RU2792315C1 - Method for radar monitoring of state of the railroad switch on the hump yards and sensor implementing it - Google Patents
Method for radar monitoring of state of the railroad switch on the hump yards and sensor implementing it Download PDFInfo
- Publication number
- RU2792315C1 RU2792315C1 RU2022126622A RU2022126622A RU2792315C1 RU 2792315 C1 RU2792315 C1 RU 2792315C1 RU 2022126622 A RU2022126622 A RU 2022126622A RU 2022126622 A RU2022126622 A RU 2022126622A RU 2792315 C1 RU2792315 C1 RU 2792315C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- signal
- antenna
- radar
- microwave
- turnout
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области железнодорожной (ЖД) автоматики на сортировочных горках, предназначено для определения состояния занятости подконтрольного путевого участка стрелочного перевода подвижным составом и основано на использовании радиолокационных датчиков (РЛД).The invention relates to the field of railway (railway) automation on marshalling humps, is intended to determine the state of employment of the controlled track section of the turnout by rolling stock and is based on the use of radar sensors (RLD).
В настоящее время на сортировочных горках сети ЖД РФ, для защиты от перевода стрелок под вагонами в разных сочетаниях эксплуатируется достаточно большое число устройств. Среди них: рельсовая цепь, рельсовые датчики прохода колес, индуктивный шлейф, фотоэлектрические устройства и радиотехнические датчики (РТД) [1, 2]. При этом на одной стрелке могут устанавливаться сразу несколько из перечисленных устройств, что обусловлено тем, что все они имеют недостатки, которые при их индивидуальном применении в определенных условиях могут вызвать перевод стрелки под подвижным составом.At present, a fairly large number of devices are used in various combinations on the hump yards of the railway network of the Russian Federation to protect against the transfer of switches under the cars in different combinations. Among them: a rail circuit, rail wheel passage sensors, an inductive loop, photoelectric devices and radio technical sensors (RTD) [1, 2]. At the same time, several of the listed devices can be installed on one switch at once, which is due to the fact that all of them have disadvantages, which, if used individually under certain conditions, can cause the switch to move under the rolling stock.
Особенностью РТД, выгодно отличающих их от иных устройств, является отсутствие механических контактов с объектом контроля и их высокое быстродействие. На их работу из-за малых расстояний разноса антенн приемника и передатчика практически не оказывают влияние пыль, дым, освещенность, метеорологические условия (дождь, град, туман, снег). Дополнительными достоинствами РТД являются простота конструкции. Поэтому разработанные еще в 80-е годы двадцатого века РТД находят повсеместной применение на сортировочных горках сети ЖД РФ и в настоящее время [3].A feature of RTDs that distinguishes them favorably from other devices is the absence of mechanical contacts with the test object and their high speed. Dust, smoke, illumination, meteorological conditions (rain, hail, fog, snow) practically do not affect their operation due to the small separation distances of the receiver and transmitter antennas. Additional advantages of RTD are simplicity of design. Therefore, RTDs developed back in the 80s of the twentieth century are widely used on marshalling yards of the Russian Railways network at the present time [3].
РТД обеспечивают пространственный контакт с обнаруживаемыми объектами ЖД транспорта посредством радиоволн. Они реализуют два основных способа обнаружения: посредством приема отраженного сигнала (канал отраженного сигнала КОС) и обнаружение в результате экранирования отцепом сигнала, излучаемого передатчиком (канал прямого сигнала КПС) (см. стр. 96-108, [1]; стр. 33-37, [2]). Известны также РТД, комбинирующие указанные способы обнаружения.RTDs provide spatial contact with the detected objects of railway transport by means of radio waves. They implement two main methods of detection: by receiving the reflected signal (channel of the reflected signal of the CBS) and detection as a result of shielding by the cutter of the signal emitted by the transmitter (channel of the direct signal of the CPS) (see pp. 96-108, [1]; pp. 33- 37, [2]). RTDs are also known that combine these detection methods.
На фиг. 1 показаны варианты структурных схем РТД, используемых для обнаружения отцепов на контролируемом участке пути. В схеме на фиг. 1,а передающий модуль, включающий в себя генератор СВЧ-колебаний ГСВЧ, генератор модулирующего сигнала ГМС и передающую антенну А1, устанавливается по одну сторону контролируемого участка ЖД. Приемный модуль, состоящий из приемной антенны А2, детектора СВЧ ДСВЧ, усилителя Ус и устройства фиксации УФ, - по другую сторону участка.In FIG. Figure 1 shows variants of structural diagrams of the RTD used to detect cuts on the controlled section of the track. In the diagram in Fig. 1a, and the transmitting module, which includes the SHVCH microwave generator, the HMS modulating signal generator and the transmitting antenna A1, is installed on one side of the controlled section of the railway. The receiving module, consisting of the A2 receiving antenna, the microwave detector, the UHF amplifier, and the UV fixation device, is on the other side of the site.
При отсутствии на контролируемом участке отцепа излучаемый передатчиком сигнал попадает в приемную антенну А2, детектируется детектором СВЧ, усиливается усилителем Ус и поступает в устройство фиксации УФ, которое в приемнике реализует пороговый алгоритм распознавания сигнала. При этом вырабатывается сигнал логической единицы х1, свидетельствующий о свободности участка пути. При появлении отцепа в зоне действия РТД излучаемый передатчиком сигнал экранируется и в приемную антенну А2 сигнал не попадает, в результате этого в устройстве фиксации УФ вырабатывается сигнал логического нуля 
Достоинством такой схемы построения РТД являются очевидная простота и непрерывный контроль работоспособности датчика в условиях отсутствия отцепа. Однако в условиях занятости участка пути проверка работоспособности РТД не представляется возможной.The advantage of such a scheme for constructing RTDs is the obvious simplicity and continuous monitoring of the sensor's performance in the absence of a cut. However, when the track section is busy, it is not possible to check the operability of the RTD.
На фиг. 1,б представлена схема построения РТД, реализующего алгоритм обнаружения отцепа по приему отраженного от него сигнала. При этом передающий и приемный модули располагаются по одну сторону контролируемого участка. При наличии отцепа в зоне действия РТД излучаемый передающей антенной А1 сигнал, отразившись от боковой стенки вагона, попадает в приемную антенну А2. В результате при превышении уровнем отраженного сигнала порогового значения в устройстве фиксации УФ формируется сигнал х2, характеризующий занятость стрелочного перевода.In FIG. Figure 1b shows the scheme for constructing an RTD that implements the algorithm for detecting a cut by receiving a signal reflected from it. In this case, the transmitting and receiving modules are located on one side of the controlled area. If there is a cutter in the coverage area of the RTD, the signal emitted by the transmitting antenna A1, reflected from the side wall of the car, enters the receiving antenna A2. As a result, when the level of the reflected signal exceeds the threshold value, a signal x 2 is generated in the UV fixation device, which characterizes the employment of the turnout.
При отсутствии отцепа отраженный сигнал на вход приемной антенны А2 не поступает, в результате чего на выходе устройства фиксации формируется сигнал х2, свидетельствующий о свободности участка.In the absence of a cutter, the reflected signal is not received at the input of the receiving antenna A2, as a result of which a signal x 2 is formed at the output of the fixation device, indicating the free area.
Однако в реальности сигнал, поступающий в антенну А2, представляет собой совокупность сигналов, отраженных от боковой стенки вагона, подстилающей поверхности земли, рельсов и иных облучаемых вблизи предметов, которые находятся в поле излучения антенны А1, а также прямого сигнала, просачивающегося из антенны А1 передающего модуля. Результат сложения этих сигналов в процессе движения отцепа подвержен сильным флуктуациям и замираниям результирующей амплитуды. Кроме того, отраженный сигнал от боковой стенки отцепа зависит от типа вагона, его отражающих свойств. По этой причине на выходе устройстве фиксации УФ возможны пропуски в формировании сигнала 
Схемы, представленные на фиг. 1,а и б, - это одноканальные варианты построения РТД. В первом случае РТД имеет канал прямого сигнала (РТД-КПС), во втором случае - канал отраженного сигнала (РТД-КОС).The schemes shown in Fig. 1a and b are single-channel RTD construction options. In the first case, the RTD has a direct signal channel (RTD-KPS), in the second case, a reflected signal channel (RTD-KOS).
На фиг. 1,в показан двухканальный вариант построения РТД, представляющий собой комбинированную схему двух одноканальных РТД. Эта схема состоит из одного передатчика и двух приемников, разнесенных в пространстве. Приемные модули с антеннами А2 и A3 устанавливаются на противоположных сторонах контролируемого участка стрелочного перевода. Причем антенна приемного модуля A3 устанавливается в непосредственной близости от передающей антенны А1. Конструктивно антенны А1 и A3 при использовании в РТД циркулятора могут быть совмещены [4-6].In FIG. 1c shows a two-channel version of the RTD construction, which is a combined scheme of two single-channel RTDs. This scheme consists of one transmitter and two receivers separated in space. Receiving modules with antennas A2 and A3 are installed on opposite sides of the controlled section of the turnout. Moreover, the antenna of the receiving module A3 is installed in close proximity to the transmitting antenna A1. Structurally, the antennas A1 and A3, when used in the RTD circulator, can be combined [4-6].
В отсутствие отцепа антенна А2 принимает излучаемый сигнал по каналу прямого сигнала, а в приемную антенну A3 сигнал передатчика не поступает. Поэтому на выходах устройств фиксации УФ2 и УФ1 формируются соответственно сигналы х1 и
Таким образом, в схеме РТД, показанной на фиг. 1,в, свободность контролируемого участка проверяется по наличию сигнала в антенне А2 канала прямого сигнала КПС и одновременно отсутствию его на входе приемной антенны A3 канала отраженного сигнала КОС, что позволяет более достоверно определять фактическую свободность зоны контроля. Кроме того, устройство обеспечивает непрерывный самоконтроль исправности, что соответствует принципам обеспечения безопасности на ЖД транспорте.Thus, in the RTD circuit shown in FIG. 1, c, the vacancy of the controlled area is checked by the presence of a signal in the antenna A2 of the channel of the direct signal of the CPS and, at the same time, its absence at the input of the receiving antenna A3 of the channel of the reflected signal of the CBS, which makes it possible to more reliably determine the actual vacancy of the control zone. In addition, the device provides continuous self-monitoring of serviceability, which is in line with the principles of ensuring safety in railway transport.
Двухканальный вариант построения РТД на базе двух каналов прямого сигнала КПС представлен на фиг. 1, 2. Здесь в отличие от рассмотренного выше передающий модуль с антенной А1 устанавливается по одну сторону контролируемого участка, а по другую, в зоне действия передающей антенны, -два приемных модуля с антеннами А2 и A3.A two-channel version of RTD construction based on two channels of the direct signal of the CPS is shown in Fig. 1, 2. Here, in contrast to the above, the transmitting module with antenna A1 is installed on one side of the controlled area, and on the other, in the coverage area of the transmitting antenna, two receiving modules with antennas A2 and A3.
Каждый в отдельности канал прямого сигнала КПС этой схемы имеет тот же алгоритм работы, что и в варианте, приведенном на фиг. 1,а. Свободность участка регистрируется решающим устройством РУ в том случае, если на его входах присутствуют напряжения x1 и х2, характеризующие наличие сигналовEach individual channel of the direct signal of the CPS of this circuit has the same algorithm of operation as in the variant shown in Fig. 1a. The vacancy of the section is recorded by the decision device of the switchgear in the event that voltages x 1 and x 2 are present at its inputs, characterizing the presence of signals
в антеннах соответственно А2 и A3. Отсутствие обоих сигналов в приемных антеннах при появлении отцепа в результате полного или частичного экранирования им излучаемого передатчиком сигнала, поступающего в любую из приемных антенн А2 или A3, приведет к формированию на выходе решающего устройства РУ сигнала занятости участка.in antennas A2 and A3, respectively. The absence of both signals in the receiving antennas when a cut appears as a result of full or partial screening of the signal emitted by the transmitter, which enters any of the receiving antennas A2 or A3, will lead to the formation of a segment occupancy signal at the output of the RC decider.
Как видно, добавление к одноканальному варианту РТД лишь одного приемника (см. фиг. 1,в и г) существенно повышает достоверность определения фактической свободности контролируемого участка.As can be seen, adding only one receiver to the single-channel version of the RTD (see Fig. 1c and d) significantly increases the reliability of determining the actual freeness of the controlled area.
Преимуществом двухканального варианта построения РТД с двумя каналами прямых сигналов (РТД-2КПС) является возможность выбора такого расположения приемных антенн А2 и A3 в зоне действия диаграммы передающей антенны А1, при котором обнаруживаются практически любые отцепы в зоне контроля, в том числе с блиннобазными вагонами.The advantage of the two-channel version of RTD construction with two channels of direct signals (RTD-2KPS) is the possibility of choosing such an arrangement of receiving antennas A2 and A3 in the coverage area of the transmitting antenna A1 diagram, in which almost any cuts are detected in the control zone, including those with pancake base cars.
Как и в варианте, приведенном на фиг. 1,а, такая схема построения РТД обеспечивает непрерывный контроль работоспособности датчика в условиях отсутствия отцепа. Однако в условиях занятости участка пути проверка работоспособности РТД не представляется возможной. Кроме того, при расширении зоны контроля возникает проблема из-за конечной ширины диаграммы направленности антенны А1.As in the embodiment shown in FIG. 1a, such a RTD construction scheme provides continuous monitoring of the sensor performance in the absence of a cut. However, when the track section is busy, it is not possible to check the operability of the RTD. In addition, when expanding the control area, a problem arises due to the finite width of the radiation pattern of the antenna A1.
Наиболее широкими функциональными возможностями характеризуется РТД, блок-схема которого представлена на фиг. 1,д. (см. стр. 97-101, рис. 3.14,г [1]). Отличительной особенностью данного обнаружителя является то, что по одну сторону контролируемого участка устанавливают одну пару антенн (А1 и A3 соответственно), а на противоположной - другую пару антенн (А2, А4) [7], причем расположение этих пар может быть параллельным друг другу или перекрестным. Такие построения РТД дают возможность контролировать состояние участка по следующим алгоритмам.The RTD is characterized by the broadest functionality, the block diagram of which is shown in Fig. 1,d. (see pp. 97-101, Fig. 3.14d [1]). A distinctive feature of this detector is that one pair of antennas (A1 and A3, respectively) is installed on one side of the monitored area, and another pair of antennas (A2, A4) [7] is installed on the opposite side, and the location of these pairs can be parallel to each other or cross. Such RTD constructions make it possible to control the state of the site according to the following algorithms.
Свободность характеризуется: 1) наличием прямого сигнала в приемной антенне А2, излучаемого антенной А1, т.е. наличием единичной функции х1 на выходе устройства фиксации УФ1; 2) наличием прямого сигнала в приемной антенне A3, излучаемого передающей антенны А4, т.е. наличием единичной функции х3 на выходе устройства фиксации УФ2; 3) отсутствием отраженного сигнала в приемной антенне A3, излучаемого передающей антенной А1, т.е. наличием нулевой функции 
Занятость контролируемого участка определяется по следующему состоянию выходных функций устройств фиксации УФ1 и УФ2:The occupancy of the controlled area is determined by the following state of the output functions of the fixation devices UV1 and UV2:
Решающим устройством РУ могут реализовываться следующие алгоритмы межканальной обработки:The following algorithms of inter-channel processing can be implemented by the decision device of the RC:
1) функция 
2) наибольшую вероятность правильного обнаружения занятости контролируемого участка дает реализация функции 
Решение о занятости контролируемого участка принимается при реализации любого из приведенных состояний: либо отсутствием прямого сигнала
Недостатками представленного на фиг. 1,д РТД являются его сложность и громоздкость, связанная с необходимостью его установки как в одной стороны участка пути, так и с другой, что не всегда является приемлемым на сортировочной горке из-за стесненности, а также необходимость выполнения большого объема земляных и монтажных работ при его установке.The disadvantages shown in Fig. 1, e RTD are its complexity and cumbersomeness, associated with the need to install it both on one side of the track section and on the other, which is not always acceptable on a marshalling yard due to crampedness, as well as the need to perform a large amount of excavation and installation work when installing it.
Общим недостатком известных РТД является ограниченность области контроля, которая определяется формой диаграммы направленности антенны. Обычно сечение диаграммы направленности в горизонтальной плоскости полностью не «заполняет» контролируемую площадь стрелочного перевода. Это приводит к снижению надежности контроля участка стрелочного перевода, поскольку наличие объекта контроля в «мертвых зонах» не вызывает срабатывание устройства.A common disadvantage of the known RTDs is the limited control area, which is determined by the shape of the antenna pattern. Usually, the cross section of the radiation pattern in the horizontal plane does not completely "fill" the controlled area of the turnout. This leads to a decrease in the reliability of control of the turnout section, since the presence of the control object in the "dead zones" does not cause the device to operate.
Из выполненного анализа уровня техники следует, что все рассмотренные выше способы контроля и принципы построения РТД, разработанные еще в 80-е годы прошлого столетия, реализуют простейший амплитудный (или по мощности) признак обнаружения занятости или свободности зоны контроля [1-7]. При этом обнаружение отцепа производится по уменьшению мощности сигнала на входе приемника (в результате его экранирования вагоном) ниже порогового Р1<Рпор или при превышении его над пороговым уровнем Р2>Рпор.It follows from the performed analysis of the state of the art that all the above methods of control and principles of RTD construction, developed back in the 80s of the last century, implement the simplest amplitude (or power) sign of detecting occupancy or vacancy of the control zone [1-7]. In this case, the cut is detected by reducing the signal power at the receiver input (as a result of its screening by the car) below the threshold P 1 <P thr or when it exceeds the threshold level P 2 >P thr .
Другие признаки обнаружения, реализующих измерение и оценку параметров отраженных сигналов, в те годы считались сложными как в смысле реализации алгоритмов обработки сигналов, так и в аппаратном воплощении. Поэтому при разработке РТД отдавалось предпочтение более простым и дешевым принципам их построения.Other features of detection, realizing the measurement and evaluation of the parameters of reflected signals, were considered difficult in those years both in terms of implementing signal processing algorithms and in hardware implementation. Therefore, when developing RTDs, preference was given to simpler and cheaper principles of their construction.
В настоящее время благодаря развитию элементной базы СВЧ микроэлектроники, разработке типовых модулей приемопередающих устройств СВЧ и методов цифровой обработки сигналов указанные ограничения стали несущественными. Поэтому для реализации радиотехнической аппаратуры контроля состояния стрелочных переводов нового поколения востребованными являются такие методы формирования и обработки сигналов, которые более полно используют свойства сигналов и их возможности, обеспечивающие повышение технических и эксплуатационных характеристик вновь создаваемых средств контроля. Среди таких параметров сигналов, которые пока никак не учитывались в РТД контроля состояния стрелочных переводов, например, время задержки отраженного сигнала. Не оценивались также возможности применения в этих датчиках частотной модуляции излучения.At present, due to the development of the element base of microwave microelectronics, the development of typical modules of microwave transceivers and digital signal processing methods, these limitations have become insignificant. Therefore, for the implementation of radio engineering equipment for monitoring the state of turnouts of a new generation, such methods of generating and processing signals are in demand, which more fully use the properties of signals and their capabilities, which provide an increase in the technical and operational characteristics of newly created control means. Among such signal parameters that have not yet been taken into account in the RTD for monitoring the state of turnouts, for example, the delay time of the reflected signal. The possibilities of using frequency modulation of radiation in these sensors have not been evaluated either.
Наиболее полно в настоящее время учтены современные методы формирования и обработки сигналов в универсальном радиолокационном датчике (РЛД), описание которого представлено в статье [8].At present, modern methods of generating and processing signals in a universal radar sensor (RLD) are most fully taken into account, the description of which is presented in the article [8].
Главной особенностью разработанного РЛД является применение в нем автодинного приемопередающего устройства с линейной частотной модуляцией, внутреннего детектирования в СВЧ-генераторе, цифрового управления и спектральной обработки сигналов. Это позволило получить новые качества РЛД, которые не реализуются в известных серийных РТД [3]. Применение автодинного режима с внутренним детектированием позволило упростить конструкцию СВЧ-модуля, уменьшить габариты, снизить стоимость и повысить надежность всего устройства.The main feature of the developed RLD is the use of an autodyne transceiver with linear frequency modulation, internal detection in the microwave generator, digital control and spectral signal processing. This made it possible to obtain new qualities of the RLD, which are not implemented in the known serial RTDs [3]. The use of the autodyne mode with internal detection made it possible to simplify the design of the microwave module, reduce the dimensions, reduce the cost, and increase the reliability of the entire device.
Структурная схема РЛД представлена на рис. 2 работы [8]. В его состав входят: радиолокационный (уголковый) отражатель, антенна, СВЧ-генератор на диоде Ганна с варакторной перестройкой частоты, усилитель модулирующего напряжения, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), датчик тока в цепи питания СВЧ-генератора, полосовой фильтр и усилитель преобразованного сигнала и цифровой сигнальный процессор (ЦСП). В состав микросхемы ЦСП входят аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) сигналов, последовательный порт и универсальный асинхронный приемопередатчик для связи с персональным компьютером и иными внешними устройствами.The block diagram of the RLD is shown in fig. 2 works [8]. It consists of: a radar (corner) reflector, an antenna, a microwave generator based on a Gunn diode with varactor frequency tuning, a modulating voltage amplifier, a digital-to-analog converter (DAC), a current sensor in the power supply circuit of the microwave generator, a bandpass filter and an amplifier of the converted signal and digital signal processor (DSP). The DSP microcircuit includes an analog-to-digital converter (ADC) of signals, a serial port and a universal asynchronous transceiver for communication with a personal computer and other external devices.
Формируемый СВЧ-генератором радиосигнал с линейной частотной модуляцией излучается антенной. Сигнал, отраженный от контролируемого объекта, или радиолокационного отражателя, попадает обратно в СВЧ-генератор и вызывает в нем автодинные изменения амплитуды колебаний и тока в цепи питания диода Ганна с разностной частотой. Последние преобразуются с помощью датчика тока в напряжение выходного сигнала и далее после фильтрации и усиления поступает на ЦСП для его временной и спектральной обработки.The radio signal generated by the microwave generator with linear frequency modulation is emitted by the antenna. The signal reflected from the monitored object, or radar reflector, gets back into the microwave generator and causes autodyne changes in the oscillation amplitude and current in the Gunn diode power circuit with a difference frequency. The latter are converted using a current sensor into the output signal voltage and then, after filtering and amplification, it enters the DSP for its temporal and spectral processing.
В случае появления в зоне действия РЛД отражающего объекта, на выходе одного из цифровых фильтров анализатора спектра ЦСП наблюдается сигнал, амплитуда которого характеризует отражательную способность наблюдаемого объекта, а номер фильтра, в котором наблюдается этот сигнал, характеризует дистанцию до объекта. Аналогичная ситуация будет в случае наблюдения в зоне контроля двух и более объектов. В этом случае каждому из объектов будет соответствовать своя спектральная составляющая.If a reflecting object appears in the radar coverage area, a signal is observed at the output of one of the digital filters of the DSP spectrum analyzer, the amplitude of which characterizes the reflectivity of the observed object, and the filter number in which this signal is observed characterizes the distance to the object. A similar situation will be in the case of observation of two or more objects in the control zone. In this case, each of the objects will have its own spectral component.
Схема расположения РЛД на стрелочном переводе показана на фиг. 2. В программе работы ЦСП заложено условное разделение пространства между датчиком и радиолокационным отражателем на три зоны: ближняя (неконтролируемая), контролируемая и дальняя. Ближняя зона условно соответствует расстоянию от раскрыва антенны А (см. фиг. 2) до ближайшей границы зоны контроля, например, до изолирующих стыков на рельсовом пути. Контролируемая зона для примера находится между ближними и дальними изолирующими стыками, а дальняя зона - за пределом контролируемой зоны. В ближней зоне РЛД для предотвращения ошибочных срабатываний, которые могут возникать в случае наличия в диаграмме направленности антенны осадков в виде дождя или мокрого снега, малоразмерных объектов (насекомых, птиц), предусмотрено исключение из рассмотрения сигналов при принятии решения о занятости пути.The layout of the RLD on the turnout is shown in Fig. 2. The work program of the DSP includes a conditional division of the space between the sensor and the radar reflector into three zones: near (uncontrolled), controlled and far. The near zone conditionally corresponds to the distance from the opening of the antenna A (see Fig. 2) to the nearest border of the control zone, for example, to insulating joints on the rail track. The controlled area for example is located between the near and far insulating joints, and the far zone is outside the controlled area. In the near zone of the RLD, in order to prevent erroneous responses that can occur if precipitation in the form of rain or sleet, small objects (insects, birds) are present in the antenna radiation pattern, it is envisaged that signals are excluded from consideration when deciding whether the track is busy.
В контролируемой зоне, которая соответствует площади стрелочного перевода, появление сигнала достаточного уровня интерпретируется сигнальным процессором как наличие подвижного состава, т.е. «занятость». В дальней зоне, где установлен радиолокационный отражатель, полученный сигнал используется для самотестирования датчика при отсутствии подвижного состава в зоне контроля.In the controlled area, which corresponds to the turnout area, the appearance of a signal of sufficient level is interpreted by the signal processor as the presence of rolling stock, i.e. "employment". In the far zone, where the radar reflector is installed, the received signal is used for self-testing of the sensor in the absence of rolling stock in the control zone.
В РЛД предусмотрены дистанционный контроль и диагностика параметров, передача радиолокационной и сервисной информации на диспетчерский пункт, обеспечена возможность работы в информационных сетях. Дополнительным преимуществом РЛД является его универсальность, поскольку разные задачи на сортировочной горке выполняются с помощью одного типа датчика, что значительно упрощает их стандартизацию, ремонт и обслуживание. Они имеют значительно меньшие размеры, вес и стоимость, в сравнении с ближайшими аналогами - РТД.The RLD provides for remote control and diagnostics of parameters, transmission of radar and service information to the control room, and the ability to work in information networks. An additional advantage of the radar is its versatility, since different tasks on the hump are performed using one type of sensor, which greatly simplifies their standardization, repair and maintenance. They have significantly smaller dimensions, weight and cost, in comparison with the closest analogues - RTD.
Из анализа состояния уровня техники следует, что наиболее близкими аналогами (прототипами) по технической сущности, принципу действия и достигаемому положительному эффекту являются способ и устройство, описанные в статье: Срмак Г.П., Варавiн А.В., Попов I.B., Васильев О.С., Усов Л.С. Радiолокацiйний датчик контролю наявностi i швидкостi рухомого складу на територiях сортувальних гiрок // Наука та iнновацii. 2009. Т. 5. №5. С. 9-16, [8].From the analysis of the state of the art it follows that the closest analogues (prototypes) in terms of technical essence, principle of operation and achieved positive effect are the method and device described in the article: Srmak G.P., Varavin A.V., Popov I.V., Vasiliev O .S., Usov L.S. Radar sensor for monitoring the presence and speed of a rough warehouse on the territories of sorting weights // Science and Innovations. 2009. V. 5. No. 5. S. 9-16, [8].
Согласно описанию, в основе принципа действия прототипа лежит способ радиолокационного контроля состояния стрелочного перевода, заключающийся в том, что посредством антенны радиолокационного датчика (РЛД), установленного с одной стороны ЖД пути за пределом контролируемого участка стрелочного перевода, излучают и одновременно формируют на высоте вагонной автосцепки электромагнитное (ЭМ) СВЧ излучение в виде карандашной диаграммы направленности (ДН), совпадающей по направлению с диагональю контролируемого участка стрелочного перевода, принимают отраженное СВЧ излучение от объектов, находящихся в пределах диаграммы направленности антенны РЛД, преобразуют его в электрические сигналы, которые разделяют по признаку времени запаздывания отраженного излучения, сравнивают амплитуды электрических сигналов с пороговым уровнем, далее по времени запаздывания электрических сигналов, амплитуда которых превышает заданный пороговый уровень, определяют расстояние от РЛД до объекта, вызвавшего отражение излучения, при этом если полученное расстояние какого-либо электрического сигнала соответствует положению объекта внутри контролируемого участка, то принимают решение о его занятости, если расстояние получено от единственного электрического сигнала, которое соответствует положению радиолокационного отражателя, установленного заранее в пределах ДН антенны с противоположной стороны ЖД пути за дальним пределом зоны контроля, то принимают решение о свободности контролируемого участка стрелочного перевода, если электрические сигналы с превышающей пороговый уровень амплитудой отсутствуют, то принимают решение о неисправности РЛД.According to the description, the principle of operation of the prototype is based on the method of radar control of the state of the turnout, which consists in the fact that by means of the antenna of the radar sensor (RLD) installed on one side of the railway track outside the controlled section of the turnout, they emit and simultaneously form at the height of the car automatic coupling electromagnetic (EM) microwave radiation in the form of a pencil pattern (DN), coinciding in direction with the diagonal of the controlled section of the turnout, receive the reflected microwave radiation from objects located within the radiation pattern of the radar antenna, convert it into electrical signals, which are divided according to the sign the delay time of the reflected radiation, the amplitudes of the electrical signals are compared with the threshold level, then, according to the delay time of the electrical signals, the amplitude of which exceeds the specified threshold level, the distance from the RLD to the object that caused the reflection is determined radiation, while if the received distance of any electrical signal corresponds to the position of the object inside the controlled area, then a decision is made about its employment if the distance is obtained from a single electrical signal that corresponds to the position of the radar reflector installed in advance within the antenna pattern on the opposite side of the railway way beyond the far limit of the control zone, then a decision is made on the vacancy of the controlled section of the turnout, if there are no electrical signals with an amplitude exceeding the threshold level, then a decision is made about the failure of the RLD.
Радиолокационный датчик контроля состояния стрелочного перевода прототипа в соответствие с его описанием (см. рис. 2, [8]) содержит СВЧ-генератор с возможностью электрического управления частотой и связанную с ним антенну с карандашной диаграммой направленности, в поле излучения которой находится радиолокационный отражатель, причем между блоком питания и цепью смещения СВЧ-генератора включен датчик тока, выход которого через последовательно соединенные фильтр и первый усилитель подключен к сигнальному входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП), встроенного в цифровой сигнальный процессор (ЦСП), который через встроенный в ЦСП универсальный асинхронный приемопередатчик (УАЛЛ) связан с персональным компьютером (ПК), а через встроенный в ЦСП последовательный порт связан с входом управления частотой СВЧ-генератора через последовательное соединение цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) и второго усилителя.The radar sensor for monitoring the state of the turnout switch of the prototype in accordance with its description (see Fig. 2, [8]) contains a microwave generator with the possibility of electrically controlling the frequency and an antenna associated with it with a pencil pattern, in the radiation field of which there is a radar reflector, moreover, between the power supply and the bias circuit of the microwave generator, a current sensor is connected, the output of which, through a series-connected filter and the first amplifier, is connected to the signal input of an analog-to-digital converter (ADC) built into a digital signal processor (DSP), which, through a built-in DSP, is universal the asynchronous transceiver (WALL) is connected to a personal computer (PC), and through the serial port built into the DSP, it is connected to the frequency control input of the microwave generator through a serial connection of a digital-to-analog converter (DAC) and the second amplifier.
Однако у прототипа имеются следующие существенные недостатки.However, the prototype has the following significant drawbacks.
Известный способ радиолокационного контроля состояния стрелочного перевода не обеспечивает полное перекрытие контролируемого участка стрелочного перевода, особенно в случаях применения сложных стрелочных переводов, например, двойных, перекрестных и криволинейных. Их боковые пути оказываются слабо защищенными. Неполное перекрытие зоны контроля создает проблемы достоверности правильного определения состояния стрелочных переводов при сопровождении отцепов, поскольку наличие объекта контроля или его отдельных частей в этих местах не вызывает срабатывание устройства.The known method of radar control of the state of the turnout does not provide complete coverage of the controlled section of the turnout, especially in cases of complex turnouts, such as double, cross and curvilinear. Their lateral paths are poorly protected. Incomplete overlap of the control zone creates problems of the reliability of the correct determination of the state of turnouts when accompanying cuts, since the presence of the control object or its individual parts in these places does not cause the device to operate.
Кроме того, антенна, выполненная с карандашной диаграммой направленности, способствует увеличению диапазона изменений уровня входного сигнала. В процессе движения отцепа по стрелочному переводу расстояние между антенной РЛД и передней стенкой вагона меняется в пределах от десятков до единиц метров. Эффективная площадь рассеяния вагонов также изменяется в широких пределах. Она зависит от типа вагона (формы, геометрических размеров, неоднородностей на его поверхности) и углов облучения в процессе их движения по контролируемому участку (см. стр. 22-25, [1]; стр. 45-49, [2]; стр. 18-20, 88-92, [9]).In addition, the antenna, made with a pencil pattern, increases the range of changes in the input signal level. During the movement of the cutter along the turnout, the distance between the radar antenna and the front wall of the car varies from tens to units of meters. The effective scattering area of cars also varies over a wide range. It depends on the type of car (shape, geometric dimensions, irregularities on its surface) and the angles of irradiation during their movement along the controlled area (see pp. 22-25, [1]; pp. 45-49, [2]; pp. 18-20, 88-92, [9]).
Изменения указанных параметров вызывают соответствующие изменения уровня отраженного СВЧ излучения, воздействующего на автодинный приемопередатчик. При этом в случае сильного отраженного СВЧ излучения автодинным приемопередатчикам свойственны явления ангармонических искажений и периодической нестационарности уровня шума выходного сигнала [10, 11]. Данные явления являются нежелательными, поскольку при обработке такого сигнала могут возникнуть ложные отсчеты дальности, нарушающие нормальную работу РЛД.Changes in these parameters cause corresponding changes in the level of reflected microwave radiation affecting the autodyne transceiver. In this case, in the case of strong reflected microwave radiation, autodyne transceivers are characterized by the phenomena of anharmonic distortion and periodic non-stationarity of the noise level of the output signal [10, 11]. These phenomena are undesirable, since during the processing of such a signal, false readings of the range may occur, which disrupt the normal operation of the RLD.
Таким образом, техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в необходимости повышение(я) достоверности правильного обнаружения отцепа путем разработки способа и устройства, обеспечивающих полное перекрытие контролируемого участка ЖД пути при использовании любого типа стрелочного перевода и прохождении отцепов любой длины с любым типом вагонов.Thus, the technical problem to be solved by the claimed invention is the need to increase (s) the reliability of the correct detection of the cut by developing a method and device that provides complete overlap of the controlled section of the railway track when using any type of turnout and passing cuts of any length with any wagon type.
Для решения указанной проблемы предложен способ радиолокационного контроля состояния стрелочного перевода, заключающийся в том, что посредством антенны радиолокационного датчика (РЛД), установленного с одной стороны ЖД пути за пределом зоны контроля стрелочного перевода, излучают и одновременно формируют в горизонтальной плоскости на высоте вагонной автосцепки электромагнитное (ЭМ) СВЧ излучение в виде плоской (веерной) диаграммы направленности (ДН), описываемой функцией cosec2θ в пределах углов θ1<θ<θ2, где θ1 и θ2 - углы, отсчитываемые от оси основного ЖД пути стрелочного перевода, приведенной к положению РЛД, до дальнего угла границы зоны контроля на стороне нахождения РЛД и до противолежащего угла ближней границы зоны контроля соответственно, принимают отраженное излучение СВЧ от объектов, находящихся в пределах диаграммы направленности антенны РЛД, преобразуют его в электрические сигналы и разделяют их по признаку времени запаздывания отраженного излучения, сравнивают амплитуды электрических сигналов с пороговым уровнем, далее по времени запаздывания электрических сигналов, амплитуда которых превышает заданный пороговый уровень, определяют расстояние от РЛД до объекта, вызвавшего отражение излучения, при этом если полученное расстояние какого-либо электрического сигнала соответствует положению объекта внутри контролируемого участка, то принимают решение о его занятости, если расстояние получено от единственного электрического сигнала, которое соответствует положению предварительно установленному с противоположной стороны ЖД пути за дальним пределом зоны контроля радиолокационного отражателя, то принимают решение о свободности контролируемого участка стрелочного перевода, если электрические сигналы с превышающей пороговый уровень амплитудой отсутствуют, то принимают решение о неисправности РЛД.To solve this problem, a method of radar control of the turnout state is proposed, which consists in the fact that by means of a radar sensor antenna (RLS) installed on one side of the railway track outside the turnout control zone, an electromagnetic (EM) microwave radiation in the form of a flat (fan) radiation pattern (DN) described by the cosec 2 θ function within the angles θ 1 <θ<θ 2 , where θ 1 and θ 2 are the angles counted from the axis of the main railway track of the turnout , reduced to the position of the radar, to the far corner of the border of the control zone on the side where the radar is located and to the opposite corner of the near border of the control zone, respectively, receive reflected microwave radiation from objects located within the radiation pattern of the radar antenna, convert it into electrical signals and separate them according to sign of the delay time of the reflected radiation, compare the amplitude The values of electrical signals with a threshold level, then, by the delay time of electrical signals, the amplitude of which exceeds a given threshold level, determine the distance from the RLD to the object that caused the reflection of the radiation, while if the obtained distance of any electrical signal corresponds to the position of the object inside the controlled area, then make a decision about its occupancy, if the distance is obtained from a single electrical signal that corresponds to the position previously set on the opposite side of the railway track beyond the far limit of the control zone of the radar reflector, then make a decision about the vacancy of the controlled section of the turnout, if electrical signals with an amplitude exceeding the threshold level absent, then they make a decision about the malfunction of the RLD.
Для реализации указанного способа предложен радиолокационный датчик контроля состояния стрелочного перевода, содержащий СВЧ приемопередающий модуль (СВЧ-ППМ) с частотной модуляцией, первый (высокочастотный) порт которого связан с антенной, в пределах диаграммы направленности которой установлен радиолокационный отражатель, второй вывод (сигнальный) СВЧ-ППМ через последовательно соединенные фильтр и первый усилитель подключен к первому (сигнальному) порту цифрового сигнального процессора (ЦСП), второй порт которого связан с третьим выводом управления частотой СВЧ-ППМ через последовательное соединение цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) и второго усилителя, при этом третий порт ЦСП посредством интерфейса типа RS-485 связан с системой горочной автоматической централизацией (ГАЦ), причем, антенна выполнена с плоской (веерной) диаграммой направленности, которая в горизонтальной плоскости на высоте вагонной автосцепки описывается функцией cosec2θ в пределах углов θ1<θ<θ2, где θ1 и θ2 - углы, отсчитываемые от оси основного ЖД пути стрелочного перевода, приведенной к положению РЛД, до дальнего угла границы зоны контроля на стороне нахождения РЛД и до противолежащего угла ближней границы зоны контроля соответственно.To implement this method, a radar sensor for monitoring the state of a turnout switch is proposed, containing a microwave transceiver module (MW-TPM) with frequency modulation, the first (high-frequency) port of which is connected to an antenna, within the radiation pattern of which a radar reflector is installed, the second output (signal) microwave -PPM through a series-connected filter and the first amplifier is connected to the first (signal) port of a digital signal processor (DSP), the second port of which is connected to the third frequency control output of the microwave-PPM through a serial connection of a digital-to-analog converter (DAC) and a second amplifier, with In this case, the third port of the DSP is connected via an interface of the RS-485 type with the automatic hump interlocking system (HAC), moreover, the antenna is made with a flat (fan) radiation pattern, which in the horizontal plane at the height of the car coupler is described by the function cosec 2 θ within the angles θ 1 <θ<θ 2 , where θ 1 and θ 2 - angles counted from the axis of the main railway track of the turnout, reduced to the position of the RLS, to the far corner of the border of the control zone on the side where the RLS is located and to the opposite corner of the near border of the control zone, respectively.
Как следует из сравнения известных и предлагаемых способов и устройств, технический результат решения указанной проблемы достигается за счет применения антенны, формирующей в горизонтальной плоскости плоскую косеканс-квадратную диаграмму направленности антенны в виде веера, описываемой в пределах углов θ1<θ<θ2 функцией cosec2θ, где θ1 и θ2 - углы,As follows from a comparison of known and proposed methods and devices, the technical result of solving this problem is achieved through the use of an antenna that forms a flat cosecant-square antenna pattern in the form of a fan in the horizontal plane, described within the angles θ 1 <θ<θ 2 by the function cosec 2 θ, where θ 1 and θ 2 are angles,
отсчитываемые от оси основного ЖД пути стрелочного перевода, приведенной к положению РЛД, до дальнего угла границы зоны контроля на стороне нахождения РЛД и до противолежащего угла ближней границы зоны контроля соответственно. Такая диаграмма направленности наиболее полно перекрывает площадь зоны контроля на стрелочном переводе и выравнивает уровень отраженного сигнала в зависимости от угла θ в процессе движения отцепа по контролируемому участку. Этим достигается уменьшение размера «мертвых зон», расположенных в зоне контроля и повышение достоверности правильного обнаружения занятости стрелочного перевода.counted from the axis of the main railway track of the turnout, reduced to the position of the radar station, to the far corner of the border of the control zone on the side where the radar station is located and to the opposite corner of the near border of the control zone, respectively. Such a directivity pattern most fully covers the area of the control zone at the turnout and equalizes the level of the reflected signal depending on the angle θ during the movement of the cut across the controlled area. This achieves a reduction in the size of "dead zones" located in the control zone and an increase in the reliability of the correct detection of the turnout occupancy.
В результате поиска альтернативных решений в области применения радиолокационных устройств на ЖД транспорте среди различных источников информации факта использования антенн с косеканс-квадратной диаграммой направленности не обнаружено (см., например, литературу: стр. 120-123, [1]; стр. 33-53, [2]; стр. 20-32, [9]; авт.свидетельство СССР [4-7]). В литературе по радиолокации найдены данные о использовании антенны с косеканс-квадратной диаграммой направленности в наземных РЛС обнаружения и определения координат целей, а также в самолетных РЛС обзора земной поверхности (см. стр. 77-78, [12]; стр. 267-273, [13]).As a result of the search for alternative solutions in the field of application of radar devices in railway transport, among various sources of information, the fact of using antennas with a cosecant-square radiation pattern was not found (see, for example, literature: pp. 120-123, [1]; pp. 33- 53, [2]; pp. 20-32, [9]; USSR Invention Certificate [4-7]). In the literature on radar, data were found on the use of an antenna with a cosecant-square radiation pattern in ground-based radars for detecting and determining the coordinates of targets, as well as in aircraft radars for surveying the earth's surface (see pp. 77-78, [12]; pp. 267-273 , [13]).
Такая диаграмма обеспечивает постоянный уровень сигнала, отраженного от целей (самолетов), находящихся на разных наклонных дальностях, но на одинаковой высоте полета, а также в процессе сканирования одинаковую яркость изображения на индикаторе кругового обзора различных участков поверхности земли, удаленных от самолета на различные расстояния. В указанных РЛС косеканс-квадратная диаграмма направленности формируется только в вертикальной плоскости. При этом в горизонтальной плоскости диаграмма направленности обычно узкая для повышения разрешающей способности по азимуту. В современных РЛС с косеканс-квадратной диаграммой направленности ее ширина в горизонтальной плоскости составляет обычно величину порядка 1...3 градуса (см. стр. 163-170, [14]).Such a diagram provides a constant level of the signal reflected from targets (aircraft) located at different slant ranges, but at the same flight altitude, as well as during scanning, the same brightness of the image on the all-round view indicator of various parts of the earth's surface remote from the aircraft at different distances. In these radars, the cosecant-square radiation pattern is formed only in the vertical plane. In this case, in the horizontal plane, the radiation pattern is usually narrow to increase the resolution in azimuth. In modern radars with a cosecant-square radiation pattern, its width in the horizontal plane is usually about 1 ... 3 degrees (see pp. 163-170, [14]).
В предлагаемом изобретении для достижения технического результата косеканс-квадратная диаграмма направленности антенны ориентирована в горизонтальной плоскости и предназначена для наиболее полного перекрытия зоны контроля стрелочного перевода, что является существенным отличием от прототипа и позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого решения критерию «Новизна».In the proposed invention, in order to achieve a technical result, the cosecant-square antenna pattern is oriented in the horizontal plane and is designed to most completely cover the turnout control zone, which is a significant difference from the prototype and allows us to conclude that the proposed solution meets the "Novelty" criterion.
Применение антенн с косеканс-квадратной диаграммой направленности в обзорных РЛС обнаружения целей и достигаемые при этом свойства, описанные в общедоступной литературе, связаны со стабилизацией уровня отраженного сигнала с изменением дальности до цели и повышением разрешающей способности РЛС. Однако использование этой антенны с ориентацией веерной диаграммы направленности параллельно подстилающей поверхности стрелочного перевода обеспечило получение иного результата, а именно, наиболее полного перекрытия контролируемой площади для большинства типов стрелочных переводов, включая сложные, например, двойные, перекрестные и криволинейные. При этом достигается повышение достоверности и надежности контроля состояния стрелочного перевода без усложнения конструкции РЛД. Кроме того, такой тип антенны сужает динамический диапазон отраженных от поверхности вагона сигналов в процессе их перемещения по контролируемому участку стрелочного перевода, что способствует уменьшению степени искажения автодинных сигналов РЛД.The use of antennas with a cosecant-square pattern in surveillance radars for detecting targets and the properties achieved in this case, described in the public literature, are associated with stabilizing the level of the reflected signal with a change in the range to the target and increasing the resolution of the radar. However, the use of this antenna with the orientation of the fan pattern parallel to the underlying surface of the turnout provided a different result, namely, the most complete coverage of the controlled area for most types of turnouts, including complex ones, for example, double, cross and curvilinear. At the same time, an increase in the reliability and reliability of monitoring the state of the turnout is achieved without complicating the design of the radar. In addition, this type of antenna narrows the dynamic range of the signals reflected from the surface of the car in the process of their movement along the controlled section of the turnout, which helps to reduce the degree of distortion of the autodyne signals of the radar.
Такое решение с получением новых свойств устройства, явным образом не следующих из уровня техники, является даже неожиданным для специалиста, что соответствует критерию «Изобретательский уровень».Such a solution with obtaining new properties of the device, which do not explicitly follow from the prior art, is even unexpected for a specialist, which corresponds to the criterion of "Inventive step".
Изобретение направлено на улучшение характеристик работы датчиков контроля состояния стрелочных переводов, что необходимо для уменьшения потенциальных убытков от схода вагонов при неправильном определении свободности и повышения перерабатывающей способности сортировочных горок. Поэтому такой датчик востребован на сети ЖД и может выпускаться промышленностью. Таким образом, заявляемое изобретение соответствует критерию «Промышленная применимость».The invention is aimed at improving the characteristics of the sensors for monitoring the state of turnouts, which is necessary to reduce potential losses from derailment of wagons in case of incorrect determination of freeness and increase the processing capacity of hump yards. Therefore, such a sensor is in demand on the railway network and can be produced by the industry. Thus, the claimed invention meets the criterion of "Industrial applicability".
Сущность изобретения поясняется чертежами.The essence of the invention is illustrated by drawings.
На фиг. 1 показаны варианты структурных схем построения радиотехнических датчиков (РТД) контроля состояния стрелочного перевода аналогов: (а) - одноканальный вариант построения РТД прямого сигнала; (б) -одноканальный вариант построения РТД отраженного сигнала; (в) -двухканальный вариант построения РТД комбинации прямого и отраженного сигналов; (г) - двухканальный вариант построения РТД комбинации из двух каналов прямых сигналов; (д) - двухканальный вариант построения РТД из комбинации каналов прямого и отраженного сигналов.In FIG. Figure 1 shows variants of block diagrams for constructing radio technical sensors (RTDs) for monitoring the state of analogue switches: (a) - a single-channel version of constructing a direct signal RTD; (b) -single-channel variant of the construction of the RTD of the reflected signal; (c) -two-channel variant of constructing an RTD of a combination of direct and reflected signals; (d) - a two-channel variant of constructing an RTD of a combination of two channels of direct signals; (e) - a two-channel version of RTD construction from a combination of channels of direct and reflected signals.
На фиг. 2 показана структурная схема построения радиолокационного датчика (РЛД) контроля состояния стрелочного перевода прототипа.In FIG. 2 shows a block diagram of the construction of a radar sensor (RLD) for monitoring the state of the turnout switch of the prototype.
На фиг. 3 представлена структурная схема, поясняющая способ, а на фиг. 4 - структурная схема РЛД, реализующего предлагаемый способ.In FIG. 3 is a block diagram illustrating the method, and FIG. 4 is a block diagram of the RLD that implements the proposed method.
На фиг. 5 приведены автодинный (а) и гомодинный (б) варианты выполнения СВЧ приемопередающего модуля РЛД.In FIG. 5 shows autodyne (a) and homodyne (b) embodiments of the microwave transceiver module RLD.
На структурной схеме фиг. 3 представлен стрелочный перевод с выделенной на нем зоной контроля. Со стороны боковых путей стрелочного перевода далее от зоны контроля с учетом требуемых на ЖД габаритов приближения установлен РЛД с антенной 2. По диагонали от РЛД относительно зоны контроля на противоположной стороне основного пути поодаль, с учетом требуемых на ЖД габаритов приближения, установлен радиолокационный отражатель (РО). Антенна 2 РЛД на территории стрелочного перевода ориентируется таким образом, чтобы ее косеканс-квадратная диаграмма направленности в виде плоской веерной формы в горизонтальной плоскости, описываемая функцией cosec2θ в пределах углов θ1<θ<θ2 относительно оси основного ЖД пути стрелочного перевода, приведенной к положению РЛД, касалась под углом θ, дальнего угла границы зоны контроля на стороне нахождения РЛД, а под углом θ2 - противолежащего угла ближней границы зоны контроля. При этом на схеме фиг. 3 часть диаграммы направленности, отмеченная пунктиром, показана условно. Суть предложенного способа радиолокационного контроля состояния стрелочного перевода более подробно будет рассмотрена ниже при описании работы устройства.In the block diagram of Fig. 3 shows a turnout with a control zone marked on it. From the side tracks of the turnout further from the control zone, taking into account the required approach dimensions on the railway, a radar with
Радиолокационный датчик контроля состояния стрелочного перевода содержит (см. фиг. 4) СВЧ приемопередающий модуль 1 (СВЧ-ППМ) с частотной модуляцией (ЧМ), первый (высокочастотный) порт которого связан с антенной 2. В пределах диаграммы направленности (на фиг. 4 не показана) антенны с косеканс-квадратной диаграммой направленности установлен радиолокационный отражатель 3. Второй вывод (сигнальный) СВЧ-ППМ 1 через последовательно соединенные фильтр 4 и первый усилитель 5 подключен к первому (сигнальному) порту цифрового сигнального процессора 6 (ЦСП). Второй порт ЦСП 6 связан с третьим выводом управления частотой СВЧ-ППМThe radar sensor for monitoring the state of the turnout contains (see Fig. 4) a microwave transceiver module 1 (UHF-TPM) with frequency modulation (FM), the first (high-frequency) port of which is connected to the
I через последовательное соединение цифро-аналогового преобразователя 7 (ЦАП) и второго усилителя 8. При этом третий порт ЦСП посредством интерфейса 9 (например, типа RS-485) связан с системой горочной автоматической централизации 10 (ГАЦ).I through a serial connection of the digital-to-analog converter 7 (DAC) and the
СВЧ приемопередающий модуль 1 с ЧМ имеет альтернативные технические решения. Он может быть выполнен по автодинной (см фиг. 5,а) или гомодинной (см фиг. 5,б) схеме. Первый вариант представлен в статье [8], принятый в качестве прототипа, при этом оба варианта выполнения СВЧ-модуля описаны в патенте США US3750171, 31.07.1973 (см. фиг. 1 и 2).The
При автодинном исполнении (см фиг. 5,а) функции передатчика и приемника одновременно выполняет единственный элемент - СВЧ-генератор 11I (автодин). Его высокочастотный вход-выход, являющийся первым портом СВЧ-ГГЛМ 1, связан с антенной 2 напрямую, без каких-либо развязывающих элементов. Для выделения автодинного сигнала по изменению амплитуды колебаний используется устройство 12 регистрации, которое обычно представляет собой детекторный диод, помещенный в резонатор СВЧ-генератора 11 или дополнительную детекторную секцию, подключенную к камере СВЧ-генератора 11 (см. фиг. 2 патента РФ RU 2295911 C1, опубл. 27.03.2007, бюл. №9; рис. 6а и 9а статьи [15]). При выделении автодинного сигнала в цепи питания СВЧ-генератора 11 обычно используется устройство регистрации 12, выполненное в виде датчика тока 5 (см. прототип [8]), одной из схем, представленных на рис. 14 статьи [15], или схемы с трансформаторно-емкостной связью контуров (см. рис. 74, монографии [16]). Выход устройства регистрации 12 является вторым выводом СВЧ-ППМ 1, а его третий вывод является входом управления частотой генерации.With an autodyne design (see Fig. 5, a), the functions of the transmitter and receiver are simultaneously performed by a single element - the microwave generator 11I (autodyne). Its high-frequency input-output, which is the first port of the
В настоящее время промышленностью выпускается широкая номенклатура готовых к применению гомодинных СВЧ модулей (см. на сайте www.sagemillimeter.com по ссылке: «24.125 GHz, K-band FMCW radar sensor»). При гомодинном исполнении СВЧ-ППМ 1 содержит (см фиг. 5,б) отдельные узлы передатчика (СВЧ-генератора 11) и приемника (смесителя 14), связанные с антенной 2 через развязывающее устройство, например, циркулятор 13 (см. фигуры 4, 5 и 6 в описании патента КНР: CN 104898114, 09.09.2015. МПК G01S 13/58. «FSK-CW radar design and realization method» / Z.M. Yan).Currently, the industry produces a wide range of ready-to-use homodyne microwave modules (see www.sagemillimeter.com at the link: "24.125 GHz, K-band FMCW radar sensor"). In the homodyne version, the
СВЧ-генератор 11, может быть выполнен, например, в виде СВЧ генераторного модуля в полосковом исполнении на основе транзистора (см. фиг. 7 и 8 патента RU 2345379 С1, опубл. 27.01.2009, бюл. №3), на диоде Ганна или лавинно-пролетном диоде в волноводном или полосковом исполнении (см. стр. 194, 195, рис. 4.24 и 4.25, [17]). Для обеспечения модуляции частоты генерации в резонатор СВЧ-генератора 11 может быть помещен варикап (см. стр. 80-84, [18]).The
Антенна 2 должна быть выполнена с плоской (веерной) диаграммой направленности, которая в горизонтальной плоскости на высоте вагонной автосцепки описывается функцией cosec2θ в пределах углов θ1<θ<θ2, где θ1 и θ2 - углы, отсчитываемые от оси основного ЖД пути стрелочного перевода, приведенной к положению РЛД, до дальнего угла границы зоны контроля на стороне нахождения РЛД и до противолежащего угла ближней границы зоны контроля соответственно. Антенна 2 с диаграммой такого вида может быть создана в пределах регулируемых при настройке углов θ1=3…10°,θ2=70…80° (см. стр. 382-386, [19]).
Такая антенна может быть спроектирована и изготовлена в соответствии с известными методиками, изложенными в литературе (см., например, стр. 77-78, 406^07, [12]; стр. 267-273, [13]; стр. 382-386, [19]). На сегодня известно несколько способов получения диаграммы направленности косеканс-квадратного вида, основанные на частичной расфокусировке обычного зеркала параболической антенны: 1) способ смещенных облучателей (или метод парциальных диаграмм) и 2) способ деформации профиля зеркала. В первом методе для получения косеканс-квадратной диаграммы направленности используют усеченный параболоид вращения с решеткой из нескольких точечных облучателей (см. рис. 18.21, [13]). При этом один облучатель находится в фокусе зеркала, а остальные смещены из фокуса перпендикулярно оси зеркала. Согласно второму методу профилю зеркала придают такую форму (см. рис. 18.22, [13]), при которой распределение потока мощности в секторе углов θ1<θ<θ2 будет близким к требуемому закону диаграммы направленности. Кроме того, известны способы получения косеканс-квадратной диаграммы направленности с помощью сферической или цилиндрической линзы Люнеберга, выполненной из диэлектрика с изменяющейся по толщине диэлектрической проницаемостью (см. стр. 356-362, [20]), а также посредством соответствующего возбуждения излучающих элементов фазированных антенных решеток [21].Such an antenna can be designed and manufactured in accordance with known techniques described in the literature (see, for example, pp. 77-78, 406^07, [12]; pp. 267-273, [13]; pp. 382- 386, [19]). Today, there are several ways to obtain a cosecant-square radiation pattern based on partial defocusing of a conventional parabolic antenna mirror: 1) the method of displaced feeds (or the method of partial diagrams) and 2) the method of deformation of the mirror profile. In the first method, a truncated paraboloid of revolution with an array of several point feeds is used to obtain a cosecant-square radiation pattern (see Fig. 18.21, [13]). In this case, one irradiator is at the focus of the mirror, while the rest are shifted out of focus perpendicular to the axis of the mirror. According to the second method, the mirror profile is given such a shape (see Fig. 18.22, [13]), in which the power flux distribution in the sector of angles θ 1 <θ<θ 2 will be close to the required radiation pattern law. In addition, methods are known for obtaining a cosecant-square radiation pattern using a spherical or cylindrical Luneberg lens made of a dielectric with a dielectric constant that varies in thickness (see pp. 356-362, [20]), as well as by appropriate excitation of phased radiating elements antenna arrays [21].
Радиолокационный отражатель 3 может быть выполнен в виде уголкового отражателя с треугольными или квадратными гранями (см. стр. 46-48, рис. 3.3, [21]). В качестве радиолокационного отражателя может использоваться также сферическая или цилиндрическая линза Люнеберга, на противоположной стороне поверхности которой устанавливается отражающая металлическая пластинка (см. стр. 304, рис. 19.21, [13]). Особенностью радиолокационных отражателей является большая эффективная площадь рассеяния при малой зависимости ее от направления облучения. Это свойство объясняется тем, что при изменении угла падения лучей в широких пределах отражение происходит практически строго в обратном направлении.
В качестве фильтра 4, предназначенного для частичной «очистки» автодинных сигналов от сопутствующих шумов и помех в требуемом диапазоне частот, могут использоваться активные RC-фильтры нижних и верхних частот, а также полосовые фильтры, выполненные на основе операционных усилителях (см. рис. 3.3, рис. 3.7, рис. 3.10, стр. 54-62, книги [23]).As filter 4, intended for partial "cleaning" of autodyne signals from accompanying noise and interference in the required frequency range, active RC filters of low and high frequencies, as well as bandpass filters based on operational amplifiers (see Fig. 3.3) can be used. , Fig. 3.7, Fig. 3.10, pp. 54-62, books [23]).
Первый усилитель 7 автодинного сигнала может быть выполнен в виде обычного инвертирующего или неинвертирующего усилителя с линейной амплитудной характеристикой в рабочем диапазоне частот и уровней сигнала на основе операционных усилителей (см., рис. 2.1, рис. 2.2, стр. 31-33, [23]).The first
Центральный сигнальный процессор 6 (ЦСП) выполняет одновременно функции обработки сигналов и управления частотой излучаемого радиосигнала РЛД. Он реализован на основе микросхемы сигнального процессора, например, типа TMS320F2808 фирмы Texas Instrument [24]. В состав ЦСП 6 входят блоки (см. фиг. 4), выполняющие следующие функции: подключенный к первому порту аналого-цифровой преобразователь АЦП 15, предназначенный для оцифровки входных сигналов; приемопередатчик 16 шины второго последовательного порта; универсальный асинхронный приемопередатчик шины третьего порта 17, который осуществляет обмен информацией с компьютером 10 системы ГАЦ посредством интерфейса 9 (например, RS-485); постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 18, хранящее программу обработки сигналов, управления и константы, необходимые для обработки сигналов; высокоскоростное вычислительное ядро 19, выполняющее все функции цифровой обработки сигнала (спектральный анализ, цифровую фильтрацию сигнала и формирование данных для формирования модулирующей функции изменения частоты РЛД и отображения информации); оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 20, выполняющее функции запоминания текущих значений и результатов отработки сигналов.The Central signal processor 6 (DSP) simultaneously performs the functions of signal processing and frequency control of the emitted radio signal RLD. It is implemented on the basis of a signal processor chip, for example, of the TMS320F2808 type from Texas Instrument [24]. The
Цифро-аналоговый преобразователь 7 (ЦАП) предназначен для преобразования последовательности цифровых данных, поступающих со второго порта ЦСП 6, в ступенчато-пилообразно изменяющееся напряжение. Принципы построения ЦАП 7 широко известны, причем промышленностью выпускается широкая номенклатура микросхем ЦАП (см., например, [25]).Digital-to-analog converter 7 (DAC) is designed to convert a sequence of digital data coming from the second port of the
Второй усилитель 8 напряжения модуляции частоты, совмещающий функцию фильтрации и сглаживания ступенек, может быть выполнен в виде обычного инвертирующего или неинвертирующего усилителя с линейной амплитудной характеристикой в рабочем диапазоне частот и уровней сигнала на основе операционных усилителей (см., рис. 2.1, рис. 2.2, стр. 31-33, [23]).The second frequency
Радиолокационный датчик контроля состояния стрелочного перевода работает следующим образом.The radar sensor for monitoring the state of the switch works as follows.
После подачи на РЛД напряжения от источника питания (на фиг. 4 не показан) все каскады и узлы его приходят в рабочий режим, при котором в СВЧ-генераторе 11 СВЧ-ППМ 1 (см. фиг. 5) возникают незатухающие СВЧ колебания. При этом в ЦСП 6 (см. фиг. 4) вычислительным ядром 19 в соответствие с подпрограммой «Установка» производится сначала настройка периферийных устройств, распределение внутренней памяти, установка значений внутренних переменных, копирование исполняемого кода команд из ПЗУ 18 с низкой производительностью в высокопроизводительное ОЗУ 20. После ее завершения через второй порт производится выдача на управляющий регистр ЦАП 7 последовательности цифровых кодов, которая в ЦАП 7 на своем аналоговом выходе преобразуется в линейное ступенчато возрастающее (или убывающее, не имеет значения) напряжение модуляции. Далее ступенчатое напряжение с выхода ЦАП 7 поступает на вход второго усилителя 8, где оно усиливается, а ступеньки сглаживаются благодаря конечному времени установления усилителя 8. Полученное на выходе усилителя 8 напряжение модуляции, изменяющееся по закону несимметричной пилообразной функции с периодом повторения Тмод (см. рис. 3.3(e), стр. 62, [26]), через третий вывод СВЧ-ППМ 1 подается далее на вход управления частотой СВЧ-генератора 11. Под действием этого напряжения, приложенного к варикапу, частота колебаний СВЧ-генератора И изменяется по закону несимметричной пилообразной функции.After applying voltage to the RLD from a power source (not shown in Fig. 4), all its stages and nodes come into operation, in which undamped microwave oscillations occur in the
При выполнении СВЧ-ППМ 1 на основе автодинного приемопередатчика (см. фиг. 5,а) формируемый таким образом зондирующий радиосигнал поступает в антенну 2 и в соответствие с ее диаграммой направленности излучается в пространство зоны контроля стрелочного перевода. Радиосигналы, отраженные от радиолокационного отражателя 3, вагонов, если они находятся на контролируемом участке, а также объектов верхнего строения ЖД пути (рельсов, шпал, остряков, крестовины, тяги, балласта и пр.) и иных возможных объектов, в том числе работников сортировочной горки, попадают через антенну 2 обратно в СВЧ-генератор 11 СВЧ-ППМ 1. Там эти радиосигналы смешиваются с собственными колебаниями СВЧ-генератора 11, вызывая в нем автодинные изменения амплитуды и частоты колебаний, а также среднего значения тока в цепи питания СВЧ-генератора 11. Эти изменения происходят с разностной частотой между зондирующими и отраженными колебаниями. Посредством устройства регистрации 12 производится выделение этих изменений в виде преобразованного низкочастотного сигнала. В соответствии с принципом действия автодинных радиолокаторов частота преобразованного сигнала прямо пропорциональна дальности до отражающего объекта, от которого получен отраженный сигнал (см. раздел 1.3 [27]). При этом амплитуда преобразованного сигнала характеризует отражающую способность объекта локации. Данный сигнал с выхода устройства регистрации 12 далее поступает к второму выводу СВЧ-ППМ 1.When performing
При выполнении СВЧ-ППМ 1 на основе гомодинного приемопередатчика (см. фиг. 5,б) формируемый СВЧ-генератором 11 зондирующий радиосигнал подается на первый порт циркулятора 13. Затем этот радиосигнал, согласно известному принципу действия циркуляторов (см. стр. 290-294 книги [28]), через второй порт зондирующий радиосигнал поступает в антенну 2. Далее в соответствие с диаграммой направленности антенны 2 он излучается в пространство зоны контроля стрелочного перевода. Отраженные радиосигналы от указанных выше объектов локации через антенну 2 поступают обратно на второй порт циркулятора 13, от которого они в соответствие с принципом действия циркулятора направляются в его третий порт. Здесь отраженные радиосигналы смешиваются с частью зондирующего радиосигнала СВЧ-генератора 11, просочившегося из первого порта во второй, и поступают на вход смесителя 14. В результате взаимодействия этих радиосигналов на нелинейности преобразовательного элемента смесителя 14 на его выходе выделяется преобразованный сигнал с разностной частотой между зондирующими и отраженными колебаниями. В соответствие с принципом действия радиолокаторов с гомодинным приемопередатчиком частота преобразованного сигнала прямо пропорциональна дальности до отражающего объекта, от которого получен отраженный сигнал (см. раздел 3.2, [26]). При этом амплитуда преобразованного сигнала характеризует отражающую способность объекта локации. Данный сигнал с выхода смесителя 14 далее поступает к второму выводу СВЧ-ППМ 1.When performing
Со второго вывода СВЧ-ППМ 1 преобразованный сигнал поступает на вход фильтра 4, где за счет каскадного соединения RC-фильтров нижних и верхних частот выполняется частичное подавление в сигнале сопутствующих шумов и помех, находящихся за пределами частотного диапазона преобразованного сигнала. При этом первый усилитель 5 усиливает сигнал по амплитуде с тем, чтобы уровень собственных помех следующего далее АЦП 15 в составе ЦСП 6 не оказывал влияния на результаты обработки сигналов. Усиленный сигнал далее поступает на первый (сигнальный) порт ЦСП 6.From the second output of the
При этом отметим, что в РЛД с ЧМ выходной преобразованный сигнал неизбежно сопутствуют собственные шумы СВЧ-ППМ 1 и помехи. Шумы обусловлены не идеальностью основных элементов СВЧ-ППМ 1: шумами СВЧ-генераторов 11 и смесителей 14. Обычно эти шумы носят фликкерный характер частотного распределения, т.е. возрастающий в области низких частот (ниже 10 кГц). Основной помехой обычно является сигнал, так называемой паразитной амплитудной модуляции (ПАМ). Эта ПАМ, которая неизбежно сопутствует процесс ЧМ СВЧ-генераторов, в результате детектирования на нелинейности активного элемента СВЧ-генератора 11 (при автодинном построении СВЧ-ППМ 1) или смесительного диода 14 смесителя (при гомодинном построении СВЧ-ППМ 1) проявляется в виде сигнала ПАМ. Уровень сигнала ПАМ может значительно превышать амплитуду полезного сигнала и создавать проблемы при обработке полезных сигналов (см. стр. 83-93 и главу 7, [26]).It should be noted that in the RLD with FM, the output converted signal is inevitably accompanied by its own noise of the
Рассмотрим сначала работу устройства в режиме «Настройка», когда в диаграмме направленности антенны 2 на высоте вагонной автосцепки за пределом зоны контроля по дальности устанавливают радиолокационный отражатель 3 и находят оптимальное положение антенны 2, при котором наблюдается наиболее полное перекрытие зоны контроля, минимальное влияние на работу РЛД отражений от подстилающей поверхности и посторонних предметов. Настройка может выполняться как периодическая процедура с пульта управления ГАЦ 10 или автономно. При автономной калибровке РЛД отключается от сети ГАЦ 10 и подключается к персональному компьютеру.Let us first consider the operation of the device in the “Settings” mode, when a
В режиме «Настройка» на входе первого порта ЦСП 6 присутствует аддитивная смесь преобразованного сигнала, полученного как от отражателя 3, так и от объектов верхнего строения ЖД пути (рельсов, шпал, остряков, крестовины, тяги, балласта и пр.) и иных возможных объектов, если они попадают в диаграмму направленности антенны 2, а также собственных шумов СВЧ-ППМ 1 и помех ПАМ. В этом режиме АЦП 15 производит оцифровку мгновенных значений аддитивной смеси сигнала и шума с частотой выборки FB, причем частота выборки берется из выполнения сильного неравенства: 
Далее вычислительным ядром 19 ЦСП 6 к исходным данным аддитивной смеси сигнала и шума применяют операции «Предварительная фильтрация сигнала», которая служит для исключения из спектра принятого сигнала компонентов, связанных с ПАМ и отражений от близлежащих объектов и помех. Для этого к исходному сигналу применяется алгоритм «Скользящее среднее», который выступает в качестве фильтра нижних частот [29]. После выделения низкочастотных составляющих этим фильтров они вычитаются из исходного сигнала, в результате чего массив исходных данных входного сигнала корректируется без учета ПАМ и помех, а вблизи антенны 2 РЛД в радиусе порядка одного метра формируется «мертвая зона». Эта мертвая зона исключает срабатывание РЛД в случае наличия вблизи антенны осадков в виде дождя или мокрого снега, малоразмерных объектов (насекомых, птиц).Next, the
После этого вычислительным ядром 19 ЦСП 6 с массивом данных для каждого периода преобразованного сигнала выполняется операция быстрого преобразования Фурье (БПФ). Данная операция на примере сигнального процессора типа TMS320F2808 реализована на основе стандартной библиотеки функций по алгоритму «Radix2» с применением оконной функции Хеннинга, оптимизированных для используемого в ЦСП 6 вычислительного ядра 19. В результате выполнения операции БПФ из массива «сглаженных» данных о сигнале в ОЗУ 20 формируется еще одна последовательность данных, отображающих картину спектра смеси преобразованного сигнала и шума. Поскольку частота гармонических спектральных составляющих прямо пропорциональна времени запаздывания отраженного излучения, то таким образом согласно п. 1 Формулы изобретения производится разделение преобразованного сигнала по признаку времени запаздывания отраженного излучения и, соответственно, расстояния между РЛД и отражающим объектом. При этом для визуального контроля процесса настройки РЛД результаты операции БПФ отображаются на мониторе компьютера в виде 2D-графика спектрального распределения «амплитуда - частота (расстояние)».After that, the
Вблизи антенны с помощью небольших отражателей в виде, например, металлических пластинок, проверяется качество формирования «мертвой зоны» и ее протяженность. Наличие гармонических составляющих за пределами «мертвой зоны», от ее границы до присутствующей в спектре сигнала гармонической составляющей от радиолокационного отражателя 3, характеризует наличие отражений сигнала от подстилающей поверхности и объектов инфраструктуры верхнего строения ЖД пути. Изменением угла ориентации антенны 2 в вертикальной плоскости добиваются ее оптимального положения, при котором уровень отражений от подстилающей поверхности наименьший, а амплитуда гармонической составляющей от радиолокационного отражателя 3 является наибольшей. При этом «пьедестал» спектра сигнала от отражателя 3 определяется среднеквадратическим уровнем собственных шумов СВЧ-ППМ 1. Данный участок спектра выбирается оператором на 2D-графике и измеренное значение среднеквадратического уровня заносится в память ОЗУ и ПЗУ как «Уровень шума» σш.Near the antenna, using small reflectors in the form of, for example, metal plates, the quality of the formation of the "dead zone" and its length is checked. The presence of harmonic components outside the "dead zone", from its border to the harmonic component present in the signal spectrum from the
Далее вычислительным ядром 19 ЦСП 6 значение расстояния между антенной 2 и радиолокационным отражателем 3, измеренное иными средствами, например, рулеткой, делится на полученное в результате БПФ значение частоты гармонической составляющей сигнала от радиолокационного отражателя 3. Полученный результат записываются в память ОЗУ 20 и дублируется в памяти ПЗУ 18 как «Множитель расстояния» Мр. Кроме того, вычислительным ядром 19 ЦСП 6 величина амплитуды гармонической составляющей сигнала от радиолокационного отражателя 3 делится на внесенное в память ОЗУ значение «Уровень шума» σш. Полученный результат относительного уровня сигнала также записываются в память ОЗУ 20 и дублируется в памяти ПЗУ 18 как «Сигнал отражателя» qPO.Further, the
В завершение настройки РЛД производится проверка границ зоны контроля стрелочного перевода. Для этого радиолокационный отражатель 3 перемещают по территории стрелочного перевода в границах контролируемой зоны и убеждаются в наличии гармонической составляющей сигнала преобразованного сигнала. При его нахождении на дальней границе зоны контроля полученное значение частоты гармонической составляющей сигнала умножают на «Множитель расстояния» Мр. Результат этого произведения записывается в память ОЗУ 20 и ПЗУ 18 как «Дальняя граница» Ra. Аналогично проверяется с помощью отражателя ближняя граница зоны контроля. Результат этой проверки записывается в память ОЗУ 20 и ПЗУ 18 как «Ближняя граница» Rб. После завершения настройки РЛД радиолокационный отражатель 3 возвращается в штатное положение, а в память ОЗУ 20 и ПЗУ 18 после перемножения частоты сигнала от отражателя на «Множитель расстояния» Мр вносится значение «Расстояние до отражателя» RPO.At the end of the RLD setup, the borders of the turnout control zone are checked. To do this, the
Рассмотрим теперь работу устройства в режиме «Работа». В этом режиме АЦП 15 ЦСП 6 производит оцифровку мгновенных значений аддитивной смеси сигнала, шума и помех. Полученный при этом массив исходных данных для каждого периода Тмод модуляции заполняется в память ОЗУ 20. Далее вычислительным ядром 19 ЦСП 6 к исходным данным аддитивной смеси сигнала, шума и помех применяют упомянутые выше операции «Предварительная фильтрация сигнала» и «Скользящее среднее», в результате которых из спектра принятого сигнала исключаются компоненты, связанные с ПАМ и отражений от близлежащих объектов и помех, а вблизи антенны 2 формируется «мертвая зона».Let us now consider the operation of the device in the "Work" mode. In this mode, the
После этого вычислительным ядром 19 ЦСП 6 с массивом данных преобразованного сигнала выполняется операция быстрого преобразования Фурье (БПФ). В результате ее выполнения из массива «сглаженных» данных в ОЗУ 20 формируется еще один массив данных qi отображающих картину нормированного спектра смеси преобразованного сигнала и шума, которая получена делением всех данных амплитуды гармонических составляющих на внесенное в память ОЗУ значение «Уровень шума» σш.After that, the
Действия, связанные с обнаружением отцепа в зоне контроля и расчетом его текущего положения, выполняются следующим образом. Вычислительным ядром 19 ЦСП 6 из памяти ОЗУ 20 выбираются значения амплитуд qi гармонических составляющих. Каждое значение q(сравнивается с заданным пороговым значением qпор. Те из них, которые превышают qпор пороговое значение (qi≥qnop), умножают на «Множитель расстояния» Мр и получают новое множество значений ri{ расстояний от антенны 2 РЛД до того элемента в облучаемом пространстве, который вызвал появление парциального отражения. Далее полученное множество значений ri сравнивается с хранящимися в ОЗУ 20 значениями дальней Ra и ближней Rб границ. Если при этом сравнении на каждом периоде модуляции есть такие расстояния, которые находятся в промежутке между границами зоны контроля: Rб<ri<Rд, то при условии подтверждения этого результата, например, в 95 случаях из ста периодов модуляции, принимается окончательное решение «Занятости» стрелочного перевода. Если во множестве значений ri в пределах зоны контроля таких значений нет, то при прежнем условии подтверждения этого результата, и наличии значения ri=RPO принимается решение «Стрелка свободна». Если значения ri, включая RPO, в массиве данных отсутствуют, то при прежнем условии подтверждения принимается решение «Отказ». Данные решения в виде кодовых последовательностей команд «Занятость», «Стрелка свободна» и «Отказ» посредством интерфейса RS-485 поступают в ГАЦ 10.Actions related to detecting a cut in the control zone and calculating its current position are performed as follows. The
Кроме отмеченных функций, РЛД в режиме «Работа» обеспечивает дополнительную функцию - самоконтроль. Во время свободности стрелочного перевода вычислительным ядром 19 ЦСП 6 производится сравнение текущих значений относительной амплитуды qPO(t) гармонической составляющей и значения текущей дальности RPO(t), полученной от радиолокационного отражателя, с их значениями, полученными в режиме «Настройка» qPO и RPO соответственно. Если эти значения отличаются от номинальных, например, на 5…10 процентов, то на ГАЦ передается предупредительная команда, например, «Проверка» о необходимости в ближайшее время проведения проверки РЛД. Указанные отличия имеют, скорее всего, не принципиальный характер и РЛД может находиться в эксплуатации до выяснения обстоятельств этих изменений. Они могут быть связаны с возможными изменениями внешних условий эксплуатации РЛД (сезонными, погодными, перестановки и перемещения напольного оборудования на территории стрелочного перевода), влияющими на условия распространения СВЧ излучения, а также временным и температурным уходом внутренних параметров СВЧ-ППМ 1.In addition to the noted functions, the RLD in the "Work" mode provides an additional function - self-control. During the freedom of the turnout, the
Кроме того, антенна 1, выполненная в виде плоской (веерной) косеканс-квадратной диаграммы направленности в горизонтальной плоскости, по сравнению с карандашной диаграммой способствует сужению диапазона изменений уровня преобразованного сигнала за счет более равномерного распределения энергии зондирующего излучения по зоне контроля (см. стр. 77-78, [12]). При этом в случае применения РЛД с автодинным построением СВЧ-ППМ 1 указанное свойство антенны 2 с косеканс-квадратной диаграммой направленности способствует уменьшению ангармонических искажений выходного сигнала автодина и уровня шумов [10, 11]. Это способствует дополнительному повышению достоверности контроля стрелочного перевода при использовании автодинных РЛД.In addition, the
Таким образом, предлагаемый РЛД, реализующий разработанный нами способ радиолокационного контроля состояния стрелочного перевода, при сохранении функциональных возможностей прототипа обеспечивает достижение технического результата изобретения - повышение надежности и достоверности контроля состояния стрелочного перевода благодаря постоянному самоконтролю работоспособности РЛД в процессе эксплуатации, а также наиболее полному перекрытию площади зоны контроля с помощью антенны, имеющей плоскую (веерную) диаграмму направленности в горизонтальной плоскости на высоте вагонной автосцепки, которая описывается функцией cosec2θ в пределах углов θ1<θ<θ2, где θ1 и θ2 - углы,Thus, the proposed RLD, which implements the method of radar monitoring of the state of the turnout developed by us, while maintaining the functionality of the prototype, ensures the achievement of the technical result of the invention - increasing the reliability and reliability of monitoring the state of the turnout due to constant self-monitoring of the operability of the RLD during operation, as well as the most complete overlap of the area control zone using an antenna having a flat (fan) radiation pattern in the horizontal plane at the height of the car coupler, which is described by the cosec 2 θ function within the angles θ 1 <θ<θ 2 , where θ 1 and θ 2 are angles,
отсчитываемые от оси основного ЖД пути стрелочного перевода, приведенной к положению РЛД, до дальнего угла границы зоны контроля на стороне нахождения РЛД и до противолежащего угла ближней границы зоны контроля соответственно.counted from the axis of the main railway track of the turnout, reduced to the position of the radar station, to the far corner of the border of the control zone on the side where the radar station is located and to the opposite corner of the near border of the control zone, respectively.
Дополнительными достоинствами предлагаемого РЛД является независимость их работы от типа стрелочного перевода (симметричный, несимметричный, криволинейный, двойной или перекрестный), длины отцепов и типа вагонов (обычных, длиннобазных, транспортеров, цистерн, платформ и пр.). С одной стороны, это связано с тем, что устройство обеспечивает возможность наиболее полного перекрытия зоны контроля косеканс-квадратной диаграммой направленности и, с другой стороны, обнаружение при нахождении в зоне контроля даже отдельных частей вагонов (автосцепки, тележки, лицевой или боковой стенки, хребтовая или боковые балки и пр.). Их нахождение в зоне контроля вызывает появление отраженного радиосигнала, после приема антенной 2, преобразования в СВЧ-ППМ 1 и обработки которого в ЦСП 6 получаются данные, позволяющие принять решения о занятости стрелочного перевода.Additional advantages of the proposed RLD are the independence of their operation from the type of turnout (symmetric, asymmetric, curvilinear, double or cross), the length of the cuts and the type of cars (regular, long-wheelbase, conveyors, tanks, platforms, etc.). On the one hand, this is due to the fact that the device provides the possibility of the most complete overlap of the control zone with a cosecant-square radiation pattern and, on the other hand, detection, when in the control zone, even individual parts of cars (automatic couplers, bogies, front or side walls, back or side beams, etc.). Their presence in the control zone causes the appearance of a reflected radio signal, after being received by the
СПОСОБ РАДИОЛОКАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ СТРЕЛОЧНОГО ПЕРЕВОДА СОРТИРОВОЧНОЙ ГОРКИ И ДАТЧИК ЕГО РЕАЛИЗУЮЩИЙMETHOD FOR RADAR MONITORING OF STATE OF SWITCHING HOUSE AND SENSOR IMPLEMENTING IT
ЛитератураLiterature
1. Григорин-Рябов В.В., Вериго A.M., Шелухин О.И., Шелухин В.И. Радиотехнические железнодорожные устройства. -М.: Транспорт, 1986. - 161 с.1. Grigorin-Ryabov V.V., Verigo A.M., Shelukhin O.I., Shelukhin V.I. Radio engineering railway devices. -M.: Transport, 1986. - 161 p.
2. Шелухин В.И. Датчики измерения и контроля устройств железнодорожного транспорта. - М.: Транспорт, 1990. - 119 с.2. Shelukhin V.I. Sensors for measuring and controlling railway transport devices. - M.: Transport, 1990. - 119 p.
3. Датчик радиотехнический контроля свободности стрелочных участков РТД-С. Техническое описание и инструкция по эксплуатации 38550-00-00 ТО. - М.: Лосиноостровский электротехнический завод, 1990. - 22 с.3. Sensor for radio-technical control of the freedom of turnout sections RTD-S. Technical description and operating instructions 38550-00-00 TO. - M.: Losinoostrovsky Electrotechnical Plant, 1990. - 22 p.
4. Авт. свидетельство СССР SU 1008054, опубл. 30.03.1983, бюл. 12. Устройство контроля свободности стрелочных участков сортировочных горок / В.В. Григорин-Рябов, В.И. Шелухин, О.И. Шелухин, И.П. Федюкин.4. Auth. USSR certificate SU 1008054, publ. 03/30/1983, bul. 12. The device for controlling the freedom of switch sections of marshalling humps / V.V. Grigorin-Ryabov, V.I. Shelukhin, O.I. Shelukhin, I.P. Fedyukin.
5. Авт. свидетельство СССР SU 1216064, опубл. 07.03.1986, бюл. 9. Устройство контроля свободности стрелочных участков сортировочных горок / В.И. Шелухин.5. Auth. USSR certificate SU 1216064, publ. 03/07/1986, bul. 9. The device for controlling the freedom of switch sections of marshalling humps / V.I. Shelukhin.
6. Авт. свидетельство СССР SU 1245483, опубл. 23.07.1986, бюл. 27. Устройство контроля свободности стрелочных путевых участков сортировочных горок / В.В. Григорин-Рябов, В.И. Шелухин, О.И. Шелухин.6. Auth. USSR certificate SU 1245483, publ. 07/23/1986, bul. 27. The device for controlling the freedom of turnout track sections of marshalling humps / V.V. Grigorin-Ryabov, V.I. Shelukhin, O.I. Shelukhin.
7. Авт. свидетельство СССР SU 839800, опубл. 23.06.1981, бюл. 23. Устройство контроля свободности стрелочных участков сортировочных горок / В.В. Григорин-Рябов, В.И. Шелухин, О.И. Шелухин.7. Auth. USSR certificate SU 839800, publ. 06/23/1981, bul. 23. The device for controlling the freedom of switch sections of marshalling humps / V.V. Grigorin-Ryabov, V.I. Shelukhin, O.I. Shelukhin.
8. Срмак Г.П., Варавiн А.В., Попов I.B., Васильев О.С., Усов Л.С. Радiолокацiйний датчик контролю наявностi i швидкостi рухомого складу на територiях сортувальних гiрок // Наука та iнновацii. 2009. Т. 5. №5. С. 9-16, (украинский). Доступ по адресу в Интернет: http://dspace.nbuv.gov.ua/xmlui/handle/123456789/27893 (прототип).8. Srmak G.P., Varavin A.V., Popov I.V., Vasiliev O.S., Usov L.S. Radar sensor for monitoring the presence and speed of a rough warehouse on the territories of sorting weights // Science and Innovations. 2009. V. 5. No. 5. pp. 9-16, (Ukrainian). Access to the Internet address: http://dspace.nbuv.gov.ua/xmlui/handle/123456789/27893 (prototype).
9. Марюхненко B.C. Радиолокационные системы на железнодорожном транспорте. Перспективы применения. - Иркутск: ИрГУПС, 2017.- 146 с.9. Maryukhnenko B.C. Radar systems in railway transport. Application prospects. - Irkutsk: IrGUPS, 2017.- 146 p.
10. Носков В.Я., Игнатков К.А., Чупахин А.П. Анализ сигналов от движущегося объекта автодинных локаторов с линейными видами модуляции частоты // Уральский радиотехнический журнал. 2017. Т. 1. №1. С. 25-54. DOI 10.15 826/urej.2017.1.1.002.10. Noskov V.Ya., Ignatkov K.A., Chupakhin A.P. Analysis of signals from a moving object of autodyne locators with linear types of frequency modulation // Ural Radio Engineering Journal. 2017. Vol. 1. No. 1. pp. 25-54. DOI 10.15 826/urej.2017.1.1.002.
11. Носков В.Я., Васильев А.С., Ермак Г.П., Игнатков К.А., Чупахин А.П. Флуктуационные характеристики автодинных радиолокаторов с частотной модуляцией // Известия вузов. Радиоэлектроника. 2017. Т. 60. №3 С. 154-165. DOI: 10.20535/S0021347017030049.11. Noskov V.Ya., Vasiliev A.S., Ermak G.P., Ignatkov K.A., Chupakhin A.P. Fluctuation characteristics of autodyne radars with frequency modulation. Izvestiya vuzov. Radioelectronics. 2017. V. 60. No. 3 S. 154-165. DOI: 10.20535/S0021347017030049.
12. Сколник М. Введение в технику радиолокационных систем. - М.: Мир, 1965. - 748 с.12. Skolnik M. Introduction to the technique of radar systems. - M.: Mir, 1965. - 748 p.
13. Шифрин Я.С. Антенны. - Харьков: ВИРТА им. Говорова Л.А., 1976. - 408 с.13. Shifrin Ya.S. Antennas. - Kharkov: VIRTA them. Govorova L.A., 1976. - 408 p.
14. Карташкин А.С.Авиационные радиосистемы. - М.: ИП РадиоСофт, 2007. - 304 с.14. Kartashkin A.S. Aviation radio systems. - M.: IP RadioSoft, 2007. - 304 p.
15. Носков В.Я., Смольский С.М., Игнатков К.А. и др. Современные гибридно-интегральные автодинные генераторы микроволнового и миллиметрового диапазонов и их применение. Часть 11. Основы реализации автодинов // Успехи современной радиоэлектроники. 2019. №2. С .5-33.15. Noskov V.Ya., Smolsky S.M., Ignatkov K.A. Modern hybrid-integrated autodyne generators of microwave and millimeter ranges and their application.
16. Костылев С.А., Гончаров В.В., Соколовский И.И., Челядин А.В. Полупроводники с объемной отрицательной проводимостью в СВЧ полях: Электронные процессы и функциональные возможности. - Киев: Наук, думка, 1987. - 144 с.16. Kostylev S.A., Goncharov V.V., Sokolovsky I.I., Chelyadin A.V. Semiconductors with bulk negative conductivity in microwave fields: Electronic processes and functionality. - Kyiv: Nauk, Dumka, 1987. - 144 p.
17. Малышев В.А. Бортовые активные устройства сверхвысоких частот.- Л.: Судостроение, 1990, 264 с.17. Malyshev V.A. On-board active devices of microwave frequencies. - L .: Shipbuilding, 1990, 264 p.
18. Царапкин Д.П. Генераторы СВЧ на диодах Ганна. - М.: Радио и связь, 1982, 112 с.18. Tsarapkin D.P. Microwave generators based on Gunn diodes. - M.: Radio and communication, 1982, 112 p.
19. Драбкин А.Л. и др. Антенно-фидерные устройства. М.: Советское радио, 1974. - 536 с.19. Drabkin A.L. etc. Antenna-feeder devices. M.: Soviet radio, 1974. - 536 p.
20. Фрадин А.З. Антенны сверхвысоких частот. - М: Советское радио, 1957. - 636 с.20. Fradin A.Z. Microwave antennas. - M: Soviet radio, 1957. - 636 p.
21. Кизименко В.В., Юрцев О.А. Приближенная реализация диаграммы направленности типа «косеканс» в линейной антенной решетке с последовательным возбуждением // Доклады БГУИР. 2012. №6 (68). С. 88-94.21. Kizimenko V.V., Yurtsev O.A. Approximate implementation of the "cosecant" type radiation pattern in a linear antenna array with sequential excitation // Doklady BSUIR. 2012. No. 6 (68). pp. 88-94.
22. Радиолокационные устройства (теория и принципы построения) / Под ред. В.В. Григорина-Рябова. - М.: Сов. радио, 1970, 680 с.22. Radar devices (theory and principles of construction) / Ed. V.V. Grigorin-Ryabov. - M.: Sov. radio, 1970, 680 p.
23. Щербаков В.И., Грездов Г.И. Электронные схемы на операционных усилителях: Справочник. - К.: Техника, 1983. - 213 с.23. Shcherbakov V.I., Grezdov G.I. Electronic Circuits on Operational Amplifiers: A Handbook. - K .: Technique, 1983. - 213 p.
24. Руководство пользователя: Семейство микроконтроллеров MSP430X1XX / Пер. с англ. М.: ЗАО «Компэл», 2004.24. User's guide: MSP430X1XX family of microcontrollers / Per. from English. M.: CJSC "Compel", 2004.
25. Лебедев О.Н., Марцинкявичюс А.-Й.К., Багданскис Э.-А.К. и др. Микросхемы памяти, ЦАП и АЦП: Справочник. - М.: КУбК-а, 1996. - 384 с.25. Lebedev O.N., Marcinkyavichyus A.-J.K., Bagdanskis E.-A.K. et al. Memory microcircuits, DAC and ADC: A Handbook. - M.: KUBK-a, 1996. - 384 p.
26. Комаров И.В., Смольский С.М. Основы теории радиолокационных систем с непрерывным излучением частотно-модулированных колебаний. - М.: Горячая линия-Телеком, 2010. - 392 с.26. Komarov I.V., Smolsky S.M. Fundamentals of the theory of radar systems with continuous radiation of frequency-modulated oscillations. - M.: Hotline-Telecom, 2010. - 392 p.
27. Воторопин С.Д., Носков В.Я., Смольский С.М. Современные гибридно-интегральные автодинные генераторы микроволнового и миллиметрового диапазонов и их применение. Часть 5. Исследования автодинов с частотной модуляцией // Успехи современной радиоэлектроники. 2009. №3. С. 3-50.27. Votoropin S.D., Noskov V.Ya., Smolsky S.M. Modern hybrid-integrated autodyne generators of microwave and millimeter ranges and their application.
28. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Том. 1. - М.: Высшая школа, 1970. - 439 с.28. Lebedev I.V. Technique and microwave devices. Volume. 1. - M.: Higher School, 1970. - 439 p.
29. Hussain, Z.M., Sadik, A.Z., O'Shea, P. Digital Signal Processing: An Introduction with MATLAB and Applications. Springer, 2011, 350 p.ISBN: 3642155901.29. Hussain, Z.M., Sadik, A.Z., O'Shea, P. Digital Signal Processing: An Introduction with MATLAB and Applications. Springer, 2011, 350 p. ISBN: 3642155901.
Claims (9)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2792315C1 true RU2792315C1 (en) | 2023-03-21 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2812744C1 (en) * | 2023-11-02 | 2024-02-01 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Радиосвязь" | Radio-photon location system for determining the speed of cuts at the hump |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2349480C2 (en) * | 2004-09-20 | 2009-03-20 | Дойче Бан Аг | Diagnostic and monitoring method and device for railway points, crossings, turn-outs or rail joints |
| RU2352488C2 (en) * | 2007-04-04 | 2009-04-20 | Открытое акционерное общество "Российские железные дороги" (ОАО "РЖД") | Unit of slip switch integrated protection (ssiou) |
| RU163371U1 (en) * | 2015-06-22 | 2016-07-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Иркутский государственный университет путей сообщения" (ФГБОУ ВО ИрГУПС) | DEVICE FOR AUTOMATIC IDENTIFICATION OF WAGONS WITH SELF-OSCILLATIONS OF VILYANIA DURING THE TRAIN |
| RU2737815C1 (en) * | 2020-06-05 | 2020-12-03 | Акционерное общество "Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте" | Complex automation system for control of sorting process (ccas sp) |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2349480C2 (en) * | 2004-09-20 | 2009-03-20 | Дойче Бан Аг | Diagnostic and monitoring method and device for railway points, crossings, turn-outs or rail joints |
| RU2352488C2 (en) * | 2007-04-04 | 2009-04-20 | Открытое акционерное общество "Российские железные дороги" (ОАО "РЖД") | Unit of slip switch integrated protection (ssiou) |
| RU163371U1 (en) * | 2015-06-22 | 2016-07-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Иркутский государственный университет путей сообщения" (ФГБОУ ВО ИрГУПС) | DEVICE FOR AUTOMATIC IDENTIFICATION OF WAGONS WITH SELF-OSCILLATIONS OF VILYANIA DURING THE TRAIN |
| RU2737815C1 (en) * | 2020-06-05 | 2020-12-03 | Акционерное общество "Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте" | Complex automation system for control of sorting process (ccas sp) |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Ермак Г. П., Варавин А. В., Попов И. B., Васильев А. С., Усов Л. С. Радиолокационный датчик контроля наличия и скорости подвижного состава на территориях сортировочных горок // Наука и инновации. 2009. Т. 5. N 5. С. 9-16. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2812744C1 (en) * | 2023-11-02 | 2024-02-01 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Радиосвязь" | Radio-photon location system for determining the speed of cuts at the hump |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8362948B2 (en) | Long range millimeter wave surface imaging radar system | |
| US7379013B2 (en) | Detecting objects within a near-field of a frequency modulated continuous wave (FMCW) radar system | |
| US7508337B2 (en) | Radar apparatus and signal processing method | |
| US7796082B2 (en) | Methods and apparatus for log-FTC radar receivers having enhanced sea clutter model | |
| US6686872B2 (en) | System and method for in-place, automated detection of radome condition | |
| US20070013577A1 (en) | Radar system and method | |
| Kohmura et al. | Optical fiber connected millimeter-wave radar for FOD detection on runway | |
| US20090009380A1 (en) | Radar system and method | |
| Jarabo‐Amores et al. | IDEPAR: a multichannel digital video broadcasting‐terrestrial passive radar technological demonstrator in terrestrial radar scenarios | |
| CN104685327A (en) | Fill level measurement device | |
| JP4613934B2 (en) | Weather radar equipment | |
| US8593332B2 (en) | Device for detecting objects, notably dangerous objects | |
| KR102596416B1 (en) | Simulated target signal generating apparatus and radar test system having the same | |
| Krysik et al. | GSM based passive receiver using forward scatter radar geometry | |
| JP2002500770A (en) | Short range proximity sensor with high speed tracking and analog output | |
| RU2315332C1 (en) | Radiolocation station | |
| RU2792315C1 (en) | Method for radar monitoring of state of the railroad switch on the hump yards and sensor implementing it | |
| US3246322A (en) | Distance measuring equipment | |
| RU2285939C1 (en) | Method for controlling airspace, irradiated by external radiation sources, and radiolocation station for realization of said method | |
| Jahagirdar | A high dynamic range miniature DDS-based FMCW radar | |
| EP1744177A1 (en) | Radar system and method for locating and identifying objects by their non-linear echo signals | |
| RU2505838C1 (en) | Method for radio location of objects with radar-absorbent coating | |
| US3357014A (en) | Standard target radar | |
| Gong et al. | Design and application of the digital multifunctional ionosonde | |
| Cerny et al. | Optimization of Far-Field Antenna Range. |