CN113534142A

CN113534142A - 基于雷达系统的铁路接触网测量方法及轨道车

Info

Publication number: CN113534142A
Application number: CN202110789648.1A
Authority: CN
Inventors: 王建; 华洋晟; 毕钡桢; 苏琦斌; 黄晓涛; 周智敏
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2021-07-13
Filing date: 2021-07-13
Publication date: 2021-10-22
Anticipated expiration: 2041-07-13
Also published as: CN113534142B

Abstract

本申请涉及一种基于雷达系统的铁路接触网测量方法及轨道车。所述方法包括：通过在轨道车车顶设置主雷达和从雷达，以及与各雷达配套的轨道高度计以及主控装置，在主控装置的控制下主、从雷达同步工作，获取接触网两根电缆的雷达回波，在获取回波的同时，从与雷达关联的轨道高度计从读取对应的雷达瞬时高度；然后处理雷达回波，提取接触网测量点在两个雷达中的斜向距离，并结合雷达瞬时高度，估计测量点的导高和拉出值。采用本方法能够提高接触网测量的精度，以及环境适应性。

Description

基于雷达系统的铁路接触网测量方法及轨道车

技术领域

本申请涉及铁路接触网动态遥测技术领域，特别是涉及一种基于雷达系统的铁路接触网测量方法及轨道车。

背景技术

铁路系统由机车、轨道、接触网、信通等多个核心分系统组成，其中铁路接触网与机车顶部的受电弓组成的弓网系统为机车提供高速行驶所需的能源，是铁路系统中的关键设备之一。接触网工作环境恶劣，由于露天架设而受到阳光、雨雪等自然应力的影响，此外还需要承受列车受电弓滑板反复的高速冲击、磨刷和高压大电流负荷，接触网的健康状态必须进行重点监测。在铁路工程规范中，接触网是按照一定的技术标准进行设计和建设的，为了平衡弓网系统的磨损，接触网按照“之”字型布设在轨道面上方一定高度；同时为了贴合弓网结合面防止离线发生，接触网还按照规范被施加了一定的张力。在《铁路电力牵引供电设计规范》中，列出了接触网的一整套健康状态参数，其中主要包括接触线导高、拉出值等几何参数，接触网张力、动态振幅等力学参数。合适的几何参数与力学参数是保障接触网供电性能和工作寿命的基础，因此如何准确、快速和自动地检测导高、拉出值、张力、动态振幅等接触网参数是铁路建设和运维部门的重大关切。

根据测量主题的不同，接触网可在线下检测，也可在机车上监测，两种途径所涉及的关键技术差异较大，其中车上监测对于测量精度、测量速度、稳定性要求非常高，目前接触网主要有接触式和非接触式两类测量方法。接触式传感器包括压力传感器、角位移传感器和加速度传感器等，这些方法要求对受电弓进行改造，安全风险大。非接触式传感器包括红外热成像检测、光学图像检测和激光扫描检测等，由于接触网的截面积小，加上机车的高速运动，这些传感器在测量精度、动态性等也存在一定的局限性。其中红外热成像检测仪无法精密测量几何形变，光学图像检测没有测距功能，激光扫描仪对车辆运动造成的指向误差非常敏感，此外这些非接触式测量方法受光照、雨雪尘雾等恶劣气象气候条件的影响，环境适应性差。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高测量精度的基于雷达系统的铁路接触网测量方法及轨道车。

一种基于雷达系统的铁路接触网测量方法，所述接触网动态测量方法应用于轨道车，所述轨道车顶部设置有雷达系统、轨道高度计以及主控装置，所述雷达系统包括主雷达和从雷达，两者之间的连线垂直于轨道中线，且相对于轨道车行驶方向中轴线对称；所述轨道高度计包括两个分别靠近所述主雷达和从雷达设置的主轨道高度计以及从轨道高度计；所述主控装置分别与雷达系统和轨道高度计电连接；

接触网动态测量方法包括：

所述主雷达和从雷达分别向铁路接触网的同一测量点发射雷达信号，主雷达接收主雷达回波信号，从雷达接收从雷达回波信号，并将所述主雷达回波信号以及从雷达回波信号发送至所述主控装置；

所述主轨道高度计在各个观测时刻测量主雷达与相应侧轨道顶面之间的主雷达高度，所述从轨道高度计在各个观测时刻测量从雷达与相应侧轨道顶面之间的从雷达高度，并将所述主雷达高度以及从雷达高度发送至所述主控装置；

所述主控装置根据预设的观测坐标、以及各观测时刻对应接收到的主雷达回波信号、从雷达回波信号、主雷达高度以及从雷达高度进行计算，依次得到各观测时刻的主雷达位置坐标、从雷达位置坐标、初始观测时刻的主雷达和从雷达的观测距离，所述测量点的初始位置坐标；

根据多个观测时刻下主雷达回波信号以及从雷达回波信号分别采用时间差分干涉方法进行处理，得到各观测时刻主雷达以及从雷达观测距离的变化量；

根据各观测时刻所述主雷达和从雷达的位置坐标、测量点的初始位置坐标、初始观测时刻主雷达和从雷达的观测距离以及各观测时刻主雷达以及从雷达观测距离的变化量，基于两点间求距离公式来构建测量点的导高变化量及拉出值变化量为未知数的方程，并进行求解得到所述导高变化量以及拉出值变化量；

根据所述导高变化量以及拉出值变化量来进行计算得到所述接触网的力学参数。

在其中一实施例中，所述观测坐标的X轴在轨道水平面上且垂直于所述轨道中线，所述观测坐标的Y轴沿重力方向且垂直于所述轨道中线。

在其中一实施例中，所述根据预设的观测坐标、以及各观测时刻对应接收到的主雷达回波信号、从雷达回波信号、主雷达高度以及从雷达高度进行计算，得到各观测时刻的主雷达位置坐标以及从雷达位置坐标包括：

根据各观测时刻所述主雷达高度、从雷达高度以及两者之间的几何位置关系分别对应得到各观测时刻的主雷达位置坐标以及从雷达位置坐标；

其中对应初始观测时刻得到的主雷达位置坐标以及从雷达位置坐标为所述主雷达初始位置坐标以及从雷达初始位置坐标。

在其中一实施例中，所述根据预设的观测坐标、以及各观测时刻对应接收到的主雷达回波信号、从雷达回波信号、主雷达高度以及从雷达高度进行计算，得到初始观测时刻主雷达和从雷达的观测距离包括：

根据初始观测时刻对应的主雷达回波数据以及从雷达回波数据分别进行脉冲压缩得到相应的脉冲压缩图像，且分别识别出所述测量点在各所述脉冲压缩图像中的波峰位置，以及获取所述波峰位置对应的波峰复数散射数据；

根据所述主雷达初始位置坐标以及相应的波峰复数散射数据进行计算得到主雷达的初始观测距离；

根据所述从雷达初始位置坐标以及相应的波峰复数散射数据进行计算得到从雷达的初始观测距离。

在其中一实施例中，所述根据预设的观测坐标、以及各观测时刻对应接收到的主雷达回波信号、从雷达回波信号、主雷达高度以及从雷达高度进行计算，得到所述测量点的初始位置坐标包括：

根据所述主雷达和从雷达之间距离、主雷达和从雷达的初始观测距离构建以主雷达、从雷达为底边，观测点为顶点的三角形面积公式；

根据所述三角形面积公式进行计算，得到该三角形的高；

根据该三角形的高以及初始观测时刻所述主雷达高度和从雷达高度进行计算，得到所述测量点初始位置坐标的Y坐标；

根据主雷达初始位置坐标和从雷达初始位置坐标分别与测量点初始位置坐标之间的距离，构建以测量点初始位置坐标为未知数的方程，并对方程进行求解得到所述测量点初始位置坐标的X坐标；

根据所述测量点初始位置坐标的X坐标、Y坐标得到初始位置坐标。

在其中一实施例中，所述根据各观测时刻所述主雷达和从雷达的位置坐标、测量点的初始位置坐标、初始观测时刻主雷达和从雷达的观测距离以及各观测时刻主雷达以及从雷达观测距离的变化量基于两点间求距离公式构建测量点的导高变化量及拉出值变化量为未知数的方程，并进行求解得到所述导高变化量以及拉出值变化量包括：

根据所述主雷达初始位置坐标、测量点初始位置坐标、导高变化量、拉出值变化量、主雷达的初始观测距离以及各观测时刻主雷达的观测距离变化量，构建各观测时刻主雷达到测量点之间的第一距离方程；

根据所述从雷达初始位置坐标、测量点初始位置坐标、导高变化量、拉出值变化量、从雷达的初始观测距离以及各观测时刻从雷达的观测距离变化量，构建各观测时刻从雷达到测量点之间的第二距离方程；

分别在各观测时刻下对所述第一距离方程和第二距离方程进行求解，得到各观测时刻对应的所述导高变化量以及拉出值变化量。

本申请还提供了一种轨道车，所述轨道车顶部设置有雷达系统、轨道高度计以及主控装置，所述雷达系统包括主雷达和从雷达，两者之间的连线垂直于轨道中线，且相对于轨道车行驶方向中轴线对称；所述轨道高度计包括两个分别靠近所述主雷达和从雷达设置的主轨道高度计以及从轨道高度计；所述主控装置分别与雷达系统和轨道高度计电连接；

所述主控装置根据多个观测时刻下主雷达回波信号以及从雷达回波信号分别采用时间差分干涉方法进行处理，得到各观测时刻主雷达以及从雷达观测距离的变化量；

所述主控装置根据各观测时刻所述主雷达和从雷达的位置坐标、测量点的初始位置坐标、初始观测时刻主雷达和从雷达的观测距离以及各观测时刻主雷达以及从雷达观测距离的变化量，基于两点间求距离公式来构建测量点的导高变化量及拉出值变化量为未知数的方程，并进行求解得到所述导高变化量以及拉出值变化量；

所述主控装置根据所述导高变化量以及拉出值变化量的进行频谱分析得到所述接触网的力学参数。

在其中一实施例中，所述轨道车包括行驶在铁轨上的检修车、或双轮轨道拖车、或运营机车。

在其中一实施例中，所述轨道车的顶部设置有多组雷达系统及配套的轨道高度计，各组雷达系统均沿所述行驶方向中轴线方向分布；

各组所述雷达系统向所述铁路接触网的不同测量点发射雷达信号。

在其中一实施例中，所述轨道车的顶部设置有两组雷达系统，分别设置在轨道车顶部受电弓沿轨道车轴向的前后两侧。

上述基于雷达系统的铁路接触网测量方法，通过直接在轨道车顶部设置雷达系统以及轨道高度计，该雷达系统包括分别向铁路接触网上同一测量点发设雷达信号，在雷达发射信号的同时，轨道高度计还在各观测时刻测量各雷达到相应测轨道顶面之间的高度距离，主控装置根据接收到的雷达回波数据，并结合各个观测时刻接收到的高度距离进行处理得到铁路接触网更为精确的力学参数，且该方法对列车运行无影响，适应各种环境。

附图说明

图1为一个实施例中基于雷达系统的铁路接触网测量方法的流程示意图；

图2为一个实施例中铁路接触网受电弓几何模型示意图；

图3为一个实施例中观测坐标示意图；

图4为一个实施例中轨道车顶部结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

如图1所示，提供了一种基于雷达系统的铁路接触网测量方法，该接触网动态测量方法应用于轨道车，轨道车顶部设置有雷达系统、轨道高度计以及主控装置，雷达系统包括主雷达和从雷达，两者之间的连线垂直于轨道中线，且相对于轨道车行驶方向中轴线对称；轨道高度计包括两个分别靠近主雷达和从雷达设置的主轨道高度计以及从轨道高度计；主控装置分别与雷达系统和轨道高度计电连接。

铁路接触网动态测量方法具体包括以下步骤：

步骤S100，主雷达和从雷达分别向铁路接触网的同一测量点发射雷达信号，主雷达接收主雷达回波信号，从雷达接收从雷达回波信号，并将主雷达回波信号以及从雷达回波信号发送至主控装置；

步骤S110，主轨道高度计在各个观测时刻测量主雷达与相应侧轨道顶面之间的主雷达高度，从轨道高度计在各个观测时刻测量从雷达与相应侧轨道顶面之间的从雷达高度，并将主雷达高度以及从雷达高度发送至主控装置；

步骤S120，主控装置根据预设的观测坐标、以及各观测时刻对应接收到的主雷达回波信号、从雷达回波信号、主雷达高度以及从雷达高度进行计算，依次得到各观测时刻的主雷达位置坐标、从雷达位置坐标、初始观测时刻的主雷达和从雷达的观测距离，测量点的初始位置坐标；

步骤S130，根据多个观测时刻下主雷达回波信号以及从雷达回波信号分别采用时间差分干涉方法进行处理，得到各观测时刻主雷达以及从雷达观测距离的变化量；

步骤S140，根据各观测时刻主雷达和从雷达的位置坐标、测量点的初始位置坐标、初始观测时刻主雷达和从雷达的观测距离以及各观测时刻主雷达以及从雷达观测距离的变化量基于两点间求距离公式来构建测量点的导高变化量及拉出值变化量为未知数的方程，并进行求解得到导高变化量以及拉出值变化量；

步骤S150，根据导高变化量以及拉出值变化量来进行计算得到接触网的力学参数。

本申请提供了一种用于如图2所示的铁路接触网场景中的接触网测量方法，用于对接触网的各关键技术指标进行实时动态遥测，其中关键技术指标包括接触线导高、拉出值等几何参数，接触网拉力、动态振幅等力学参数。

在本实施例中，基于雷达系统的铁路接触网测量方法应用于轨道车上，该轨道车的顶部设置有连接线垂直于轨道中线，且相对于轨道车行驶方向中轴线对称的主雷达和从雷达。通过主雷达和从雷达协同向铁路接触网的同一测量点发射雷达信号，并将雷达回波信号发送至主控装置。

在本实施例中，主控装置可为上位机。

在本实施例中，主控装置可通过无线的方式与雷达以及轨道高度计连接，也可通过有线的方式，例如控制电缆与雷达以及轨道高度计连接

在本实施例中，对于一段需测量的铁路接触网可将接触线、承力拉索等作为测量点进行测量。

在本实施例中，在对主雷达和从雷达进行设置时，需确保雷达与被观测的接触网电缆之间没有遮挡，且调整雷达天线指向轨道内侧，控制波束中心俯仰角对准接触网，左右方向视线与接触网垂直。

并且，为了提高接触网测量精度，两部雷达之间的距离应在条件允许的范围内尽量大。

进一步的，两部雷达之间的连线与接触网上需要观测的测量点例如接触线、承力拉索，以及列车铁轨中心线垂直。

在本实施例中，在通过主、从雷达对测量点进行观测时，会在一段观测时间内向同一测量点以一定脉冲重复频率发射雷达脉冲信号，则对应的可得到多个观测时刻的雷达回波信号。

由于，轨道车在轨道上是运动的，在多个外力下设置在轨道车上的雷达距离轨道顶面的高度也会相应有改变。为了提高测量的精度，在各雷达附近还设置有一轨道高度计用于在每个观测时刻测量雷达的瞬间高度。

在步骤S100-S110中，为各雷达以及各轨道高度计在各观测时刻均向主控装置发射相应数据，而主控装置根据接收到的数据再进行相应的处理。

在这里需要说明的是，由于主雷达、从雷达、主轨道高度计以及从轨道高度计均需要同时工作，所以可由主控装置先向各装置发射工作指令，待各装置接收到工作指令后再进行相应工作。

在步骤S120-S150中，为主控装置在对各数据进行处理的过程，在对数据进行处理时均基于一观测坐标，观测坐标的X轴在轨道水平面上且垂直于轨道中线，观测坐标的Y轴沿重力方向且垂直于轨道中线，如图3所示。

在对各数据进行处理时，实际是先通过接收到的数据处理后得到各观测时刻测量点的导高变化量以及拉出值变化量。而在观测坐标中，测量点在各观测时刻的位置坐标是变化的，且该位置变化是由在Y轴方向的导高变化量以及在X轴方向的拉出值变化量引起的，所以可以通过各个观测时刻下测量点的位置坐标求出导高变化量以及拉出值变化量。

在图3中可以看出，主雷达、从雷达以及测量点在观测坐标中形成一个三角形。在确定主雷达和从雷达的坐标后基于三角形面积公式可以求出测量点的位置坐标。

首先根据预设的观测坐标、以及各观测时刻对应接收到的主雷达回波信号、从雷达回波信号、主雷达高度以及从雷达高度进行计算，得到各观测时刻的主雷达位置坐标以及从雷达位置坐标包括：根据各观测时刻主雷达高度、从雷达高度以及两者之间的几何位置关系分别对应得到各观测时刻的主雷达位置坐标以及从雷达位置坐标；其中对应初始观测时刻得到的主雷达位置坐标以及从雷达位置坐标为所述主雷达初始位置坐标以及从雷达初始位置坐标。

具体的，记主雷达的位置坐标为(x_M,y_M)，从雷达的位置坐标为(x_S,y_S)，在t_n时刻，根据几何关系可知主雷达的坐标和从雷达的坐标。

其中，主雷达的坐标为：

其中，从雷达的坐标为：

在公式(1-4)中，h_M(t_n)和h_S(t_n)分别表示t_n观测时刻两个轨道高度计的测量值，也就是各个观测时刻的主雷达高度、从雷达高度。

接下来，再根据主雷达回波信号、从雷达回波信号、主雷达高度以及从雷达高度进行计算，得到初始观测时刻主雷达和从雷达的观测距离。其中观测距离也就是各雷达到测量点之间的距离。

在对如何处理雷达回波信号得到观测距离之前，还对主、从雷达进行进一步限定。由于在铁路接触网测量应用中，测量点距离雷达的距离很小，为了消除观测盲区，应当采用连续波体制的测量雷达。由于待观测的多个目标的距离较近，雷达需要发射宽带信号，根据《铁路电力牵引供电设计规范》，承力拉索到接触网电线的吊弦长度最短约为0.3米，因此两部雷达的距离分辨率应当优于0.3米，根据雷达原理可知：两部雷达的发射信号带宽应当大于500MHz，否则将不能有效区分接触网上下两根线缆。为了能够适应高铁运行速度，雷达的信号产生速度要快，例如重复测量频率1000Hz以上，且工作波长不能过短，例如厘米波及更大波长。此外为了防止两部雷达产生同频干扰影响测量精度，通过主控计算机控制雷达发射的宽带信号具有不同的调频斜率。

假设主雷达和从雷达发射雷达回波信号分别为

其表达式为

在公式(5)和(6)中，t为脉冲内快采样时间，f₀为起始频率，

和

分别为主从雷达的线性调频扫频周期，

和

分别为主从雷达信号的调频斜率，j是虚数单位，A为发射信号幅度，对形变估计的影响较小，在后续公式中省略。矩形函数

为了保持两个雷达的信号带宽相同，设置参数使得

根据主雷达回波信号、从雷达回波信号、主雷达高度以及从雷达高度进行计算，得到初始观测时刻主雷达和从雷达的观测距离具体包括：根据初始观测时刻对应的主雷达回波数据以及从雷达回波数据分别进行脉冲压缩得到相应的脉冲压缩图像，且分别识别出测量点在各所述脉冲压缩图像中的波峰位置，以及获取所述波峰位置对应的波峰复数散射数据，根据主雷达初始位置坐标以及相应的波峰复数散射数据进行计算得到主雷达的初始观测距离，根据从雷达初始位置坐标以及相应的波峰复数散射数据进行计算得到从雷达的初始观测距离。

具体的，在各雷达发送雷达回波信号之前还在本地对雷达回波信号进行预处理。预处理包括对雷达回波信号进行去调频接收后，接收输出固定频率的中频回波，该频率大小与目标到雷达的距离成正比。再经过AD采集处理后得到数字雷达回波信号后再将其发送至主控装置进行脉冲压缩处理。

在其他实施例中，各雷达也可在本地对数字雷达回波信号进行脉冲压缩处理后，再发送至所述主控装置进行后续处理。

则主、从雷达回波信号进行脉冲压缩处理后分别得到

其表达式为：

在公式(7)和(8)中，N_FFT表示FFT的长度，f_s表示中频回波的AD采样频率，

和

分别表示主从雷达中频回波的AD采样点数，n表示观测时刻。

在公式(7)和(8)中，τ表示电磁波从发射，照射到接触网电缆，最后再被雷达接收的双程传输延迟，假设接触网电缆的位置坐标为(x₀,y₀)，则接触网在主雷达的延迟为：

则接触网在从雷达的延迟为：

经过脉冲压缩后，在主、从雷达中，测量点的脉冲压缩波峰分别位于

和

其中round()表示四舍五入取整运算。

进一步的，根据脉冲压缩波峰位置下标和雷达系统参数可以得到接触网电缆在两部雷达中的距离也就是两部雷达的观测距离。

其中，主雷达的观测距离为：

其中，从雷达的观测距离为：

在峰值处对应的复数散射值分别记为:

和

由于复数散射值的相位项的第二项远小于第一项，因此该相位可分别近似为

和

在对主、从雷达的观测距离进行计算时，当处理雷达回波数据对应的初始观测时刻，则得到主雷达的初始观测距离以及从雷达的初始观测距离。

在本实施例中，同一组雷达还可对两个测量点进行检测例如(接触网的接触线和承力拉索)，这样各雷达回波信号在同一观测时刻将会接收到不同观测点的雷达回波信号。在对雷达回波信号进行脉冲压缩处理后，识别接触线和承力拉索在脉冲压缩图像中的波峰位置，采用交叉定位法估计接触线和承力拉索的二维空间位置。也就是在观测坐标中识别两个测量点，分别计算两个测量点与主雷达和从雷达之间的距离，以及各测量点的位置坐标。因为各测量点的导高变化量以及拉出值变化量计算方法相同，在下文中还是以一个测量点为例进行说明。

之后，再根据主雷达的初始位置坐标、从雷达的初始位置坐标、主雷达的初始观测距离以及从雷达的初始观测距离进行计算，得到所述测量点的初始位置坐标，具体过程包括：根据主雷达和从雷达之间距离、主雷达和从雷达的初始观测距离构建以主雷达、从雷达为底边，观测点为顶点的三角形面积公式，根据三角形面积公式进行计算，得到该三角形的高，根据该三角形的高以及初始观测时刻主雷达高度和从雷达高度进行计算，得到测量点初始位置坐标的Y坐标。

具体的，从图3中的观测坐标可以看出，由主雷达、从雷达以及测量点可以构成一个三角形，其中主雷达和从雷达之间的距离为三角形的底边长，而主雷达、从雷达的观测距离分别为三角形的两腰长(r_M(t_n)以及r_S(t_n))且三角形的高也就对应着测量点位置坐标的Y坐标，所以可以根据三角形的面积公式对Y坐标进行求解。

具体的，根据主雷达和从雷达之间距离、主雷达和从雷达的初始观测距离建立三角形面积方程：

在公式(11)中，

也就是观测坐标中r_M(t_n)的值，

也就是观测坐标中r_S(t_n)的值，L为主雷达和从雷达之间的距离。

再根据公式(11)推导出三角形高的公式：

再得出三角形的高之后，还要加上轨道车顶面距离轨道水平面之间的距离才最终得到了测量点的初始位置坐标，则坐标Y为：

在计算出测量点的初始位置坐标的Y坐标后，再根据主雷达初始位置坐标和从雷达初始位置坐标分别与测量点初始位置坐标之间的距离，构建以测量点初始位置坐标为未知数的方程，并对方程进行求解得到所述测量点初始位置坐标的X坐标。

具体的，该方程为：

在公式(14)中的第一个方程为由主雷达到测量点之间的距离方程，第二个方程为由从雷达到测量点之间的距离方程。

将公式(14)中的两个方程相减后得到：

在公式(15)中，

由此可以得到测量点初始位置坐标的坐标X为：

再根据测量点初始位置坐标的X坐标、Y坐标得到初始位置坐标。

这里需要说明的是，在接触网保持不动的状态下，接触网在观测坐标中应与Y轴保持重合。而初始观测时刻，计算得到的测量点的初始位置坐标的坐标Y也可以看作就是导高，坐标X也可以看作就是拉出值。从而可以在初始观测时刻t₀，测量点的导高和拉出值分别为：

在步骤S130中，对多个观测时刻下主雷达回波信号以及从雷达回波信号均进行脉冲压缩处理，并将波峰位置对应的复数散射值分别组成测量点复数散射观测向量。

其中，根据主雷达回波信号在不同t_n＝n/prf(prf为脉冲重复频率)观测时刻得到的测量点复数散射观测向量为：

其中，根据从雷达回波信号在不同t_n＝n/prf(prf为脉冲重复频率)观测时刻得到的测量点复数散射观测向量为：

再采用时间差分干涉的方法，以t_n＝0时刻为基准，接触网上观测点的径向形变量也就主雷达和从雷达各观测时刻的观测距离变化量，其中：

为主雷达的观测距离变化量，

为从雷达的观测距离变化量，具体表达式为：

在公式(21)和(22)中，()^*表示取共轭运算，angle()表示取复数数据的相位角运算。

在步骤S140中，计算导高变化量以及拉出值变化量具体包括：根据主雷达初始位置坐标、测量点初始位置坐标、导高变化量、拉出值变化量、主雷达的初始观测距离以及各观测时刻主雷达的观测距离变化量，构建各观测时刻主雷达到测量点之间的第一距离方程；根据从雷达初始位置坐标、测量点初始位置坐标、导高变化量、拉出值变化量、从雷达的初始观测距离以及各观测时刻从雷达的观测距离变化量，构建各观测时刻从雷达到测量点之间的第二距离方程；分别在各观测时刻下对所述第一距离方程和第二距离方程进行求解，得到各观测时刻对应的导高变化量以及拉出值变化量。

具体的，在其他时刻n/prf，接触网上的测量点相对于初始位置

后续简写为

导高变和变化值分别存在Δh(n)和Δx(n)的变化量，而两个雷达的观测距离存在变化量

和

可以得到一个二元二次方程组：

考虑到初始时刻t₀方程成立，且接触网设计规范中导高变化量小，而拉出值变化量大，化简后可以得到一个新的方程组：

根据导高变化量较小的先验知识，可求解拉出值变化量为：

将Δh(n)带入公式(24)中第一个方程，解一元二次方程可得：

在步骤S150中，根据各观测时刻得到的导高变化量和拉出值变化量进行频谱分析得到接触网的力学参数。

具体的，在各观测时刻对应的导高变化量以及拉出值变化量中分别寻找出最大导高变化量以及最大拉出值变化量，并根据最大导高变化量以及最大拉出值变化量分别进行计算相应得到导高冲击振幅以及拉出值冲击振幅；

根据各观测时刻对应的导高变化量进行傅里叶变换得到导高变化频谱，并从导高变化频谱中提取基频分量，根据基频分量以及接触网电缆的张力公式对接触网电缆索的拉力、弦索的线密度以及接触网电缆的等效长度及进行估计得到拉力估计值、线密度估计值以及等效长度估计值。

这里对接触网各力学参数进行计算的过程在下文中结合具体应用场景进行说明。

在得到接触网的各力学参数之后还可以根据得到的力学参数进行判断，若力学参数符合预设的设计范围，则判断与观测时刻对应部分的接触网工作正常；若所述力学参数符合预设的设计范围，则判断该部分接触网存在潜在的故障。

在本实施例中，还提供了一种轨道车，轨道车顶部设置有雷达系统、轨道高度计以及主控装置，雷达系统包括主雷达和从雷达，两者之间的连线垂直于轨道中线，且相对于轨道车行驶方向中轴线对称；轨道高度计包括两个分别靠近主雷达和从雷达设置的主轨道高度计以及从轨道高度计；主控装置分别与雷达系统和轨道高度计电连接；

主雷达和从雷达分别向铁路接触网的同一测量点发射雷达信号，主雷达接收主雷达回波信号，从雷达接收从雷达回波信号，并将主雷达回波信号以及从雷达回波信号发送至所述主控装置；

主轨道高度计在各个观测时刻测量主雷达与相应侧轨道顶面之间的主雷达高度，从轨道高度计在各个观测时刻测量从雷达与相应侧轨道顶面之间的从雷达高度，并将主雷达高度以及从雷达高度发送至主控装置；

主控装置根据预设的观测坐标、以及各观测时刻对应接收到的主雷达回波信号、从雷达回波信号、主雷达高度以及从雷达高度进行计算，依次得到各观测时刻的主雷达位置坐标、从雷达位置坐标、初始观测时刻的主雷达和从雷达的观测距离，测量点的初始位置坐标；

主控装置根据多个观测时刻下主雷达回波信号以及从雷达回波信号分别采用时间差分干涉方法进行处理，得到各观测时刻主雷达以及从雷达观测距离的变化量；

主控装置根据各观测时刻主雷达和从雷达的位置坐标、测量点的初始位置坐标、初始观测时刻主雷达和从雷达的观测距离以及各观测时刻主雷达以及从雷达观测距离的变化量，基于两点间求距离公式来构建测量点的导高变化量及拉出值变化量为未知数的方程，并进行求解得到所述导高变化量以及拉出值变化量；

主控装置根据所述导高变化量以及拉出值变化量来进行频谱分析得到所述接触网的力学参数。

具体的，各雷达由宽带信号源、发射机、发射天线、接收天线、接收机、AD采集卡、雷达信号处理器、频率综合单元、时序与控制单元等组成。

具体的，每一对轨道高度计分别安装在主从雷达附近垂直于两根铁轨的上方，分别用于测量主、从雷达相对于轨道面的高度，轨道高度计可以采用激光进行测高，也可以采用测距雷达进行测高，为了保证系统测量精度，轨道高度计测量精度应当优于0.1mm。

轨道高度计在主控装置触发命令的控制下，测量某一参考面(例如雷达相位中心)到铁轨上缘的距离。通过主从高度计联合处理，可以得到校正机车底盘的倾角，从修正雷达对拉出值和导高的估计结果。

在本实施例中，轨道车包括行驶在铁轨上的检修车、或双轮轨道拖车、或运营机车。

具体的，轨道车可以是成熟的运营机车，可是专门的检修机车，也可以是简易双轮轨道拖车。主要用于承载与固定雷达系统，提供设备供电、操作台等必要工作条件。

在本实施例中，轨道车还包括定位与时统单元，用于确定接触网的经纬度坐标以及观测的时刻，从而建立测量数据与真实铁路网的对应关系，便于总体态势显示和后续数据分析。定位与时统单元一般为基于北斗卫星定位系统的传感器，也可采用基于GPS、伽利略、格洛纳斯等卫星定位系统的传感器。

在本实施例中，轨道车还包括其它辅助设备，其它辅助设备包括测量数据显示、记录存储、通信服务、数据云端上传和用户信息推送等。在其他实施例中，也可将其他辅助设备设置于主控装置中。

为了对接触网的力学参数进行深入测量，每个轨道车的顶部一般需要配备2组以上的雷达以及配套的轨道高度计，且各组雷达系统均沿行驶方向中轴线方向分布。各组雷达系统向所述铁路接触网的不同测量点发射雷达信号。

在一些应用场景中，轨道车的顶部设置有两组雷达系统，分别设置在轨道车顶部受电弓沿轨道车轴向的前后两侧。

如图4所示，在受电弓下方安装一组雷达用于观察接触网的上下抬升大小；在受电弓前方一定距离安装一组雷达，用于测量受电弓扰动传输速度；在受电弓后方一定距离安装一组雷达，用于测量接触网的阻尼系数。

再结合本申请中的铁路接触网动态测量方法中的步骤S150在该应用场景中的运用，具体的：

将轨道车顶部受电弓下安装一组雷达，计为第1组雷达，得到测量点的初始位置坐标也就是拉出初始值，导高初始值为

得到拉出值、导高变化量为(Δx₁(n),Δh₁(n))，则在t_n时刻测量的拉出值与导高为：

在受电弓的前方再安装一对差分干涉形变测量雷达，计为第2组雷达，得到测量点的初始位置坐标也就是拉出初始值，导高初始值为

得到拉出值、导高变化量为(Δx₂(n),Δh₂(n))，则在t_n时刻测量的拉出值与导高为：

假设两组雷达顺铁轨长度方向的间距为D，轨道车运行速度为v，则可以计算受电弓引起的抬升量为：

此时，可参考铁路行业规范判断抬升量是否满足设计要求，如果在设计范围内，则判断该段接触网工作正常；否则判断该段接触网存在潜在故障。

上述基于雷达系统的铁路接触网测量方法中，通过利用通用或专用轨道车，在轨道车顶部垂直轴线方向安装两台雷达，采用交叉定位的方法精密测量接触网几何参数，同时利用雷达高数据率优势，进行差分形变观测，估算接触网的力学参数。两台雷达其中一台为主设备(简称主雷达)，另一台为从设备(从雷达)，在主控计算机的控制下同步工作，采集相同时刻不同视角下的目标回波，并进行脉冲压缩，然后识别接触网中同一测量点(例如接触线和承力拉索)在脉冲压缩图像中的波峰位置，采用交叉定位法估计接触线和承力拉索的二维空间位置；接着利用时间差分干涉技术对波峰复数散射数据做干涉处理，分别得到测量点相对于两个雷达的位移量，然后通过求解二元方程得到接触线和承力拉索的导高形变和变化值形变；最后通过对导高和变化值的频谱分析估计接触网的力学参数，判断接触网的健康状况。本方法具有测量精度高、安全非接触、精细高动态、操作部署便捷等优点，所发明传感器对列车运行无影响，环境适应性优良。可广泛用于对常规铁路、高速铁路的接触网进行实时监测，保障铁路运行安全，也可用于为下一代高速铁路设计和相关标准确立提供科研技术支撑。

应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.基于雷达系统的铁路接触网测量方法，其特征在于，所述接触网动态测量方法应用于轨道车，所述轨道车顶部设置有雷达系统、轨道高度计以及主控装置，所述雷达系统包括主雷达和从雷达，两者之间的连线垂直于轨道中线，且相对于轨道车行驶方向中轴线对称；所述轨道高度计包括两个分别靠近所述主雷达和从雷达设置的主轨道高度计以及从轨道高度计；所述主控装置分别与雷达系统和轨道高度计电连接；

接触网动态测量方法包括：

2.根据权利要求1所述的铁路接触网动态测量方法，其特征在于，所述观测坐标的X轴在轨道水平面上且垂直于所述轨道中线，所述观测坐标的Y轴沿重力方向且垂直于所述轨道中线。

3.根据权利要求2所述的铁路接触网动态测量方法，其特征在于，所述根据预设的观测坐标、以及各观测时刻对应接收到的主雷达回波信号、从雷达回波信号、主雷达高度以及从雷达高度进行计算，得到各观测时刻的主雷达位置坐标以及从雷达位置坐标包括：

4.根据权利要求3所述的铁路接触网动态测量方法，其特征在于，所述根据预设的观测坐标、以及各观测时刻对应接收到的主雷达回波信号、从雷达回波信号、主雷达高度以及从雷达高度进行计算，得到初始观测时刻主雷达和从雷达的观测距离包括：

5.根据权利要求4所述的铁路接触网动态测量方法，其特征在于，所述根据预设的观测坐标、以及各观测时刻对应接收到的主雷达回波信号、从雷达回波信号、主雷达高度以及从雷达高度进行计算，得到所述测量点的初始位置坐标包括：

根据所述三角形面积公式进行计算，得到该三角形的高；

6.根据权利要求1所述的铁路接触网动态测量方法，其特征在于，所述根据各观测时刻所述主雷达和从雷达的位置坐标、测量点的初始位置坐标、初始观测时刻主雷达和从雷达的观测距离以及各观测时刻主雷达以及从雷达观测距离的变化量，基于两点间求距离公式来构建测量点的导高变化量及拉出值变化量为未知数的方程，并进行求解得到所述导高变化量以及拉出值变化量包括：

7.轨道车，其特征在于，所述轨道车顶部设置有雷达系统、轨道高度计以及主控装置，所述雷达系统包括主雷达和从雷达，两者之间的连线垂直于轨道中线，且相对于轨道车行驶方向中轴线对称；所述轨道高度计包括两个分别靠近所述主雷达和从雷达设置的主轨道高度计以及从轨道高度计；所述主控装置分别与雷达系统和轨道高度计电连接；

所述主控装置根据各观测时刻所述主雷达和从雷达的位置坐标、测量点的初始位置坐标、初始观测时刻主雷达和从雷达的观测距离以及各观测时刻主雷达以及从雷达观测距离的变化量基于两点间求距离公式来构建测量点的导高变化量及拉出值变化量为未知数的方程，并进行求解得到所述导高变化量以及拉出值变化量；

所述主控装置根据所述导高变化量以及拉出值变化量来进行频谱分析得到所述接触网的力学参数。

8.根据权利要求7所述的轨道车，其特征在于，所述轨道车包括行驶在铁轨上的检修车、或双轮轨道拖车、或运营机车。

9.根据权利要求8所述的轨道车，其特征在于，所述轨道车的顶部设置有多组雷达系统以及配套的轨道高度计，各组雷达系统均沿所述行驶方向中轴线方向分布；

10.根据权利要求9所述的轨道车，其特征在于，所述轨道车的顶部设置有两组雷达系统，分别设置在轨道车顶部受电弓沿轨道车轴向的前后两侧。