

本发明列车防撞系统在较短时间内发射大功率大带宽信号，实现较远的作用距离和高精度的径向距离测量，满足横向距离测量误差小于列车宽度的一半，从而正确判断障碍物的横向距离。

本发明还可以对障碍物进行识别，提取障碍物数量、位置、大小、类型、是否在铁轨内等信息，根据检测结果进行威胁系数排序，给出每个障碍物的威胁级别。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种车载毫米波列车防撞雷达系统，该系统安装于列车上，其特征在于，该系统包括频综模块、发射模块、接收模块、天馈模块以及信号处理模块；其中上述各模块之间的连接关系为：频综模块分别与发射模块和接收模块相连，发射模块和接收模块分别与天馈模块相连，信号处理模块与接收模块相连；

频综模块用于产生X波段发射激励信号和X波段接收本振信号，并将所述X波段发射激励信号传输给发射模块，将所述X波段接收本振信号传输给接收模块；

发射模块用于将X波段激励信号倍频至Ka波段，并进行功率放大后传输给天馈模块；

天馈模块包括一个发射天线、K×n个接收天线和n个单刀K掷开关，其中每相邻K路接收天线通过一单刀K掷开关与接收模块相连;

接收模块包含n个接收机，每一接收机与天馈模块中的一单刀K掷开关相连；一方面用于将X波段接收本振信号倍频成Ka波段本振信号，另一方面每一接收机利用单刀K掷开关分时接收与其相连的接收天线的目标回波，并利用Ka波段本振信号将目标回波下变频成中频信号，再对中频信号进行滤波、放大生成基带信号并输出给信号处理模块；

信号处理模块用于对接收的基带信号进行处理，获取目标的距离、速度及角度信息，然后将其传输给列车中控系统，由列车中控系统对列车下发停车指令。

2.根据权利要求1所述车载毫米波列车防撞雷达系统，其特征在于，所述天馈模块中发射天线所发射信号的波形为线性调频波形或线性调频步进波形。

3.根据权利要求2所述车载毫米波列车防撞雷达系统，其特征在于，当所述天馈模块中发射天线的波形为线性调频波形时，则信号处理模块对接收的信号进行处理的过程为：

步骤一、将基带信号进行脉内积累，然后进行复加权求和，形成nScan个不同指向的和波束输出结果和差波束输出结果，其中nScan为雷达扫描时设定的波位个数；

步骤二、对nScan个不同指向的和波束输出结果进行脉间积累，得到nScan个和波束PD平面；对nScan个不同指向的差波束输出结果进行脉间积累得到nScan个差波束PD平面；

步骤三、在nScan个和波束形成的PD平面上进行二维CFAR检测；

步骤四、对二维CFAR检测过门限的点进行目标参量测量，所述目标参量包括距离、速度以及角度，并将此时测量得到的角度记为粗测角；

步骤五、将所述粗测角作为振幅和差法中的波束视轴方向θ₀，根据θ₀所对应的差波束PD平面计算差波束的输出结果F_Δ，根据和波束输出结果F_∑和差波束的输出结果F_Δ计算目标角度的精确值θ_ε，最后根据测量值进行距离角度二维凝聚；

步骤六、将测量出的目标距离、速度、角度信息传输给列车中控系统，由列车中控系统对列车下发停车指令。

4.根据权利要求1所述车载毫米波列车防撞雷达系统，其特征在于，所述K=4。

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