CN107167797A - 一种数字化铁路驼峰测速雷达及其抗干扰的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字化铁路驼峰测速雷达及其抗干扰方法，所述雷达包括调频微带天线、FPGA主控模块、LED数码显示模块、RS232通信模块和电源模块，所述方法基于FSK频移键控测距技术和频谱分析的基础上，对雷达探测到的目标信号进行速度、距离测量、跟踪和区分，把本道溜放车辆信息与邻道干扰及雨雪干扰等信息区分开来，输出本道实际的车辆速度信息，实现抗邻道干扰的功能，解决了长期以来铁路驼峰场雷达测速所存在的邻道干扰问题。通过数字频谱分析方法辨别雨水反射信号以及电气化接触网的电磁干扰信号，进行数字滤波处理后输出，达到消除或大幅降低雨水反射干扰以及电气化接触网电磁干扰的效果。

Description

一种数字化铁路驼峰测速雷达及其抗干扰的方法

技术领域

本发明涉及的是铁路编组站自动控制领域，尤其涉及的是一种数字化铁路驼峰测速雷达及其抗干扰的方法。

背景技术

目前，国内外用于铁路驼峰场车辆速度测量的雷达，都属于模拟型测速雷达，不具备目标跟踪的能力。长期的应用实践表明，既有铁路驼峰测速雷达存在以下缺陷：

其一是雷达测速容易受到邻道车辆以及本股道前、后方车辆的干扰。在当前车辆走行速度较低或走停时，如果相邻股道或本股道前、后方存在走行速度较高的车辆，雷达能够检测到这些移动目标反射的多普勒信号，并且其信号强度比当前车辆的反射信号更强，造成雷达测速误判，输出假高速值，导致控制系统误夹停车辆。铁路驼峰场每年都会发生多起因雷达测速受到邻道车辆干扰而导致的夹停撞车事故。雷达测速邻道干扰问题，严重影响铁路驼峰场作业安全，长期以来这一问题没有得到有效解决。

其二是容易受到雨水和电气化接触网的干扰。既有的模拟式驼峰测速雷达采用模拟电路滤波的方式，无法有效解决雨水的反射干扰和电气化接触网的强电磁干扰。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种数字化铁路驼峰测速雷达及其抗干扰的方法，解决现有铁路驼峰测速雷达所存在的易受邻道车辆干扰、雨水干扰以及电气化接触干扰等技术问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种数字化铁路驼峰测速雷达，包括调频微带天线、FPGA主控模块、LED数码显示模块、RS232通信模块和电源模块，其中，调频微带天线的信号输出端通过依次连接的信号放大滤波电路和模数转换电路与FPGA主控模块的调频信号输入端连接，FPGA主控模块的调频信号输出端通过依次连接的压控电平DA数模转换电路和扫频电压控制电路与调频微带天线的信号输入端连接，FPGA主控模块通过RS232通信模块与外部的轨道电路连接，FPGA主控模块通过并行总线接口与LED数码显示模块连接，利用LED数码显示模块实现系统自检和结果显示。

本发明还提供了利用上述数字化铁路驼峰测速雷达抗干扰的方法，该方法基于FSK频移键控测距技术和频谱分析的基础上，对雷达探测到的目标信号进行速度、距离测量、跟踪和区分，把本道溜放车辆信息与邻道干扰及雨雪干扰等信息区分开来，输出本道实际的溜放车辆速度信息，具体包括以下步骤：

步骤S1：数字化铁路驼峰测速雷达发出雷达信号，雷达信号遇到实际运动目标后会形成回波信号返回，回波信号与雷达信号经混频处理后输出多普勒信号，根据多普勒信号计算相邻采样周期该实际运动目标的速度信息、距离信息和方向信息；

步骤S2：跟踪该目标，判断是否为真实运动车辆：

步骤S201：判断速度信息是否匹配：根据运动目标速度的连续性，在较短时间内，速度不可能发生较大突变，设定相邻采样周期速度的变化量为Δv，那么|v_m-v_m+1|<Δv，则认为速度匹配成功；

步骤S202：判断距离信息是否匹配：通过R＝V·T公式计算出速度为V的运动目标在一个采样周期T时间内大概运动距离，记为R_T；根据相邻采样周期实测的目标距离信息R_m和R_m+1计算出实际的运动距离差：ΔR＝|R_m-R_m+1|,如果ΔR≤R_T，则认为m时刻目标的距离信息匹配成功，反之，则匹配不成功；

步骤S203：判断方向信息是否匹配：根据运动目标的方向连续性，运动方向不可能来回变化的原理，在相邻采样周期内，m时刻目标运动方向与m+1时刻目标运动方向是一致的，则认为目标运动方向信息匹配成功；

步骤S204：不停重复步骤S201-S203，在多个相邻采样周期中，若该目标的速度信息、距离信息、方向信息都能匹配成功的话，则说明该目标为真实运动车辆，从而排除雨雪等环境干扰因素；

步骤S3：根据方向信息判断目标运动方向，区分该目标为正常溜放车辆还是逆向行驶车辆；

步骤S4：判断该目标是否为本股道车辆：

根据距离信息，估计不同车道车辆进入探测区域的起始位点和终止位点，并计算：

相邻车道近端起始位置距离差：

相邻车道远端终止位置距离差为：

式中，R_{c_c}为相邻车道中心距离，为雷达安装角度，为雷达水平波瓣角度；

若该目标的距离分辨率不大于ΔR_near，则该目标为本股道车辆，输出该目标的速度信息。

进一步地，所述步骤S1中，相邻采样周期实际运动目标的速度信息、距离信息和方向信息的计算方法，包括以下步骤：

步骤S101：调频微带天线根据FPGA主控模块发出的连续的频移键控调制信号的电压幅度，发射相应频率的雷达信号；

步骤S102：雷达信号遇到被测物体后会形成回波信号返回，回波信号与发射的雷达信号经混频处理后输出多普勒信号，所述多普勒信号包括I信号和Q信号，其中：I信号由和组成，为对应调频电压幅度为A时对应输出的中频信号，为对应调频电压幅度为B时对应输出的中频信号；Q信号由和组成，分别为的近似正交相关信号；

步骤S103：通过高速开关对I信号和Q信号进行选通控制，把分离开来并进行信号放大；

步骤S104：根据驼峰雷达的测速频段，利用低通滤波器过滤非测量频段内的干扰信号；

步骤S105：对和进行数字量化，分别记为: N表示每个采样序列的长度。

步骤S106:分别对I_H(i)、I_L(i)、Q_H(i)进行N阶的FIR带通滤波和长度为N的有限序列的离散傅里叶变换，得到其响应的频谱函数，分别记为：和其中0≤K≤N-1；

步骤S107：设定检测门限，利用检测门限对和频谱函数进行判断，得到频谱幅度超过检测门限的所有频谱极点峰值所对应的K点位置，记为

步骤S108：对三个频谱函数的频谱极点峰值所对应的K点位置进行判断，如果的话，则将该K点数值及相应K点位置的相位信息分别放在各自的数组里，记为： 其中i＝0,1..n-1，n为频谱极点峰值K点数量；

步骤S109：计算相应K点位置目标的速度信息、距离信息和方向信息：

速度信息计算：

距离信息：

式中，v为目标的速度，λ为微波波长，K为频谱极点峰值位置，f_s为采样频率，N为离散傅里叶变换序列长度，c为微波传输速度，f_d为多普勒频率；R为目标的距离，为相同K点的I_H(i)、I_L(i)中信号初始相位差，f_step＝|f_B-f_A|为FSK调制的频率差；

通过相同K点的和相位信息判断目标的运动方向，分别记为：S_V(i)＝{v1,v2,...},S_R(i)＝{R1,R2,...},S_d(i)＝{d1,d2,...}，其中i＝0,1...n-1,n为频谱极点峰值K点数量。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明提供了一种数字化铁路驼峰测速雷达及其抗干扰的方法，该雷达通过测距和目标跟踪的方法，实现目标车辆的连续跟踪与锁定，识别并区分邻道车辆以及其他车辆的测速信号，最后只输出目标车辆的速度信号，实现抗邻道干扰的功能，解决了长期以来铁路驼峰场雷达测速所存在的邻道干扰问题。通过数字频谱分析方法辨别雨水反射信号以及电气化接触网的电磁干扰信号，进行数字滤波处理后输出，达到消除或大幅降低雨水反射干扰以及电气化接触网电磁干扰的效果。以上功能特点，提高了铁路驼峰场自动化控制的可靠性和安全性。

附图说明

图1为数字化铁路驼峰测速雷达的电路结构框图；

图2为数字化铁路驼峰测速雷达抗干扰方法流程图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例提供了一种数字化铁路驼峰测速雷达，具有如图1所示的结构，包括调频微带天线、FPGA主控模块、LED数码显示模块、RS232通信模块和电源模块，其中，调频微带天线的信号输出端通过依次连接的信号放大滤波电路和模数转换电路与FPGA主控模块的调频信号输入端连接，FPGA主控模块的调频信号输出端通过依次连接的压控电平DA数模转换电路和扫频电压控制电路与调频微带天线的信号输入端连接，FPGA主控模块通过RS232通信模块与外部的轨道电路连接，FPGA主控模块通过并行总线与LED数码显示模块连接，利用LED数码显示模块实现系统自检和结果显示。

利用上述数字化铁路驼峰测速雷达，基于FSK频移键控测距技术和频谱分析的基础上，对雷达探测到的目标信号进行速度、距离测量、跟踪和区分，把本道溜放车辆信息与邻道干扰及雨雪干扰等信息区分开来，输出本道实际的溜放车辆速度信息，具体包括以下步骤：

步骤S1：数字化铁路驼峰测速雷达发出雷达信号，雷达信号遇到实际运动目标后会形成回波信号返回，回波信号与雷达信号经混频处理后输出多普勒信号，根据多普勒信号计算相邻采样周期该实际运动目标的速度信息、距离信息和方向信息，步骤包括：

步骤S101：FPGA主控模块发出连续的100KHz频率的频移键控调制信号，该频移键控调制信号经过压控电平DA转换电路进行数模转换，再经过扫频电压控制电路控制调频微带天线进行FSK模式调制，调频微带天线根据频移键控调制信号的电压幅度，发射相应频率的雷达信号。

步骤S102：雷达信号遇到被测物体后会形成回波信号返回，回波信号与发射的雷达信号经混频处理后输出多普勒信号，所述多普勒信号包括I信号和Q信号，其中：I信号由和组成，为对应调频电压幅度为A时对应输出的中频信号，为对应调频电压幅度为B时对应输出的中频信号；Q信号由和组成，分别为的近似正交相关信号；

步骤S103：通过100KHz的高速开关对I信号和Q信号进行选通控制，把 分离开来；分离过后的信号比较弱，根据目标判断门限及雷达灵敏度要求，本实施例中进行12DB左右的放大；根据雷达FSK调制原理，速度信息可通过 和中任何一个信号的频率求出，距离信息可通过其中和信号的初始相位差求出，方向信息可通过和(或和)信号的相位信息求出。

步骤S104：根据驼峰雷达的测速频段，利用低通滤波器过滤非测量频段内的干扰信号；比如，本实施例的驼峰雷达测速范围为2km/h至30km/h，对应的频率为130Hz至1950Hz。通过一个截止频率为2000Hz的低通滤波器可滤掉非测量频段内的干扰信号。

步骤S105：对和进行数字量化，分别记为: N表示每个采样序列的长度。

步骤S106：分别对I_H(i)、I_L(i)、Q_H(i)进行N阶的FIR带通滤波和长度为N的有限序列的离散傅里叶变换，得到其响应的频谱函数，分别记为：和其中0≤K≤N-1。

步骤S107：设定检测门限，利用检测门限对和频谱函数进行判断，得到频谱幅度超过检测门限的所有频谱极点峰值所对应的K点位置，记为

步骤S108：对三个频谱函数的频谱极点峰值所对应的K点位置进行判断，如果的话，则将该K点数值及相应K点位置的相位信息分别放在各自的数组里，记为： 其中i＝0,1..n-1，n为频谱极点峰值K点数量。

步骤S109：计算相应K点位置目标的速度信息、距离信息和方向信息：

速度信息计算：

距离信息：

式中，v为目标的速度，λ为微波波长，K为频谱极点峰值位置，f_s为采样频率，N为离散傅里叶变换序列长度，c为微波传输速度，f_d为多普勒频率；R为目标的距离，为相同K点的I_H(i)、I_L(i)中信号初始相位差，f_step＝|f_B-f_A|为FSK调制的频率差。

通过相同K点的和相位信息判断目标的运动方向，分别记为：S_V(i)＝{v1,v2,...},S_R(i)＝{R1,R2,...},S_d(i)＝{d1,d2,...}，其中i＝0,1...n-1,n为频谱极点峰值K点数量。

步骤S2：判断是否为真实运动车辆：

步骤S201：判断速度信息是否匹配：根据运动目标速度的连续性，在较短时间内，速度不可能发生较大突变，设定相邻采样周期速度的变化量为Δv，那么|v_m-v_m+1|<Δv，则认为速度匹配成功；

步骤S202：判断距离信息是否匹配：通过R＝V·T公式计算出速度为V的运动目标在一个采样周期T时间内大概运动距离，记为R_T；根据相邻采样周期实测的目标距离信息R_m和R_m+1计算出实际的运动距离差：ΔR＝|R_m-R_m+1|,如果ΔR≤R_T，则认为m时刻目标的距离信息匹配成功，反之，则匹配不成功；

步骤S203：判断方向信息是否匹配：根据运动目标的方向连续性，运动方向不可能来回变化的原理，在相邻采样周期内，m时刻目标运动方向与m+1时刻目标运动方向是一致的，则认为目标运动方向信息匹配成功；

步骤S204：不停重复步骤S201-S203，在多个相邻采样周期中，若该目标的速度信息、距离信息、方向信息都能匹配成功的话，则说明该目标为真实运动车辆，从而排除雨雪等环境干扰因素；

步骤S3：根据I_fA与Q_fA的相位信息(方向信息)判断目标的运动方向，区分该目标为正常溜放车辆还是逆向行驶车辆；

步骤S4：判断该目标是否为本股道车辆：

根据距离信息，估计不同车道车辆进入探测区域的起始位点和终止位点，并计算：

相邻车道近端起始位置距离差：

相邻车道远端终止位置距离差为：

式中，R_{c_c}为相邻车道中心距离，为雷达安装角度，为雷达水平波瓣角度；

若该目标的距离分辨率不大于ΔR_near，则该目标为本股道车辆，将该目标的速度信息输出给FPGA主控模块，并通过LED数码显示模块显示结果。

以上为本发明一种详细的实施方式和具体的操作过程，是以本发明技术方案为前提下进行实施，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。

Claims (3)

1.一种数字化铁路驼峰测速雷达，其特征在于，包括调频微带天线、FPGA主控模块、LED数码显示模块、RS232通信模块和电源模块，其中，调频微带天线的信号输出端通过依次连接的信号放大滤波电路和模数转换电路与FPGA主控模块的调频信号输入端连接，FPGA主控模块的调频信号输出端通过依次连接的压控电平DA数模转换电路和扫频电压控制电路与调频微带天线的信号输入端连接，FPGA主控模块通过RS232通信模块与外部的轨道电路连接，FPGA主控模块通过并行总线接口与LED数码显示模块连接。

2.一种利用如权利要求1所述的数字化铁路驼峰测速雷达抗干扰的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：数字化铁路驼峰测速雷达发出雷达信号，雷达信号遇到实际运动目标后形成回波信号返回，回波信号与雷达信号经混频处理后输出多普勒信号，根据多普勒信号计算该实际运动目标的速度信息、距离信息和方向信息；

步骤S2：跟踪该目标，判断是否为真实运动车辆：

步骤S201：判断速度信息是否匹配：根据运动目标速度的连续性，在较短时间内，速度不可能发生较大突变，设定相邻采样周期速度的变化量为Δv，那么|v_m-v_m+1|<Δv，则认为速度匹配成功；

步骤S202：判断距离信息是否匹配：通过R＝V·T公式计算出速度为V的运动目标在一个采样周期T时间内大概运动距离，记为R_T；根据相邻采样周期实测的目标距离信息R_m和R_m+1计算出实际的运动距离差：ΔR＝|R_m-R_m+1|,如果ΔR≤R_T，则认为m时刻目标的距离信息匹配成功，反之，则匹配不成功；

步骤S203：判断方向信息是否匹配：根据运动目标的方向连续性，运动方向不可能来回变化的原理，在相邻采样周期内，m时刻目标运动方向与m+1时刻目标运动方向是一致的，则认为目标运动方向信息匹配成功；

步骤S204：不停重复步骤S201-S203，在多个相邻采样周期中，若该目标的速度信息、距离信息、方向信息都能匹配成功的话，则说明该目标为真实运动车辆；

步骤S3：根据方向信息判断目标运动方向，区分该目标为正常溜放车辆还是逆向行驶车辆；

步骤S4：判断该目标是否为本股道车辆：

根据距离信息，估计不同车道车辆进入探测区域的起始位点和终止位点，并计算：

相邻车道近端起始位置距离差：

式中，R_{c_c}为相邻车道中心距离，为雷达安装角度，为雷达水平波瓣角度；

若该目标的距离分辨率不大于ΔR_near，则该目标为本股道车辆，输出该目标的速度信息。

3.根据权利要求2所述的一种利用数字化铁路驼峰测速雷达抗干扰的方法，其特征在于，所述步骤S1中，相邻采样周期实际运动目标的速度信息、距离信息和方向信息的计算方法，包括以下步骤：

步骤S101：调频微带天线根据FPGA主控模块发出的连续的频移键控调制信号的电压幅度，发射相应频率的雷达信号；

步骤S102：雷达信号遇到被测物体后会形成回波信号返回，回波信号与发射的雷达信号经混频处理后输出多普勒信号，所述多普勒信号包括I信号和Q信号，其中：I信号由和组成，为对应调频电压幅度为A时对应输出的中频信号，为对应调频电压幅度为B时对应输出的中频信号；Q信号由和组成，分别为的近似正交相关信号；

步骤S103：通过高速开关对I信号和Q信号进行选通控制，把分离开来，并进行信号放大；

步骤S104：根据驼峰雷达的测速频段，利用低通滤波器过滤非测量频段内的干扰信号；

步骤S105：对和进行数字量化，分别记为: i＝0,1,...N-1，N表示每个采样序列的长度。

步骤S106:分别对I_H(i)、I_L(i)、Q_H(i)进行N阶的FIR带通滤波和长度为N的有限序列的离散傅里叶变换，得到其响应的频谱函数，分别记为：和其中0≤K≤N-1；

步骤S107：设定检测门限，利用检测门限对和频谱函数进行判断，得到频谱幅度超过检测门限的所有频谱极点峰值所对应的K点位置，记为

步骤S108：对三个频谱函数的频谱极点峰值所对应的K点位置进行判断，如果的话，则将该K点数值及相应K点位置的相位信息分别放在各自的数组里，记为： 其中i＝0,1..n-1，n为频谱极点峰值K点数量；

步骤S109：计算相应K点位置目标的速度信息、距离信息和方向信息：

速度信息计算：

距离信息：

式中，v为目标的速度，λ为微波波长，K为频谱极点峰值位置，f_s为采样频率，N为离散傅里叶变换序列长度，c为微波传输速度，f_d为多普勒频率；R为目标的距离，为相同K点的I_H(i)、I_L(i)中信号初始相位差，f_step＝|f_B-f_A|为FSK调制的频率差；

通过相同K点的和相位信息判断目标的运动方向，分别记为：S_V(i)＝{v1,v2,...},S_R(i)＝{R1,R2,...},S_d(i)＝{d1,d2,...}，其中i＝0,1...n-1,n为频谱极点峰值K点数量。