CN108801660B - 一种高速列车紧急制动性能的实验室检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高速列车紧急制动性能的实验室检测装置及方法。该装置包括：列车紧急制动模拟装置、微波干涉雷达和上位机，微波干涉雷达包括本振、功分器、发射天线、接收天线、低噪放、混频器、中频放大器、低通滤波器、A/D采样和信号处理单元。方法为：列车紧急制动模拟装置模拟列车紧急制动过程；微波干涉雷达利用回波信号的多普勒频移，采集列车紧急制动模拟装置在紧急制动过程中的制动数据，制动数据包括启动时间、速度、加速度；并将制动数据输入上位机；上位机根据制动数据绘制制动曲线，包括速度曲线、加速度曲线。本发明能够高精度地检测紧急制动装置在紧急制动过程中的紧急制动数据并绘制紧急制动曲线，从而评定紧急制动装置的有效性。

Description

一种高速列车紧急制动性能的实验室检测装置及方法
技术领域
本发明涉及雷达探测和运动检测技术领域，特别是一种高速列车紧急制动性能的实验室检测装置及方法。
背景技术
随着高速列车使用年限的增加，各项技术性能尤其是紧急制动性能都在慢慢变差，导致高速列车制动失灵的概率大大提高。紧急制动性能作为判定高速列车安全技术状况的主要因素，能够反应高速列车紧急制动的安全性和可靠性，其评定指标包括制动响应时间、制动速度曲线和制动加速度曲线。高速列车的核心问题之一便是由于制动不同步所引起的列车纵向冲击问题，而所有的列车纵向冲击问题的分析都是以准确的制动性能为前提条件的。
目前高速列车的紧急制动性能检测方法中的人工试风作业方式精度不够高，而铁道部推广使用的列车车辆制动试验监测装置虽然具有自动化程度高、测量精度高、响应速度快等优点，但该系统也有明显的局限性：高速列车行驶途中经过的环境复杂，接触网、电力机车强磁干扰大，系统固定安装的中继设备信号覆盖容易有盲区和弱信号区。通信模块长期在各种振动撞击环境下工作使用寿命不长，容易导致通信模块个别晶振脱落，导致通信模块故障，进而导致尾部风压数据传输中断，造成无法检测紧急制动的后果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种有效、精确的高速列车紧急制动性能的实验室检测装置及方法，在路试实验机会较少的情况下，在实验室中对高速列车的紧急制动性能进行检测。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种高速列车紧急制动性能的实验室检测装置，包括列车紧急制动模拟装置、微波干涉雷达和上位机，其中：
所述列车紧急制动模拟装置，用于模拟列车紧急制动过程；
所述微波干涉雷达，利用微波干涉雷达回波信号的多普勒频移，采集列车紧急制动模拟装置在紧急制动过程中的制动数据，制动数据包括启动时间、速度、加速度；并将制动数据输入上位机；
上位机，根据制动数据绘制制动曲线，包括速度曲线、加速度曲线。
进一步地，所述列车紧急制动模拟装置包括可燃气体、活塞和检测金属体，通过点火器点燃可燃气体，使气体体积迅速膨胀推动活塞运动，并进而推动检测金属体运动来模拟高速列车的紧急制动过程；
所述列车紧急制动模拟装置的点火器受控于点火信号来点燃可燃气体；活塞和装置筒壁密封可燃气体，根据可燃气体的使用量、可燃气体的不同成份以及可燃气体的不同成份所占比例，产生推动活塞的不同爆炸力来模拟列车紧急制动前的速度；活塞用于密闭可燃气体和推动检测金属体；检测金属体与列车紧急制动装置相连，在活塞的推动下沿装置筒壁滑行，在达到模拟列车紧急制动前速度时紧急制动装置开始动作；行程限位器用于限制检测金属体的运动位移，保护检测金属体不会飞出；根据检测金属体的重量和所需模拟的列车紧急制动前的速度，使用不同的可燃气体成份、不同的可燃气体所占的比例以及不同的可燃气体使用量。
进一步地，所述微波干涉雷达包括本振、功分器、发射天线、接收天线、低噪放、混频器、中频放大器、低通滤波器、A/D采样和信号处理单元；
所述微波干涉雷达的本振将发射信号经过功分器分为两部分，其中一部分进入混频器，另一部分则通过发射天线发射出去；微波干涉雷达的发射天线波束正向照射至检测金属体，通过接收天线接收检测金属体的回波信号，该回波信号通过低噪放输入至混频器；混频器将接收的两路信号进行混频，混频后的信号经过中频放大器和低通滤波器后得到检测金属体回波信号的多普勒信号，采用A/D采样对检测金属体回波信号的多普勒信号进行采样，并输入至信号处理单元。
进一步地，所述信号处理单元包括SD卡、FPGA处理模块和USB接口，A/D采样后的数据通过FPGA处理模块一方面存入SD卡中，另一方面通过USB接口上传至上位机软件。
进一步地，所述上位机包括上位机软件和显示器，其中：上位机软件根据制动数据，使用多项式Wigner-Ville分布和多项式拟合的方法，绘制制动曲线并通过显示器进行显示。
一种高速列车紧急制动性能的实验室检测方法，步骤如下：
步骤1，采用列车紧急制动模拟装置模拟列车紧急制动过程；
步骤2，微波干涉雷达利用微波干涉雷达回波信号的多普勒频移，采集列车紧急制动模拟装置在紧急制动过程中的制动数据；
步骤3，上位机中的上位机软件通过多项式Wigner-Ville分布以及多项式拟合，计算出列车紧急制动模拟装置在紧急制动过程中的启动时间、速度、加速度，并绘制速度曲线和加速度曲线；
步骤4，通过上位机的显示器，显示列车紧急制动模拟装置的响应时间和紧急制动过程中的速度曲线和加速度曲线。
进一步地，步骤2所述微波干涉雷达利用微波干涉雷达回波信号的多普勒频移，采集列车紧急制动模拟装置在紧急制动过程中的制动数据，具体如下：
微波干涉雷达的本振将发射信号经过功分器分为两部分，其中一部分进入混频器，另一部分则通过发射天线发射出去；微波干涉雷达的发射天线波束正向照射至检测金属体，通过接收天线接收检测金属体的回波信号，该回波信号通过低噪放输入至混频器；混频器将接收的两路信号进行混频，混频后的信号经过中频放大器和低通滤波器后得到检测金属体回波信号的多普勒信号，采用A/D采样对检测金属体回波信号的多普勒信号进行采样，并输入至信号处理单元。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)利用SD卡存储数据并可使用USB接口与上位机相连，且在路试实验机会较少的情况下在实验室中即可对高速列车的紧急制动性能进行检测，不存在通信死角、电力机车强磁干扰等问题；(2)上位机软件使用多项式Wigner-Ville分布和多项式拟合实现曲线的反演，减小了交叉项分布，使得拟合曲线更加接近实际制动曲线；(3)利用微波干涉原理，在实验室中有效检测高速列车紧急制动性能，提高了测量精度并减轻了工人劳动强度，提高了检测效率。
附图说明
图1为本发明的测量示意图。
图2为本发明中的前端微带阵列天线结构示意图。
图3为本发明中的一种实验室使用的列车紧急制动模拟装置的结构示意图。
图4为本发明基于微波干涉的高速列车紧急制动性能实验室检测装置的微波干涉雷达示意图。
图5为本发明的微波干涉雷达的信号处理单元示意图。
具体实施方式
本发明的目的在于提供一种在路试实验机会较少的情况下，在实验室中即可对高速列车的紧急制动性能进行检测的装置与方法，可以利用SD卡存储数据并可使用USB接口与上位机相连，且在路试实验机会较少的情况下在实验室中即可对高速列车的紧急制动性能进行检测，不存在通信死角、电力机车强磁干扰问题，另外，上位机软件使用多项式Wigner-Ville分布和多项式拟合实现曲线的反演，减小了交叉项分布，使得拟合曲线更加接近实际制动曲线。
本发明高速列车紧急制动性能的实验室检测装置，包括列车紧急制动模拟装置18、微波干涉雷达17和上位机16，其中：
所述列车紧急制动模拟装置18，用于模拟列车紧急制动过程；
所述微波干涉雷达17，利用微波干涉雷达回波信号的多普勒频移，采集列车紧急制动模拟装置18在紧急制动过程中的制动数据，制动数据包括启动时间、速度、加速度；并将制动数据输入上位机16；
上位机16，根据制动数据绘制制动曲线，包括速度曲线、加速度曲线。
进一步地，所述列车紧急制动模拟装置18包括可燃气体、活塞和检测金属体，通过点火器点燃可燃气体，使气体体积迅速膨胀推动活塞运动，并进而推动检测金属体运动来模拟高速列车的紧急制动过程；
所述列车紧急制动模拟装置18的点火器受控于点火信号来点燃可燃气体；活塞和装置筒壁密封可燃气体，根据可燃气体的使用量、可燃气体的不同成份以及可燃气体的不同成份所占比例，产生推动活塞的不同爆炸力来模拟列车紧急制动前的速度；活塞用于密闭可燃气体和推动检测金属体；检测金属体与列车紧急制动装置相连，在活塞的推动下沿装置筒壁滑行，在达到模拟列车紧急制动前速度时紧急制动装置开始动作；行程限位器用于限制检测金属体的运动位移，保护检测金属体不会飞出；根据检测金属体的重量和所需模拟的列车紧急制动前的速度，使用不同的可燃气体成份、不同的可燃气体所占的比例以及不同的可燃气体使用量。
进一步地，所述微波干涉雷达17包括本振1、功分器2、发射天线3、接收天线4、低噪放5、混频器6、中频放大器7、低通滤波器8、A/D采样9和信号处理单元10；
所述微波干涉雷达17的本振1将发射信号经过功分器2分为两部分，其中一部分进入混频器6，另一部分则通过发射天线3发射出去；微波干涉雷达的发射天线波束正向照射至检测金属体，通过接收天线4接收检测金属体的回波信号，该回波信号通过低噪放5输入至混频器6；混频器6将接收的两路信号进行混频，混频后的信号经过中频放大器7和低通滤波器8后得到检测金属体回波信号的多普勒信号，采用A/D采样9对检测金属体回波信号的多普勒信号进行采样，并输入至信号处理单元10。
进一步地，所述信号处理单元10包括SD卡11、FPGA处理模块12和USB接口13，A/D采样9后的数据通过FPGA处理模块12一方面存入SD卡11中，另一方面通过USB接口13上传至上位机软件14。
进一步地，所述上位机包括上位机软件14和显示器15，其中：上位机软件14根据制动数据，使用多项式Wigner-Ville分布和多项式拟合的方法，绘制制动曲线并通过显示器15进行显示。
一种高速列车紧急制动性能的实验室检测方法，步骤如下：
步骤1，采用列车紧急制动模拟装置18模拟列车紧急制动过程；
步骤2，微波干涉雷达17利用微波干涉雷达回波信号的多普勒频移，采集列车紧急制动模拟装置18在紧急制动过程中的制动数据；
步骤3，上位机16中的上位机软件14通过多项式Wigner-Ville分布以及多项式拟合，计算出列车紧急制动模拟装置18在紧急制动过程中的启动时间、速度、加速度，并绘制速度曲线和加速度曲线；
步骤4，通过上位机16的显示器15，显示列车紧急制动模拟装置18的响应时间和紧急制动过程中的速度曲线和加速度曲线。
进一步地，步骤2所述微波干涉雷达17利用微波干涉雷达回波信号的多普勒频移，采集列车紧急制动模拟装置18在紧急制动过程中的制动数据，具体如下：
微波干涉雷达的本振1将发射信号经过功分器2分为两部分，其中一部分进入混频器6，另一部分则通过发射天线3发射出去；微波干涉雷达的发射天线波束正向照射至检测金属体，通过接收天线4接收检测金属体的回波信号，该回波信号通过低噪放5输入至混频器6；混频器6将接收的两路信号进行混频，混频后的信号经过中频放大器7和低通滤波器8后得到检测金属体回波信号的多普勒信号，采用A/D采样9对检测金属体回波信号的多普勒信号进行采样，并输入至信号处理单元10。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
基于微波干涉的高速列车紧急制动性能实验室检测原理如下：设微波干涉雷达发射单频连续波信号s(t)＝cos(2πfct)，被运动的检测金属体反射，其回波基带信号为
Figure BDA0001281323150000051
式中：K为回波衰减系数；fc为发射波中心频率；R(t)为检测金属体和微波干涉雷达之间的时变距离量。回波信号与发射信号经过混频器混频后的信号为
Figure BDA0001281323150000052
经过低通滤波器滤去高频成份后剩下检测金属体回波信号的多普勒信号。
R(t)＝R0-v(t)t，式中：R0为检测金属体和微波干涉雷达之间初始距离；v(t)为检测金属体运动速度。
Figure BDA0001281323150000061
即
Figure BDA0001281323150000062
式中：fd为相对运动所引起的多普勒频移；λ为毫米波波长。
速度v的符号与目标相对运动方向的关系为，目标靠近时v为正值，反之v为负。
对运动的瞬时速度求导可得到运动的瞬时加速度，即
Figure BDA0001281323150000063
由公式
Figure BDA0001281323150000064
和
Figure BDA0001281323150000065
就可以计算出目标速度和目标的加速度，进而绘制出目标运动速度以及加速度的曲线。
绘制紧急制动过程中的各紧急制动曲线时是通过上位机软件14采用了多项式Wigner-Ville分布和多项式拟合来实现的。由于高速列车的紧急制动过程各制动参数为非平稳随机信号，短时Fourier变换的基本思想是:假设非平稳信号在分析窗函数的一个短的时间间隔内是平稳的，移动窗函数，使信号在不同的有限时间内是平稳的，从而计算出各个不同时刻的功率谱。这种方法的缺陷是:对于一定的时刻，只是对其附近窗口内的信号分析，如果选择的窗函数窄(时间分辨率高)，则频率分辨率就低；如果要提高其频率分辨率而使窗函数变宽，则信号的平稳性条件会变差。在雷达信号分析中，模糊函数主要用于分析对发射信号匹配滤波后的信号分辨率性能。Wigner-Ville分布和模糊函数，它们都是瞬时相关函数的某种线性变换。前者变换到时延-频偏平面，表示相关，称为相关域；后者变换到时频平面，表示能量分布，称为能量域。Wigner-Ville分布和模糊函数二者之间是一种简单的二维Fourier变换。
Wigner-Ville分布的时频聚集性比较好，是处理非平稳信号的重要工具，在一定程度上解决了短时傅里叶变换存在的问题，但是这种分布的交叉项较严重。所以应当构造出可以使Wigner-Ville分布交叉项减小的变型形式。Wigner-Ville分布是多项式Wigner-Ville分布的一种特殊形式。多项式Wigner-Ville分布的优越性在于：它通过改造Wigner-Ville分布的双线性瞬时相关函数，使其变成多线性瞬时相关函数，在对多项式信号的Wigner-Ville分布进行分析时，可以极好的抑制交叉项的影响。
多项式拟合是现代数据处理中一种常用的方法，它是以多项式作为数学模型的线性最小二乘法。采用多项式作为数学模型的理论依据是，任何光滑连续的曲线在局部都可以用一个多项式来近似。一定存在一个N次多项式可以串起平面上的任意N+1个点。如果需要一个N次多项式来串起平面上的任意M(M>N+1)个点甚至更多时，则不能保证能够办到，除非M-N-1个点是位于N+1个点己经确定好了的曲线上。依靠N次多项式来尽可能的“串起”大于N+l的数学过程称为多项式拟合。
如图1所示，是本发明的测量示意图，测量时将微波干涉雷达17的如图2所示的前端微带阵列天线正对如图3所示的一种实验室使用的列车紧急制动模拟装置的检测金属体，并将如图4所示的微波干涉雷达17用如图5所示的USB接口13与如图1所示的上位机16相连。
如图2所示，是本发明中的前端微带阵列天线结构示意图，如图4所示的发射天线3和接收天线4均采用4×2的微带阵列天线。
如图3所示，是本发明中的一种实验室使用的列车紧急制动模拟装置18的结构示意图，包括可燃气体、活塞和检测金属体，通过点火器点燃可燃气体，使气体体积迅速膨胀推动活塞运动，并进而推动检测金属体运动来模拟高速列车的紧急制动过程。
所述列车紧急制动模拟装置18的点火器受控于点火信号来点燃可燃气体；活塞和装置筒壁密封可燃气体，根据可燃气体的使用量、可燃气体的不同成份以及可燃气体的不同成份所占比例，产生推动活塞的不同爆炸力来模拟列车紧急制动前的速度；活塞用于密闭可燃气体和推动检测金属体；检测金属体与列车紧急制动装置相连，在活塞的推动下沿装置筒壁滑行，在达到模拟列车紧急制动前速度时紧急制动装置开始动作；行程限位器用于限制检测金属体的运动位移，保护检测金属体不会飞出；根据检测金属体的重量和所需模拟的列车紧急制动前的速度，使用不同的可燃气体成份、不同的可燃气体所占的比例以及不同的可燃气体使用量。
如图4所示，是本发明基于微波干涉的高速列车紧急制动性能实验室检测装置的微波干涉雷达17示意图，列车紧急制动模拟装置18工作时，微波干涉雷达17的本振1将发射信号经过功分器2分为两部分，其中一部分进入混频器6，另一部分则通过发射天线3发射出去；微波干涉雷达的发射天线波束正向照射至检测金属体，通过接收天线4接收检测金属体的回波信号，该回波信号通过低噪放5输入至混频器6；混频器6将接收的两路信号进行混频，混频后的信号经过中频放大器7和低通滤波器8后得到检测金属体回波信号的多普勒信号，采用A/D采样9对检测金属体回波信号的多普勒信号进行采样，并输入至信号处理单元10。
如图5所示，是本发明的微波干涉雷达的信号处理单元示意图，如图4所示的信号处理单元10包括如图5所示的SD卡11、FPGA处理模块12和USB接口13，A/D采样9后的数据通过FPGA处理模块12一方面存入SD卡11中，另一方面通过USB接口13上传至上位机软件14。
使用上位机软件14对导入的数据进行处理，上位机软件14采用多项式Wigner-Ville分布和多项式拟合提取出检测金属体的多普勒频移信息。根据公式
Figure BDA0001281323150000081
将提取出的检测金属体的多普勒频移信息转换为紧急制动速度信息，再使用上位机软件14将检测金属体的速度数据进行多项式拟合并绘制成紧急制动速度曲线。根据公式
Figure BDA0001281323150000082
将所得的紧急制动速度数据转换成紧急制动的加速度数据，同样使用上位机软件14将检测金属体的紧急制动加速度数据进行多项式拟合并绘制成紧急制动加速度曲线。再结合FPGA处理模块12接收到紧急制动电气指令时计数器的状态获得高速列车紧急制动装置的紧急制动响应时间。最终将高速列车紧急制动响应时间，紧急制动速度、加速度等制动曲线直观的显示在显示器15上。

Claims (5)

1.一种高速列车紧急制动性能的实验室检测装置，其特征在于，包括列车紧急制动模拟装置（18）、微波干涉雷达（17）和上位机（16），其中：
所述列车紧急制动模拟装置（18），用于模拟列车紧急制动过程；
所述微波干涉雷达（17），利用微波干涉雷达回波信号的多普勒频移，采集列车紧急制动模拟装置（18）在紧急制动过程中的制动数据，制动数据包括启动时间、速度、加速度；并将制动数据输入上位机（16）；
上位机（16），根据制动数据绘制制动曲线，包括速度曲线、加速度曲线；
所述列车紧急制动模拟装置（18）包括可燃气体、活塞和检测金属体，通过点火器点燃可燃气体，使气体体积迅速膨胀推动活塞运动，并进而推动检测金属体运动来模拟高速列车的紧急制动过程；
所述列车紧急制动模拟装置（18）的点火器受控于点火信号来点燃可燃气体；活塞和列车紧急制动模拟装置（18）的筒壁密封可燃气体，根据可燃气体的使用量、可燃气体的不同成份以及可燃气体的不同成份所占比例，产生推动活塞的不同爆炸力来模拟列车紧急制动前的速度；活塞用于密闭可燃气体和推动检测金属体；检测金属体与列车紧急制动装置相连，在活塞的推动下沿列车紧急制动模拟装置（18）的筒壁滑行，在达到模拟列车紧急制动前速度时紧急制动装置开始动作；行程限位器用于限制检测金属体的运动位移，保护检测金属体不会飞出；根据检测金属体的重量和所需模拟的列车紧急制动前的速度，使用不同的可燃气体成份、不同的可燃气体所占的比例以及不同的可燃气体使用量。
2.根据权利要求1所述的高速列车紧急制动性能的实验室检测装置，其特征在于，所述微波干涉雷达（17）包括本振（1）、功分器（2）、发射天线（3）、接收天线（4）、低噪放（5）、混频器（6）、中频放大器（7）、低通滤波器（8）、A/D采样（9）和信号处理单元（10）；
所述微波干涉雷达（17）的本振（1）将发射信号经过功分器（2）分为两部分，其中一部分进入混频器（6），另一部分则通过发射天线（3）发射出去；微波干涉雷达的发射天线波束正向照射至检测金属体，通过接收天线（4）接收检测金属体的回波信号，该回波信号通过低噪放（5）输入至混频器（6）；混频器（6）将接收的两路信号进行混频，混频后的信号经过中频放大器（7）和低通滤波器（8）后得到检测金属体回波信号的多普勒信号，采用A/D采样（9）对检测金属体回波信号的多普勒信号进行采样，并输入至信号处理单元（10）。
3.根据权利要求2所述的高速列车紧急制动性能的实验室检测装置，其特征在于，所述信号处理单元（10）包括SD卡（11）、FPGA处理模块（12）和USB接口（13），A/D采样（9）后的数据通过FPGA处理模块（12）一方面存入SD卡（11）中，另一方面通过USB接口（13）上传至上位机软件（14）。
4.根据权利要求3所述的高速列车紧急制动性能的实验室检测装置，其特征在于，所述上位机包括上位机软件（14）和显示器（15），其中：上位机软件（14）根据制动数据，使用多项式Wigner-Ville分布和多项式拟合的方法，绘制制动曲线并通过显示器（15）进行显示。
5.一种高速列车紧急制动性能的实验室检测方法，其特征在于，该方法基于权利要求1~4任一项所述的高速列车紧急制动性能的实验室检测装置，步骤如下：
步骤1，采用列车紧急制动模拟装置（18）模拟列车紧急制动过程；
步骤2，微波干涉雷达（17）利用微波干涉雷达回波信号的多普勒频移，采集列车紧急制动模拟装置（18）在紧急制动过程中的制动数据；
步骤3，上位机（16）中的上位机软件（14）通过多项式Wigner-Ville分布以及多项式拟合，计算出列车紧急制动模拟装置（18）在紧急制动过程中的启动时间、速度、加速度，并绘制速度曲线和加速度曲线；
步骤4，通过上位机（16）的显示器（15），显示列车紧急制动模拟装置（18）的响应时间和紧急制动过程中的速度曲线和加速度曲线。
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