RU2812744C1 - Радиофотонная система локации для определения скорости отцепов на сортировочной горке - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области железнодорожной автоматики и телемеханики, в частности к устройствам автоматического регулирования скорости движения отцепов. Технический результат - повышение надежности, помехозащищенности и эффективности радиофотонной системы локации для определения скорости отцепов на сортировочной горке. Такой результат обеспечивается за счет дополнительного введения в радиофотонную систему в блок СВЧ-колебаний полупроводникового лазерного модуля, электрооптического модуляторя и делителя оптического излучения на каналов, причем полупроводниковый лазерный модуль подключен к входу электрооптического модулятора, к управляющему входу которого подключен СВЧ-генератор, а выход электрооптического модулятора подключен к входу делителя оптического излучения на каналов, при этом каждый локационный датчик скорости содержит фотодетекторный модуль, антенну, блок выделения автодинного сигнала и усилитель сигналов доплеровской частоты с парафазными выходами, при этом вход локационного датчика скорости подключен к фотодетекторному модулю, который подключен к антенне, а также к блоку выделения автодинного сигнала. 3 ил.

Description

Изобретение относится к области железнодорожной (ЖД) автоматики и телемеханики, в частности к устройствам автоматического регулирования скорости движения отцепов на сортировочной горке с целью обеспечения безаварийного роспуска ЖД составов, отображения информации о движении отцепов и их расположении на сортировочной горке в процессе роспуска составов, а также документирования процесса роспуска, и основано на использовании локационных датчиков скорости (ЛДС).

В соответствии с концепцией интервально-прицельного регулирования скорости отцепов спускная часть автоматизированных и механизированных сортировочных горок оборудуется тормозными позициями (ТП), которые располагаются, как правило, перед разделительной стрелкой первой ТП, за разделительной стрелкой второй ТП и в начале парковых путей - третьей ТП. Для регулирования скорости отцепов на ТП служат специальные путевые устройства, так называемые горочные и парковые замедлители.

Основной задачей первой и второй ТП, часто называемых горочными или верхними, является торможение свободно скатывающихся отцепов с горба горки. Это необходимо для исключения нагонов попутно скатывающихся отцепов, следующих по заданным маршрутам на пути сортировочного парка. Торможение должно обеспечивать требуемые временные интервалы между скатывающимися с горки вагонными отцепами, достаточные для перевода стрелок по маршруту, и скорости отцепов на выходе из этих позиций, которые при подходе отцепов к третьей ТП не должны превышать 6 м/с. Таким образом, на горочные ТП возлагается главная задача, так называемого, интервального торможения. В задачи парковой ТП входит прицельное торможение вагонных отцепов и установление скоростей, достаточных для того, чтобы они докатились до расчетной точки на сортировочном пути. При этом скорость соударения отцепов в парке не должна превышать 5 км/ч.

Общее количество ТП в зависимости от мощности сортировочной горки составляет от нескольких штук для горок малой мощности до, более чем, сорока для горок большой и повышенной мощности (см. стр. 9, [1]). Для управления процессом торможением на ТП в качестве бесконтактных датчиков скорости используются радиолокационные скоростемеры [2,3]. В зависимости от типа замедлителей и их количества, а также мощности сортировочной горки первая и вторая ТП оборудуются одним или двумя, а в некоторых случаях большим числом скоростемеров. При этом общее число скоростемеров на автоматизированных сортировочных горках большой и повышенной мощности может достигать пятидесяти и более штук.

Принцип действия радиолокационных скоростемеров, контролирующих параметры движения отцепов на ТП, основан на использовании эффекта Доплера (см. стр. 33-40, [2]). Частота доплеровского сигнала прямо пропорциональна скорости отцепа:

где

- скорость движения отцепа;

- текущий угол между вектором скорости отцепа и направлением его облучения;

и - длина волны и частота излучения ЛДС соответственно;

- скорость распространения радиоволн.

Достоинствами радиолокационных скоростемеров являются малая инерционность, бесконтактность и непрерывность процесса измерения в зоне контроля. Дальность действия по вагону в условиях прямой видимости достигает 250 м. Однако в реальности рабочая зона на ТП, в которой должен обеспечиваться процесс измерения, обычно составляет не более 30…35 м.

Самыми простыми радиолокационными скоростемерами являются автодинные устройства (см. рис. 2.1, [2]), в которых функции передатчика зондирующего и приемника отраженного от отцепа излучения одновременно совмещает СВЧ-генератор, называемый в отечественной литературе автодином. Принцип действия этих устройств основан на автодинном эффекте, который состоит в изменениях с частотой Доплера амплитуды и частоты колебаний СВЧ-генератора, а также тока и/или напряжения смещения в цепи его питания [3]. Регистрация указанных изменений в виде автодинных сигналов и их обработка обеспечивают возможность определения параметров относительного перемещения отцепов. Благодаря совмещению функций передатчика и приемника автодинные измерители скорости имеют минимальные габаритные размеры и массу, при этом они обладают достаточно высокой чувствительностью для применения в качестве датчиков скорости отцепов на сортировочной горке [4].

Пример выполнения измерителя скорости на основе автодина (generator mixer) описан в патенте [5]. Измеритель содержит СВЧ-генератор, который связан с приемопередающей антенной через регулируемый трансформатор сопротивлений (tuner). В цепь питания СВЧ-генератора включен резистор, с которого снимается автодинный сигнал, поступающий в блок обработки сигнала через усилитель.

Более совершенный автодинный датчик, который может использоваться как универсальный прибор определения занятости стрелочного перевода или измеритель скорости отцепов, описан в статье [6]. В случае его использования в качестве датчика занятости он работает в режиме излучения с частотной модуляцией (ЧМ). При этом цифровая обработка сигнальным процессором преобразованного автодином сигнала обеспечивает решение задачи обнаружения свободности или занятости стрелочного перевода. В случае использования датчика как измерителя скорости вагонов программа его работы изменяется. В этом режиме ЧМ излучения отсутствует, и датчик излучает в направлении отцепа немодулированные колебания. Для получения информации о скорости отцепов в предложенном датчике используются временные и спектральные методы обработки доплеровских сигналов.

Недостатком известных автодинных измерителей скорости являются наличие ангармонических искажений сигналов и периодической нестационарности уровня шума в условиях сильного отраженного от отцепа излучения [7]. Данные явления нарушают нормальную работу автодинного скоростемера на малых дальностях и требуют принятия дополнительных мер, усложняющих известные устройства.

Известны радиолокационные измерители скорости движения вагонов, содержащие «датчик доплеровского сигнала» (ДДС) и блок измерительного преобразователя сигнала (БИПС) [8, 9]. При этом ДДС состоит из передающей и приемной антенн, которые подключены соответственно к СВЧ-генератору и диодному смесителю. Выход диодного смесителя через усилитель сигнала доплеровской частоты подключен к входу БИПС. Доплеровский сигнал в ДДС получают в результате преобразования частоты в диодном смесителе принятого от движущегося отцепа излучения и части опорного излучения СВЧ-генератора, проходящего через щелевое сочленение. Антенны ДДС устанавливают внутри колеи, а остальные устройства - в междупутье.

Недостатком устройств [8, 9] является наличие двух антенн, значительно усложняющих их конструкцию, а также увеличивающих габаритные размеры и стоимость изготовления.

В патенте [10] предложено радиолокационное устройство для определения скорости отцепов, которое содержит приемопередатчик с частотной модуляцией по пилообразному закону. Отраженный от отцепа радиосигнал принимают и смешивают с излучаемым радиосигналом в смесителе. Преобразованный сигнал подают в блок обработки сигналов для получения данных о параметрах движения отцепа.

Недостатком предложенного устройства является значительное расширение спектра излучения СВЧ-генератора вследствие частотной модуляции. Это может создать проблему электромагнитной совместимости работе других радиосредств.

Кроме того, установка известных устройств внутри колеи не является удачным решением, поскольку их обслуживание вызывает проблемы - в зимнее время они часто выходит из строя при прохождении снегоочистителей, а весной и в дождливую погоду скоростемер заливает водой [11].

Известны радиолокационные измерители скорости движения вагонов, приемопередатчик которых выполнен по схеме с прямым (гомодинным) преобразованием доплеровского сигнала (см. стр. 33-37, рис. 2.5, [2]; [11-20]). Эти устройства используют одну антенну, которая работает как на передачу, так и на прием. Непрерывное излучение с выхода СВЧ-генератора, пройдя по пути первый - второй порты циркулятора, поступает в антенну и излучается в направлении движущегося отцепа. Отраженное от отцепа излучение сдвинуто по частоте на величину доплеровского смещения, пропорционального скорости движения отцепа. Это излучение через антенну и по пути второй - третий порты циркулятора поступает на одно из плеч смесителя, на другое плечо которого подаются опорные колебания СВЧ-генератора. В результате преобразования частоты колебаний на выходе смесителя выделяется сигнал разностной (доплеровской) частоты, который далее после усиления и предварительной фильтрации поступает в блок обработки сигналов для получения информации о параметрах движения отцепов.

На сегодня наиболее совершенным и широко применяемым на сети сортировочных станций РЖД является скоростемер РИС-В3М, разработанный на рубеже двадцатого и двадцать первого веков [19]. Его наиболее полное описание представлено в учебном пособии: Шелухин В.И. Автоматизация и механизация сортировочных горок: Учебник для техникумов и колледжей ж.-д. транспорта. - М.: Маршрут, 2005. - 240 с., (см. стр. 108-116, рис. 3.26, [20]).

Радиолокационный скоростемер содержит (см. рис. 3.26, [20]) СВЧ приемопередающий блок, усилитель-фильтр и блок обработки сигналов, причем СВЧ приемопередающий блок состоит из антенны, СВЧ-генератора, циркулятора и смесителя. При этом выход СВЧ-генератора подключен к первому порту циркулятора, ко второму порту которого подключена антенна, к третьему порту циркулятора присоединен вход смесителя. К выходу последнего через усилитель-фильтр и цифро-аналоговой преобразователь (ЦАП) подключен блок обработки сигналов (БОС). В свою очередь БОС содержит кодек, состоящий из последовательно соединенных упомянутого АЦП и цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), процессор, приемопередатчик интерфейса в стандарте протокола RS-485 для связи по двухпроводной линии с компьютером системы горочной автоматической централизации (ГАЦ), преобразователь напряжение-частота сигнала импульсной последовательности типа меандр, частота которого соответствует частоте принятого доплеровского сигнала.

Из представленного описания, очевидно, что данный скоростемер - это сложный радиоэлектронный прибор. Он состоит из аналоговой части, включающей СВЧ приемопередатчик и усилитель-фильтр, цифровой части в составе БОС для получения данных о скорости отцепа в цифровом и аналоговом виде, а также выходного измерительного преобразователя. Последнее также является аналоговым узлом, выполняющим операцию преобразования напряжения, пропорционального скорости отцепа, в частоту (меандр). Кроме того, каждый скоростемер оснащен блоком питания от сети 220 В, 50 Гц. Производство таких приборов предполагает изготовление перечисленных блоков и узлов, а также сборку и настройку устройства в целом. При этом особенно трудоемкой является настройка ключевого узла устройства - СВЧ приемопередающего блока, для выполнения которой требуются специалисты высокой квалификации по технике СВЧ. Вследствие недостаточной надежности СВЧ приемопередатчика в комплект ЗИП к скоростемеру, как правило, входит запасной модуль, содержащий СВЧ-генератор, циркулятор и смеситель.

При эксплуатации скоростемеров на автоматизированной сортировочной горке их выход из строя в зависимости от условий, в лучшем случае, может на некоторое время нарушить процесс роспуска составов, а в худшем, - вызвать сход и опрокидывание отцепа. Поэтому требования к функциональной надежности скоростемеров достаточно высокие и для ее поддержания входящие в устройство аналоговые узлы и компоненты требуют периодической проверки и корректировки. Перечисленные операции поверки, а также ремонт, как правило, выполняются в специализированных мастерских на специальных стендах с участием подготовленных специалистов, в том числе, по технике СВЧ.

Таким образом, скоростемер РИС-В3М и его модификации [11-18] имеют высокую трудоемкость и стоимость при производстве вследствие сложности и являются затратными в условиях эксплуатации на сортировочных горках из-за низкой надежности и наличия аналоговых блоков и узлов в своем составе.

Еще одним недостатком известных устройств-аналогов является низкая эффективность использования как самих скоростемеров, так и входящих в них блоков и узлов. Время, в течение которого производится измерение скорости, составляет в среднем порядка 15 секунд на вагон. Если перерабатывающая способность горки равна тысяч вагонов в сутки, то общее производительное время, ушедшее на измерения, равно . При оснащении сортировочной горки скоростемерами в количестве их общее время наработки за сутки равно . Отношение - коэффициент, характеризующий эффективность использования скоростемеров:

.

Например, для горки большой мощности при числе тысяч вагонов в сутки и использовании скоростемеров получим эффективность . Это означает, что 98,13% времени скоростемеры бездействуют, потребляя электроэнергию и вырабатывая свой ресурс.

Одним из путей повышения эффективности и устранения отмеченных выше недостатков является сокращение количества блоков и узлов скоростемеров, функции которых может выполнить меньшее их число. Именно такая идея предложена в устройстве, принятом нами в качестве прототипа, которое заявлено в авторском свидетельстве SU265170A, опубл. 09.03.1970, бюл. 10, МПК B61L3/12, «Устройство для измерения скорости движения отцепов на автоматизированной сортировочной горке», [21].

Устройство-прототип для измерения скорости движения отцепов на автоматизированной сортировочной горке, содержит (см. фиг. 1, [21]) блок сверхвысокочастотных (СВЧ) колебаний, матричный переключатель, измерительные преобразователи и множество локационных датчиков скорости (ЛДС). Блок СВЧ колебаний, устанавливаемый на пути, содержит общий для всех ЛДС СВЧ-генератор, соединенный с множеством ЛДС волноводной линией передачи. Матричный переключатель, размещаемый в стационарном помещении, своими входами подключен к выходам усилителей сигналов доплеровской частоты ЛДС, а выходами - к измерительным преобразователям, число которых соответствует максимальному числу отцепов, одновременно находящихся на тормозных позициях. Каждый ЛДС, устанавливаемый на тормозных позициях, содержит щелевой мост, приемную и передающую антенны, детекторную секцию и усилитель сигналов доплеровской частоты. При этом к входу первого плеча щелевого моста подключена волноводная линия, к выходу первого плеча моста подключена передающая антенна, к входу второго плеча моста подключена приемная антенна, а к выходу второго плеча моста подключено последовательное соединение детекторной секции и усилителя сигналов доплеровской частоты соответственно.

Однако устройство-прототип для измерения скорости движения отцепов на автоматизированной сортировочной горке имеет существенные недостатки, состоящие в следующем.

Связь СВЧ-генератора с ЛДС выполнена с использованием протяженных волноводных линий передачи, проходящих под сортировочными путями. При прохождении отцепов по этим путям на волноводную линию неизбежно воздействуют вибрации и шумы, которые, в свою очередь, вызывают амплитудно-фазовую модуляцию СВЧ излучения и являются причиной формирования на выходе детекторной секции ЛДС помех. Эти помехи могут нарушать нормальную работу измерительных преобразователей и ограничивать дальность действия ЛДС (см. стр. 393-396, [22]). Кроме того, при передаче излучения СВЧ-генератора по волноводным линиям неизбежны потери мощности как в линиях передачи, так и в местах сочленения волноводов, что снижает потенциал приемопередатчиков и общий КПД системы. Потери в обычных волноводах прямоугольного сечения, выполненных из латуни, например, в 8-мм диапазоне составляют от 0,8 дБ/м и выше в зависимости от их качества (см. стр. 429, [23]).

Кроме того, волноводы имеют высокую стоимость, подвержены коррозии, особенно в условиях агрессивной среды сортировочной горки, что сокращает их срок службы, и требуют периодического обслуживания. Наличие поблизости волноводных линий рельсовых цепей с блуждающими токами способствует не только ускорению коррозии, но и является причиной возникновения в цепях устройства электромагнитных помех, которые могут нарушать нормальную работу измерительных преобразователей и быть причиной выхода из строя некоторых узлов и блоков.

На точность измерения скорости отцепов, как видно из выражения (1), влияют не только погрешности измерительного преобразователя и определения угла установки ЛДС относительно пути, но и нестабильность частоты СВЧ-генератора. Поэтому для уменьшения последней из указанных составляющих погрешности необходимо принятие мер по стабилизации частоты СВЧ-генератора. Нахождение СВЧ-генератора на путях, как это указано в прототипе, создает проблему стабилизации частоты в широком диапазоне температур (от минус 50 до плюс 50°) и его обслуживания, что также относится к недостаткам устройства-прототипа. Кроме того, его недостатком является сложность, громоздкость и высокая стоимость локационных датчиков скорости, содержащих большое число СВЧ узлов, включая две антенны.

Недостатком прототипа является также использование сложных аналоговых измерительных преобразователей «доплеровская частота-напряжение». Они также подвержены температурным и временным уходам параметров и характеристик, что являются причиной погрешности измерения скорости отцепов. При этом для получения бесперебойной информации о параметрах движения отцепов требуется достаточно большое количество преобразователей, дополнительно усложняющих аппаратную часть устройства и увеличивающих трудозатраты на изготовление и их обслуживание.

Таким образом, техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в необходимости повышения надежности, помехозащищенности и эффективности скоростемера, а также упрощения конструкции и снижения его стоимости при изготовлении и затрат на обслуживание при сохранении функциональных возможностей прототипа.

Для решения указанной проблемы предложена радиофотонная система локационного определения скорости отцепов на сортировочной горке, состоящая из находящихся в аппаратурном боксе блока многоканальной обработки сигналов, радиофотонного источника СВЧ с выходом излучения на каналов, а также множества из радиофотонных локаторов, устанавливаемых на тормозных позициях, при этом радиофотонный источник СВЧ с выходом излучения на каналов содержит полупроводниковый лазерный модуль, подключенный к входу электрооптического модулятора, к управляющему входу которого подключен СВЧ-генератор, а выход электрооптического модулятора подключен к входу делителя оптического излучения на каналов, выходы которых посредством -канальной волоконно-оптической линии передачи связаны с оптическими входами множества из радиофотонных локаторов, сигнальные выходы которых посредством -канальной витой пары передачи доплеровских сигналов подключены к сигнальным входам блока многоканальной обработки сигналов, при этом каждый радиофотонный локатор содержит фотодетекторный модуль, антенну, блок выделения автодинного сигнала и усилитель сигналов доплеровской частоты с парафазными выходами, причем оптический вход радиофотонного локатора подключен к входу фотодетекторного модуля, его выход подключен к антенне, а в цепь смещения фотодетекторного модуля подключен блок выделения автодинного сигнала, к выходу которого подключен усилитель сигналов доплеровской частоты с парафазными выходами, которые подключены к сигнальному выходу радиофотонного локатора, при этом блок многоканальной обработки сигналов содержит цифровой сигнальный процессор и множество из линейных приемников доплеровских сигналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные дифференциальный усилитель и аналого-цифровой преобразователь, при этом выходы аналого-цифровых преобразователей соответственно подключены к сигнальным входам цифрового сигнального процессора, а входы дифференциальных усилителей являются сигнальными входами блока многоканальной обработки сигналов.

В результате поиска информации в источниках, связанных с применением радиолокационных систем на сортировочных горках ЖД транспорта, факта использования предлагаемых технических решений не обнаружено (см., например, литературу: [1,2,20,24]). В литературе по радиолокации также не найдены источники информации, раскрывающие сущность предлагаемого изобретения (см., например, литературу: [25,26]). На основании изложенного можно утверждать, что предлагаемое техническое решение обладает существенными отличиями от прототипа и соответствует критерию «Новизна».

Из анализа уровня техники следует, что предлагаемое техническое решение можно рассматривать на соответствие изобретательскому уровню в части выполнения радиофотонного локатора.

Известно из общедоступной литературы применение фотодетекторного модуля в качестве приемника волоконно-оптических линий передачи, «извлекающего» из модулированного лазерного излучения СВЧ поднесущую, которая содержит информационный сигнал (см. рис. 1, [27]). По отношению к потребителю СВЧ поднесущей фотодетекторный модуль является передающим устройством СВЧ. В качестве передатчика этот модуль широко используется в активных фазированных антенных решетках (АФАР) современных радиолокаторов [28-33]. С появлением фотодетекторных модулей высокой мощности [34,35], они стали использоваться в качестве самостоятельного передатчика, который при совмещении с антенной получил новый «статус» - «фотонная антенна». Радиосигнал к этой «антенне» подается по оптическому волокну (см. рис. 3, [36]), при этом излучение антенны находится в СВЧ диапазоне. Вследствие односторонней природы явления оптоэлектронного преобразования в фотодетекторных модулях «фотонная антенна» известна только как передающая [36].

Применение фотодетекторного модуля одновременно в качестве передатчика зондирующих и приемника отраженных радиосигналов, возвращающихся от объекта локации на СВЧ выход модуля через антенну, в литературе не описано. Оно для специалиста явным образом не следует из уровня техники. Устройства такого рода, совмещающие эти две функции, известны как автодины, а принцип их действия основан на автодинном эффекте. Этот эффект на сегодня ассоциирован только с автогенераторами [37].

Ниже показано, что в фотодетекторных модулях также проявляется автодинный эффект, который вызывает изменения тока смещения фотодиода при воздействии радиосигнала, отраженного от объекта локации. Регистрация этих изменений посредством блока выделения автодинного сигнала [3], подключенного в цепь смещения модуля, обеспечивает получение доплеровского сигнала сразу в цепи его смещения без использования дополнительных СВЧ элементов: циркуляторов, смесителей, делителей мощности и развязывающих мостов. Это значительно упрощает конструкцию и снижает стоимость приемопередатчика, а также радиофотонного локатора и, в конечном счете, предлагаемой системы локации в целом.

Таким образом, предлагаемое изобретение, основанное на дополнении известного средства (фотодетекторного модуля) известной частью (блока выделения автодинного сигнала, используемого обычно в автодинах, выполненных на основе автогенераторов), обеспечивает достижение неожиданного для такого дополнения технического результата (прием и преобразование отраженного радиосигнала в доплеровский сигнал, упрощение конструкции и снижение стоимости устройства), обусловленного взаимосвязью дополняемой части и известного средства.

На основании изложенного и согласно ПП.75 и 78 «Правил составления, подачи и рассмотрения…» предлагаемое изобретение соответствует критерию «Изобретательский уровень».

Изобретение направлено на удовлетворение потребностей улучшения параметров и характеристик средств измерения скорости движения отцепов, что необходимо для повышения качества систем управления замедлителями на спускной части сортировочной горки. Этим достигается, в конечном счете, увеличение перерабатывающей способности и уменьшение потенциальных убытков от схода вагонов при отказе напольного оборудования. Поэтому такая система востребована на сети РЖД и может выпускаться промышленностью. Таким образом, заявляемое изобретение соответствует критерию «Промышленная применимость».

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена структурная схема радиофотонной системы локационного определения параметров движения отцепов на сортировочной горке, на фиг. 2 - структурная схема выполнения радиофотонного локатора, а на фиг. 3 - функциональная схема фотодетекторного модуля, поясняющая его устройство и принцип подключения блока выделения автодинного сигнала в цепь смещения: 1 - фотодетекторный модуль; 2 - блок выделения автодинного сигнала; 3 - фотодиод; 4 - копланарная линия; 5 - оптический соединитель; 6 - отрезок оптоволокна; 7 - СВЧ соединитель.

Радиофотонная система локационного определения параметров движения отцепов на сортировочной горке содержит (см. фиг. 1) блок многоканальной обработки сигналов БМОС, радиофотонный источник РФГ-СВЧ с выходом оптического излучения на каналов, -канальную волоконно-оптическую линию передачи ВОЛП, -канальную витую пару передачи доплеровского сигнала ВППДС и множество из радиофотонных локаторов РФЛ-1, … РФЛ-N. При этом радиофотонный источник РФГ-СВЧ содержит полупроводниковый лазерный модуль ПЛМ, подключенный к входу электрооптического модулятора ЭОМ, к управляющему входу которого подключен СВЧ-генератор СВЧ-Г, а выход электрооптического модулятора ЭОМ подключен к входу -канального делителя оптического излучения ДОИ-N. Выходы каналов ДОИ-N посредством -канальной волоконно-оптической линии передачи ВОЛП связаны с соответствующими оптическими входами множества из радиофотонных локаторов РФЛ, сигнальные выходы которых посредством -канальной витой пары передачи доплеровских сигналов ВППДС подключены к соответствующим сигнальным входам блока многоканальной обработки сигналов БМОС.

Радиофотонные локаторы РФЛ устанавливаются на ТП сортировочной горки на высоте вагонной автосцепки, диаграмма направленности ориентируется по диагонали контролируемого участка в соответствие с рекомендациями, изложенными на стр. 116-124 в [20]. Каждый радиофотонный локатор РФЛ содержит (см. фиг. 2) фотодетекторный модуль ФДМ, антенну А, блок выделения автодинного сигнала БВАС и усилитель сигналов доплеровской частоты УСДЧ с парафазными выходами. При этом оптический вход радиофотонного локатора РФЛ подключен к входу фотодетекторного модуля ФДМ, а выход ФДМ подключен к антенне А. В цепь смещения фотодетекторного модуля ФДМ подключен блок выделения автодинного сигнала БВАС, к выходу которого подключен усилитель сигналов доплеровской частоты УСДЧ с парафазными выходами, которые подключены к сигнальному выходу радиофотонного локатора РФЛ.

Блок многоканальной обработки сигналов БМОС содержит цифровой сигнальный процессор ЦСП и множество из линейных приемников, каждый из которых содержит последовательно соединенные дифференциальный усилитель ДУ сигналов доплеровской частоты и аналого-цифровой преобразователь АЦП, выходы последних подключены к соответствующим входам цифрового сигнального процессора ЦСП, а входы дифференциальных усилителей ДУ являются сигнальными входами с первого по -й блока многоканальной обработки сигналов БМОС.

Цифровой сигнальный процессор ЦСП содержит постоянное ПЗУ и оперативное ОЗУ запоминающие устройства, вычислительное ядро, первый ПП-1 и второй ПП-2 универсальные асинхронные приемопередатчики шин передачи данных. Посредством приемопередатчика ПП-1 блок многоканальной обработки сигналов БМОС связан с системой горочной автоматической централизации ГАЦ, отслеживающей отцепы на спускной части горки и управляющей работой замедлителей. Приемопередатчик ПП-2 обеспечивает связь с персональным компьютером ПК, который используется для программирования ЦСП и контроля работоспособности системы при выполнении ремонтных и регламентных работ. Взаимные связи внутри цифрового сигнального процессора ЦСП ввиду их виртуальности показаны на фиг. 1 условно.

Антенна А (см. фиг. 1, 2) радиофотонных локаторов РФЛ может иметь различные варианты исполнения, например, в виде рупорно-линзовой антенны, используемой в скоростемере РИС-В3М (см. стр. 110, 111, рис. 3.26, [20]). Эта антенна представляет собой гладкий конический рупор, в раскрыве которого установлена фокусирующая диэлектрическая линза. Коэффициент усиления антенны более 30 дБ. Ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощности около 6° в обеих плоскостях. Линза выполнена из радиопрозрачного материала - фторопласта-4.

СВЧ-генератор СВЧ-Г, может быть выполнен, например, в виде СВЧ генераторного модуля в объемном или полосковом исполнении на основе транзистора (см. стр. 88, рис. 3.7 книги [38]), на диоде Ганна или лавинно-пролетном диоде в волноводном или полосковом исполнении (см. стр. 194, 195, рис. 4.24 и 4.25, [39]). Частота колебаний СВЧ-генератора СВЧ-Г, например, 37,5 ГГц, может быть стабилизирована синтезатором частоты или при помощи дополнительного высокодобротного резонатора, как в скоростемере РИС-В3М, что не меняет сути предлагаемого изобретения.

Полупроводниковые лазерные модули ПЛМ в готовом виде выпускаются промышленностью и могут быть выполнены на основе InGaAsP/InP лазерного диода с распределенной обратной связью. Для регулировки и стабилизации мощности излучения лазерного модуля обычно применяется плата управления, использующая фотодиод обратной связи, установленный внутри корпуса лазерного диода (см. рис. 7 статьи [40]).

В качестве электрооптического модулятора ЭОМ может использоваться модулятор бегущей волны на основе интегрального интерферометра Маха-Цендера, обладающего на сегодня наилучшими характеристиками по сравнению с иными типами модуляторов. Он выполнен на кристалле ниобата лития (LiNbO3), в котором коэффициенты пропускания плеч интерферометра одинаковые, а коэффициенты деления мощности в Y-разветвителях равны 0,5 (см. раздел 2.2 «Принцип работы электрооптического модулятора Маха-Цендера» статьи: [41]). На подложке устанавливаются управляющие электроды, подача напряжения на которые, создает электрическое поле, изменяющее оптическую длину пути волноводов. Варьирование управляющего напряжения приводит к модуляции интенсивности излучения, проходящего от лазерного модуля ПЛМ на выход электрооптического модулятора ЭОМ.

Каждый из каналов волоконно-оптических линий передачи ВОЛП (см. фиг. 1) представляют собой оптический тракт, выполненный на основе отрезка одномодового оптического волокна (см. стр. 194-198, рис. 91в, [42]). Оптические волокна могут быть объединены в оптический кабель, состоящий из волокон (см. стр. 137-160, [43]).

Каждый из каналов ВППДС представляет собой витую пару изолированных проводников для передачи симметричных дифференциальных сигналов. Объединение пар в общую оболочку образует кабель витых пар. Такая конструкция кабеля помогает уменьшить перекрестные помехи или электромагнитную индукцию между парами проводов. Витая пара - один из компонентов современных структурированных кабельных систем. В настоящее время, благодаря своей дешевизне и легкости в монтаже, является самым распространенным решением для построения локальных сетей. Широкая номенклатура кабелей выпускается промышленностью [43].

Фотодетекторные модули ФДМ в радиофотонных локаторах РФЛ представляют собой узел волоконно-оптической линии передачи СВЧ сигналов, на вход которого подается модулированный по интенсивности оптический сигнал, поступающий по ОВЛП с выхода электрооптического модулятора ЭОМ. Оптический сигнал через оптический соединитель модуля и отрезок оптического волокна поступает на фотодиод Шоттки, который выполнен, например, на основе гетероструктуры InAlAs/InGaAs/InP. Фотодиод Шоттки включен в копланарную линию передачи, согласующую его с радиочастотным соединителем, с которого снимается СВЧ сигнал (см. рис. 2, [36]).

Делитель оптического излучения ДОИ-N позволяет распределить подводимое излучение на требуемое число волоконных каналов и может быть изготовлен из дешевых материалов: стекла, полимеров, оптической керамики. Сплавные биконические делители, основанные на взаимодействии полей сплавляемых волокон, обеспечивают вносимые потери 0,1 дБ в делителе на два канала (см. стр. 475-476, [28]). Они позволяют с высокой точностью регистрировать коэффициент деления непосредственно в процессе сплавления волокон. Два варианта изготовления звездообразного делителя с линейно изменяющимся зазором приведены на рис. 15.15 а и б, стр. 476, [28]. Еще один вариант делителя (см. стр. 477, рис. 15.16, [28]) состоит из оптического интегратора - диэлектрического цилиндра большого диаметра, к равномерно освещенному торцу которого пристыкован волоконный жгут. Такая структура обеспечивает высокую однородность оптической мощности в каждом из каналов. Пример выполнения схемы деления на 64 канала, которая состоит из волоконно-оптического лазерного модуля с внешней модуляцией, волоконно-оптических модулей усиления, в которых используются оптические усилители на волокне легированном эрбием, и 64-х мощных фотодиодных модулей, соединенных с оптическими усилителями одномодовыми волоконно-оптическими кабелями представлен на рис. 6, [36].

Блок многоканальной обработки сигналов БМОС (см. фиг. 1) выполняет одновременно функции обработки доплеровских сигналов с целью получения информации о скорости отцепов, преобразования результатов обработки в цифровой код и обмена цифровыми данными с системой ГАЦ. Основным элементом блока является цифровой сигнальный процессор ЦСП, который может быть реализован на основе микросхемы сигнального процессора, например, типа TMS320F2808 фирмы Texas Instrument [44]. В состав ЦСП входят блоки, выполняющие следующие функции: универсальный асинхронный приемопередатчик шины первого порта ПП-1, который осуществляет обмен информацией с системой ГАЦ посредством интерфейса RS-485; приемопередатчик шины второго последовательного порта ПП-2 для связи с персональным компьютером ПК; постоянное запоминающее устройство ПЗУ, хранящее программу обработки сигналов, управления и константы, необходимые для обработки сигналов; высокоскоростное вычислительное ядро, выполняющее все функции цифровой обработки сигнала (спектральный анализ, цифровую фильтрацию сигнала и формирование выходных данных для передачи в систему ГАЦ и отображения информации в персональном компьютере ПК); оперативное запоминающее устройство ОЗУ, выполняющее функции запоминания текущих значений и результатов отработки сигналов.

Аналого-цифровые преобразователи с АЦП-1 по АЦП-N блока многоканальной обработки сигнала БМОС предназначены для преобразования мгновенных значений доплеровских сигналов в последовательности цифровых данных, поступающих далее на соответствующие сигнальные порты ЦСП. Принципы построения АЦП широко известны, причем промышленностью выпускается обширная номенклатура этих микросхем (см., например, [45]), из которых можно выбрать АЦП с нужными параметрами.

Блок выделения автодинного сигнала БВАС (см. фиг. 2), предназначенный для выделения автодинного сигнала в цепи смещения фотодетекторного модуля ФДМ, по своей сути представляет собой датчик тока, в качестве которого могут использоваться подключенные в цепь смещения фотодетектора резистор, индуктивность или трансформатор тока (см. рис. 14 в статье [3]). Кроме того, для выделения автодинного сигнала могут применяться электронные схемы, выполненные на микросхемах операционных усилителей и транзисторах, предназначенные для высокоэффективного преобразования тока цепи смещения в напряжение при обеспечении стабильности напряжения смещения на фотодиоде (см. рис. 17-20 статьи [3]).

Усилители сигналов доплеровской частоты УСДЧ с парафазными выходами радиофотонных локаторов РФЛ предназначены для усиления и фильтрации сигналов доплеровской частоты, а также преобразования их в симметричные дифференциальные сигналы для согласования с линией передачи в виде витой пары. Микросхемы таких усилителей выпускаются промышленностью, рекомендуемые схемы их применения широко известны, одна из возможных схем усилителя может содержать два последовательно соединенных фильтра нижних и верхних частот, представленных на рис. 7 статьи [46]. Эта же схема может использоваться в блоке многоканальной обработки сигналов БМОС в качестве дифференциального усилителя ДУ и драйвера АЦП, имеющего дифференциальные входы (см. рис. 4, [46]).

В состав радиофотонной системы могут входить дополнительные элементы, не изменяющие суть полезной модели. Например, между первым портом циркулятора Ц и выходом делителя мощности ДМ в радиофотонных локаторах РФЛ (см. фиг. 2) могут быть установлены усилители мощности СВЧ. Оптоволоконные тракты системы могут содержать оптические усилители. Усилитель сигналов доплеровской частоты УСДЧ с парафазными выходами радиофотонных локаторов РФЛ и дифференциальные усилители ДУ блока многоканальной обработки сигнала БМОС могут быть выполнены с элементами фильтрации сигналов доплеровской частоты, ограничивающими полосу пропускания до пределов диапазона доплеровских частот, например, от 105 до 2450 Гц, как в скоростемере РИС-В3М [20].

Радиофотонная система для определения параметров движения отцепов на сортировочной горке работает следующим образом.

После подачи на систему напряжения от источника питания (на фиг. 1 не показан) в цифровом сигнальном процессоре ЦСП блока многоканальной обработки сигналов БМОС вычислительным ядром в соответствие с подпрограммой «Установка» [44] производится сначала настройка периферийных устройств, распределение внутренней памяти, установка значений внутренних переменных, копирование исполняемого кода команд из ПЗУ с низкой производительностью в высокопроизводительное ОЗУ и подача команды «Выборка из АЦП и сохранение результатов в памяти», по которой ЦСП переходит в режим готовности приема оцифрованных сигналов от АЦП с последующим формированием массива данных в памяти ОЗУ.

При подаче на устройство напряжения питания в СВЧ-генераторе СВЧ-Г (см. фиг. 1) возникают колебания СВЧ на частоте , которые поступают на управляющий вход электрооптического модулятора ЭОМ. Одновременно в полупроводниковом лазерном модуле ПЛМ возникает оптическое когерентное излучение, которое поступает на вход электрооптического модулятора ЭОМ. Данное излучение в соответствие с принципом действия электрооптического модулятора (см. раздел 2.2 статьи [41]) под действием управляющего напряжения СВЧ-генератора СВЧ-Г подвергается амплитудной модуляции (АМ). Интенсивность светолучевого потока во времени на выходе электрооптического модулятора ЭОМ описывается следующим выражением:

где

- интенсивность потока излучения при отсутствии модуляции;

- изменяющаяся часть потока;

- коэффициент АМ лучевого потока;

- частота модуляции сигналом СВЧ-генератора;

- начальная фаза модулирующего сигнала.

Выходное излучение (1) электрооптического модулятора ЭОМ, поступающее на вход делителя оптического излучения ДОИ-N, делится на каналов. После его прохождения через -канальную волоконно-оптическую линию передачи ОВЛП излучение поступает на оптические входы радиофотонных локаторов РФЛ.

Поступающее на оптические входы радиофотонных локаторов РФЛ модулированное излучение в фотодетекторном модуле ФДМ преобразуется в электрические колебания СВЧ тока. Эти колебания в виде зондирующего радиосигнала поступают в антенну А и излучаются в контролируемое пространство ТП, определяемое диаграммой направленности антенны А. Выражение для этих колебаний без учета задержка излучения в волоконно-оптической линии передачи ОВЛП имеет вид:

где

- амплитуда зондирующего радиосигнала СВЧ;

- интенсивность потока излучения при отсутствии модуляции;

- интегральная токовая чувствительность фотодетектора (р. 6.7, [47]);

- сопротивление нагрузки фотодетектора;

- коэффициент глубины АМ лучевого потока;

- частота модуляции оптического излучения сигналом СВЧ-генератора;

- начальная фаза модулирующего сигнала.

При наличии в контролируемом пространстве ТП движущегося отцепа часть мощности излучения отражается от его поверхности и возвращается обратно в антенну А, где преобразуется в СВЧ-колебания отраженного радиосигнала, выражение для которого имеет вид:

где

- амплитуда отраженного радиосигнала;

- безразмерный коэффициент ослабления амплитуды излучаемого сигнала по пути распространения до поверхности отцепа и обратно, приведенный к порту антенны А;

- частота Доплера;

- начальный фазовый сдвиг, который определяется положением отцепа в момент времени начала регистрации доплеровского сигнала;

- относительная радиальная скорость движения отцепа относительно радиофотонного локатора РФЛ;

- текущее расстояние от РФЛ до отцепа;

- скорость распространения радиоволн;

- средняя мощность зондирующего радиосигнала;

- минимальная обнаруживаемая (пороговая) мощность отраженного радиосигнала;

- коэффициент усиления антенны А;

- длина волны СВЧ излучения;

- частота СВЧ излучения;

- эффективная площадь рассеяний облучаемой поверхности отцепа;

- начальная фаза колебаний СВЧ-генератора СВЧ-Г.

Колебания отраженного радиосигнала (3) далее поступают через СВЧ соединитель 7 (см. фиг. 3) и компланарную линию 4 на выход фотодиода 3. На выходе этого фотодиода колебания (2) и (3) образуют суперпозицию вида: . При этом выражение для результирующего колебания имеет вид:

где

и - медленно меняющиеся амплитуда и фаза результирующего колебания на выходе фотодиода 3:

- приведенный к порту антенны А коэффициент отражения, характеризующий затухание излучения по амплитуде при его распространении до отцепа и обратно.

Обычно амплитуда отраженного радиосигнала даже при малой дальности до объекта локации более чем на 20 дБ меньше амплитуды зондирующего радиосигнала: . Поэтому и выражения (5) и (6) значительно упрощаются:

где

- изменения амплитуды колебаний, обусловленные воздействием на фотодиод 3 отраженного сигнала.

Необходимо отметить, что изменения фазы (8) пренебрежимо малы () и, кроме того, «теряются» при детектировании автодинного сигнала.

Известно, что фотодиод является существенно нелинейным электрическим элементом (см. стр. 104, [47]), который для воздействующих светолучевого потока , выходных колебаний и отраженного радиосигнала можно считать безынерционным. Ток через нелинейный элемент фотодиода 3 в каждый момент времени определяется мгновенными значениями этих воздействий:

Поскольку , то выражение (9) можно разложить в ряд Тейлора в точке, задаваемой мгновенными значениями и . Учитывая только первые два члена ряда, получим выражение

где индексы «0» около скобок указывают, что соответствующие функции определяются в рабочей точке, задаваемой совместным действием постоянного напряжения смещения на фотодиоде 3 и интенсивностью потока излучения при отсутствии модуляции.

Поскольку функция является периодической, то входящие в правую часть (10) параметры могут быть разложены в ряд Фурье:

где

- постоянная составляющая тока фотодиода 3;

- интегральная токовая чувствительность фотодиода [47];

- выходная проводимость фотодиода 3;

, , - амплитуды -х гармоник указанных величин.

После подстановки первых членов разложений (11)-(13) в (10) и учетом выражений для приращений и получим выражения для СВЧ колебаний на выходной нагрузке фотодиода, а также для переменной составляющей напряжения доплеровского сигнала на выходе блока выделения автодинного сигнала БВАС в виде:

где

- интегральная токовая чувствительность фотодиода [47];

- входное сопротивление нагрузки фотодиода;

- интенсивность светолучевого потока на выходе электрооптического модулятора ЭОМ;

- мгновенное напряжение СВЧ колебаний на выходе ФДМ:

- мгновенное напряжение доплеровского сигнала на выходе БВАС:

- амплитуда СВЧ колебаний;

- амплитуда доплеровского сигнала на выходе блока выделения автодинного сигнала БВАС;

- приведенный к порту антенны А коэффициент отражения, характеризующий затухание излучения по амплитуде при его распространении до отцепа и обратно;

- размерный коэффициент преобразования автодинных изменений тока фотодиода в напряжение;

- интенсивность потока излучения при отсутствии его модуляции;

- коэффициент глубины АМ лучевого потока СВЧ колебаниями;

- частота Доплера;

- начальный фазовый сдвиг доплеровского сигнала;

- частота модуляции лазерного излучения сигналом СВЧ-генератора;

- начальная фаза модулирующего сигнала СВЧ-генератора;

- мгновенные значения шумов на выходе блока выделения автодинного сигнала БВАС, обусловленные шумами полупроводникового лазерного модуля ПЛМ и СВЧ-генератора СВЧ-Г.

Здесь выражение (15) характеризует процесс детектирования (1) амплитудно-модулированного оптического излучения, а (16) - процесс, так называемого, «автодетектирования» автодинного сигнала [7].

С выхода блока выделения автодинного сигнала БВАС сигнал вместе с шумом после прохождения через усилитель сигналов доплеровской частоты УСДЧ с парафазными выходами усиленного сигнала, а также через сигнальный выход радиофотонного локатора РФЛ, передаются по соответствующему каналу -канальной витой пары передачи доплеровского сигнала ВППДС на соответствующий сигнальный вход блока многоканальной обработки сигналов БМОС.

Дифференциальный усилитель ДУ принятый с витой пары парафазный сигнал (16) вместе с шумовой составляющей преобразует в униполярный, усиливает и подает на сигнальный вход АЦП. В АЦП сначала выполняется операция дискретизации сигнала по времени с частотой выборки , причем , где - частота доплеровского сигнала при максимальной ожидаемой скорости отцепа. Затем во время действия очередных тактовых импульсов в АЦП происходит выборка и запоминание мгновенных значений сигнала (16) в виде импульсов, амплитуда которых равна мгновенным значениям смеси сигнала и шума. Уровни этих импульсов далее в АЦП преобразуются в цифровые значения, которые в виде параллельного кода через сигнальный порт ЦСП многоканального блока обработки сигналов МБОС поступают в ОЗУ ЦСП в качестве массива данных, полученных для принятого сигнала -го отсчета:

где - цифровые отсчеты мгновенных значений доплеровского сигнала, полученные от -го тактового импульса.

Шумовая составляющая в результате дискретизации и оцифровки мгновенных значений отсчетов вследствие эргодичности процессов в среднем по реализациям отсчетов сохраняет свое среднеквадратическое значение уровня шума. Значение этого уровня может быть рассчитано или измерено экспериментально при отсутствии отцепа в поле излучения антенны А и учтено в программе работы ЦСП.

По полученным значениям массива данных (17), используя достаточное множество отсчетов по , вычислительным ядром ЦСП выполняется операция быстрого преобразования Фурье (БПФ) по алгоритму, например, «Radix2» с применением оконной функции Хеннинга, при этом для доплеровского сигнала находится спектр [48]. Для этого спектра вычислительным ядром ЦСП определяется текущее значение амплитуды и частоты первой гармоники доплеровского сигнала, полученного от отцепа.

Далее для полученных отсчетов амплитуды вычислительным ядром ЦСП определяются текущие значения отношений сигнал-шум , где - среднеквадратическое значение уровня шумов на выходе модуля ФДМ, хранящееся в ПЗУ ЦСП как константа. Полученные значения отношений сигнал-шум вычислительным ядром ЦСП сравниваются с хранящимся в ПЗУ ЦСП пороговым значением отношения сигнал-шум . Данная операция в радиолокации называется решением задачи обнаружения сигнала от объекта локации. В случае выполнения неравенства эта операция означает наличие отцепа на контролируемом участке ТП. При этом значениям частоты первой гармоники после обнаружения наличия отцепа вычислительным ядром ЦСП присваиваются номера для последующих отсчетов. При этом множество значений частот для обнаруженного отцепа на контролируемом участке ТП заносятся в память ОЗУ ЦСП в виде массива данных:

где

- частота спектра доплеровского сигнала, полученная от -го отсчета движущегося отцепа (здесь ).

По полученным значениям доплеровских частот (18) с учетом значений констант и , хранящихся в памяти ОЗУ ЦСП, вычислительным ядром ЦСП рассчитывается путевая скорость движения для -го отсчета контролируемого отцепа, по следующей формуле:

где

- путевая скорость движения контролируемого отцепа в момент -го отсчета;

- скорость распространения радиоволн;

- значение круговой доплеровской частоты -го отсчета;

- циклическая частота излучения РФЛ;

- расстояние от места установки РФЛ до точки пересечения оси диаграммы направленности антенны А с центральной линией ЖД пути на контролируемом участке ТП;

- расстояние от места установки РФЛ в междупутье до оси ЖД колеи;

- ширина вагона (см. рис. 3.28, [20]).

Результаты вычисления скорости отцепа вычислительным ядром ЦСП последовательно при изменении номера отсчета сглаживаются, например, применением операции «скользящее среднее» или алгоритма фильтрации Калмана и вносятся в память ОЗУ ЦСП в виде массива данных скорости контролируемого отцепа.

Результаты вычисления текущих значений скорости отцепа, рассчитанные согласно (19) для каждой сглаженной реализации, поступают в память ОЗУ и ПЗУ ЦСП, а также передаются через шинный приемопередатчик ПП-1 ЦСП в компьютер системы ГАЦ. Системой ГАЦ производится управление замедлителями, контроль текущего положения отцепов, передача команд радиофотонной системе о появлении отцепов в зоне контроля соответствующего радиофотонного локатора РФЛ, отображение информации о движении отцепов и их расположении на сортировочной горке, а также документирование процесса роспуска.

При работе радиофотонной системы из-за флуктуаций отраженного от отцепов радиосигналов, вызванных интерференцией волн от отдельных «блестящих» точек отцепов, которые вызывают замирания и пропадания отраженного сигнала, возможна кратковременная потеря информации об отцепе. Для исключения этого явления при пропаданиях доплеровского сигнала цифровой сигнальный процессор ЦСП переходит в режим памяти предыдущего значения до тех пор, пока не произойдет новое обнаружение сигнала (но не более двух секунд [20]).

Применение в предлагаемом устройстве волоконно-оптических линий передачи ВОЛП, которые на сегодня обладают наилучшими параметрами и характеристиками по величине погонных потерь, увеличило КПД линии передачи излучения от СВЧ-генератора к локационным датчикам. Например, потери ВОЛП, выполненной из кварца, при длине волны мкм, составляют 0,36 дБ/км (см. стр. 231, [49]), а в волноводной линии передачи, как отмечалось выше, в 8-мм диапазоне в лучшем случае 0,8 дБ/м [23]. Частотный диапазон для комплектующих ВОЛП к настоящему времени превышает 100 ГГц. Поэтому использование частоты излучения скоростемера РИС-В3М 37,5 ГГц в радиофотонных локаторах РФЛ предлагаемой системы вполне возможно.

Волоконные линии изготовлены из диэлектрика, поэтому они устойчивы к действию электромагнитных наводок и помех. Оптическое волокно не подвержено коррозии и разрушению в агрессивной среде сортировочной станции. Вибрационные воздействия на оптический кабель не вызывают изменения фазы передаваемых СВЧ колебаний, и, тем самым, не создают помехи в каналах сигналов доплеровской частоты. Кроме того, оптические линии передачи массово выпускаются промышленностью и имеют низкую стоимость. Срок службы волоконных линий передачи более 25 лет, в чем по сравнению с волноводными линиями передачи из металлических труб они имеют дополнительное преимущество.

Цифровая обработка доплеровских сигналов в предлагаемом устройстве без использования аналоговой операции преобразования «доплеровская частота-напряжение» позволяет исключить погрешность, обусловленную температурной и временной нестабильностью параметров измерительных преобразователей. Использование вместо матричного переключающего устройства и нескольких измерительных преобразователей в устройстве-прототипе одного блока многоканальной обработки в предлагаемой системе обеспечивает упрощение конструкции и снижение трудозатрат на их изготовление и обслуживание. Этим достигается также повышение эффективности использования локационной системы на сортировочной горке.

Нахождение СВЧ-генератора не на путях, а в боксе или стойке кроссового помещения центрального поста, в котором есть возможность создать нормальные условия эксплуатации аппаратуры, облегчает стабилизацию его частоты, что способствует повышению точности определения скорости отцепов. Такое размещение аппаратуры способствует улучшению качества обслуживания блоков и узлов системы, что также относится к достоинствам предлагаемого устройства. Кроме того, его достоинством является существенное упрощение конструкции, уменьшение габаритных размеров и стоимости локационных датчиков благодаря использованию в качестве приемопередатчика лишь одного фотодетекторного модуля и одной антенны.

Таким образом, заявляемое изобретение обеспечивает повышение надежности, помехозащищенности и эффективности системы определения скорости отцепов, а также упрощение конструкции и снижение ее стоимости при изготовлении и затрат на обслуживание при сохранении функциональных возможностей прототипа.

Литература

Проектирование сортировочных устройств: учеб. пособие / Под ред. Е.Э. Червотенко. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2014. - 75 с.

Григорин-Рябов В.В., Вериго В.М., Шелухин О.И., Шелухин В.И. Радиотехнические железнодорожные устройства. - М.: Транспорт, 1986. - 161 с.

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.

Носков В.Я., Игнатков К.А. Применение стабилизированного двухдиодного автодина в радиолокационном датчике для сортировочных горок // 22-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2012). Севастополь, 2012. С. 893-896.

Патент US3710385A, опубл. 09.01.1973. Vehicle initial speed and stopping distance indicator / Howard et al.

Ермак Г.П., Варавин А.В., Попов И.В. и др. Радиолокационный датчик контроля наличия и скорости подвижного состава на территориях сортировочных горок // Наука и инновации. 2009. Т. 5. № 5. С. 9-16. (укр) Интернет: http://dspace.nbuv.gov.ua/xmlui/handle/123456789/27893.

Носков В.Я., Смольский С.М., Игнатков К.А. и др. Современные гибридно-интегральные автодинные генераторы микроволнового и миллиметрового диапазонов и их применение. Часть 10. Основы анализа и расчета параметров автодинов с учетом шумов // Успехи современной радиоэлектроники. 2018. № 3. С. 18-52.

Уманский Г.М. Электронный измеритель скорости ЭС-ЦНИИ // Автоматика, телемеханика и связь. 1962. № 5. С. 13-19.

Авт. свид. SU305414A, опубл. 04.06.1971, бюл. 18. МПК G01P3/42. Радиолокационный измеритель скорости движения вагонов / Ю.В. Ваванов и др.

Патент DE2126663A, опубл. 07.12.1971. МПК B61K7/12, G01S9/44, G01S13/583(EP). Verfahren zum Ermitteln der Geschwindigkeit von Fahrzeugen / Grafinger

Шелухин В.И. Датчики измерения и контроля устройств железнодорожного транспорта. - М.: Транспорт, 1990. - 119 с.

Ваванов Ю.В., Вериго А.М., Дагаева Н.Х. и др. Радиолокационный измеритель скорости движения отцепов для сортировочных горок // Автоматика, телемеханика и связь. 1977. № 9. С. 3-5.

Патент US4172256A, опубл. 23.10.1979. МПК G01S13/92 (EP), G01S9/44. Circuit for speed measurement of vehicles according to the Doppler-radar principle / Pacozzi.

Радиолокационный измеритель скорости железнодорожных вагонов на сортировочной горке / Ю.Н. Кузнецов, Л.Ф. Михайлов, В.А. Парилов и др. // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. 1982. № 7. С. 56-58.

Вериго А.М., Ваванов Ю.В., Тенн Ф.А. и др. Радиолокационный измеритель скорости движения вагонов // Автоматика, телемеханика и связь. 1983. № 3. С. 7-9.

Шелухин В.И., Колесниченко Н.Н., Пыжьянов В.Г. Модифицированный радиолокационный измеритель скорости отцепов // Автоматика, телемеханика и связь. 1988. № 8. С. 8-10.

Шелухин В.И., Шелухин О.И. Многофункциональный горочный датчик параметров движения // Автоматика, телемеханика и связь. 1991. № 4. С. 10-14.

Патент RU2003543С1, опубл. 30.11.1993, бюл. 43-44. МПК B61L17/00. Устройство для измерения параметров движения отцепов на сортировочной горке / В.И. Шелухин и др.

Патент RU2229404С2, опубл. 27.05.2004, бюл. 15. МПК B61L17/00. Способ измерения скорости движения отцепов на сортировочной горке и устройство, его реализующее / П.В. Чернов и др.

Шелухин В.И. Автоматизация и механизация сортировочных горок: Учебник для техникумов и колледжей ж.-д. транспорта. - М.: Маршрут, 2005. - 240 с.

Авт. свид. SU265170A, опубл. 09.03.1970, бюл. 10. МПК B61L3/12. Устройство для измерения скорости движения отцепов на автоматизированной сортировочной горке / Ю.В. Ваванов и др.

Радиолокационные устройства (теория и принципы построения) / Под ред. Григорина-Рябова В.В. - М.: Советское радио, 1970. - 680 с.

Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. - М.: Высшая школа, 1970. - 440 с.

Марюхненко В.С. Радиолокационные системы на железнодорожном транспорте. Перспективы применения. - Иркутск: ИрГУПС, 2017. - 146 с.

Справочник по радиолокации / Под ред. М.И. Сколника. В 2 книгах. Книга 1. Москва: Техносфера, 2014.

Костенко А.А., Хлопов Г.И. Когерентные системы ближней и сверхближней радиолокации миллиметрового диапазона. - Харьков: ИПЦ «Контраст», 2015. - 352 с.

Бахрах Л.Д., Зайцев Д.Ф. Фазированные антенные решетки на основе распределенных оптических антенных модулей // Доклады академии наук. - 2004. Т. 394. № 4. С. 465-468.

Активные фазированные антенные решетки / Под ред. Д.И. Воскресенского и А.И. Канащенкова. - М.: Радиотехника, 2004. - 488 с.

Патент RU2298810С2, опубл. 10.05.2007, бюл. 13. МПК G01S13/66. Приемо-передающий оптоэлектронный модуль АФАР / Д.Ф. Зайцев.

Белкин М.Е., Сигов А.С. Новое направление фотоники - сверхвысокочастотная оптоэлектроника. Радиотехника и электроника. 2009. Т. 54. № 8. С. 901-914.

Зайцев Д.Ф. Нанофотоника и ее применение. - М.: Фирма «АКТИОН», 2011. - 427.

Шулунов А.Н. Применение радиофотоники в радиолокации. Материалы Междунар. Крымской конф. «КрыМиКо-2014». Севастополь, 2014. С. 2-5.

Митяшев М.Б. К реализации технологий радиофотоники в АФАР радио-локационных комплексов. Вестник СибГУТИ. 2015. № 2. с. 178−190.

Винокуров Д.А., Зорина С.А., Тарасов И.С. и др. Мощные полупроводниковые лазеры на основе асимметричных гетероструктур раздельного ограничения // Физика и техника полупроводников. 2005. Т. 39. № 3. С. 388-393.

Чиж А.Л., Микитчук К.Б., Журавлев К.С. и др. Мощные высокоскоростные фотодиоды Шоттки для аналоговых волоконно-оптических линий передачи СВЧ-сигналов // Письма в ЖТФ, 2019, том 45, вып. 14. С. 52-54.

Малышев С.А., Чиж А.Л., Микитчук К.Б. Волоконно-оптические лазерные и фотодиодные модули СВЧ-диапазона и системы радиофотоники на их основе // Материалы 4-й Всероссийской конференции «Электроника и микроэлектроника СВЧ», Санкт-Петербург, Россия, 2015. С. 10-18.

Носков В.Я., Смольский С.М. Сто лет автодину: исторический очерк основных этапов и направлений развития автодинных систем. Радиотехника. 2013. № 8. С. 91-101

Баранов А.В., Кревский М.А. Транзисторные генераторы гармонических СВЧ колебаний. - М.: Горячая линия - Телеком, 2021. - 276 с.

Малышев В.А. Бортовые активные устройства сверхвысоких частот. - Л.: Судостроение, 1990, 264 с.

Чиж А.Л., Микитчук К.Б. Волоконно-оптическая система распределения сигнала СВЧ-гетеродина для активных фазированных антенных решеток. Журнал радиоэлектроники. ISSN 1684-1719. 2023. № 2. 17 с.

Щербаков В.В., Солодков А.Ф., Задерновский А.А. Генерация оптических сигналов, устойчивых к дисперсионной деградации мощности // Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии. 2019. Т. 11. № 2. С. 161-176.

Самохвалов М.К. Элементы и устройства оптоэлектроники. - Ульяновск: УлГТУ, 2015. - 223 с.

Скляров О.К. Волоконно-оптические сети и системы связи. - М.: СОЛОН-Пресс, 2016. - 272 с.

Руководство пользователя: Семейство микроконтроллеров MSP430Х1ХХ. Пер. с англ. - М.: ЗАО «Компэл», 2004. - 368 с.

Лебедев О.Н., Марцинкявичюс А.-Й.К., Багданскис Э.-А.К. и др. Микросхемы памяти, ЦАП и АЦП: Справочник. - М.: КУбК, 1996. 384 с.

Волович Г. Полностью дифференциальные операционные усилители. Современная электроника. 2008. № 5. С. 16-19.

Гречишников В.М. Схемотехника волоконно-оптических устройств: учеб. пособие. - Самара: Изд-во Самарского университета, 2018. - 172 с.

Носков В.Я., Богатырев Е.В., Игнатков К.А., Черных О.А., Шайдуров К.Д. Метод повышения помехоустойчивости радиолокационных датчиков с переключением частоты. Ural Radio Engineering Journal. 2021. Т. 5. № 3. С. 284-304.

Кауфман М., Сидман А.Г. Практическое руководство по расчетам схем в электронике: Справочник. Том 2. - М.: Энергоатомиздат, 1993. - 288 с.

Claims (1)

1. Радиофотонная система локационного определения скорости отцепов на сортировочной горке, содержащая блок сверхвысокочастотных (СВЧ) колебаний, блок многоканальной обработки сигналов (БМОС), множество из устанавливаемых на тормозных позициях локационных датчиков скорости (ЛДС), при этом блок СВЧ-колебаний включает в себя СВЧ-генератор, каждый из ЛДС включает в себя антенну, а блок СВЧ-колебаний связан посредством первой многоканальной линии передачи с входами ЛДС, сигнальные выходы которых посредством второй многоканальной линии передачи связаны с сигнальными входами БМОС, отличающаяся тем, что в блок СВЧ-колебаний дополнительно введены полупроводниковый лазерный модуль, электрооптический модулятор и делитель оптического излучения на каналов, причем полупроводниковый лазерный модуль подключен к входу электрооптического модулятора, к управляющему входу которого подключен СВЧ-генератор, а выход электрооптического модулятора подключен к входу делителя оптического излучения на каналов, при этом каждый ЛДС содержит фотодетекторный модуль, антенну, блок выделения автодинного сигнала и усилитель сигналов доплеровской частоты с парафазными выходами, причем вход ЛДС подключен к фотодетекторному модулю, который подключен к антенне, а также к блоку выделения автодинного сигнала, к выходу которого подключен усилитель сигналов доплеровской частоты с парафазными выходами, которые подключены к сигнальному выходу ЛДС, БМОС содержит цифровой сигнальный процессор (ЦСП) и множество из линейных приемников сигналов, причем каждый из линейных приемников содержит последовательно соединенные дифференциальный усилитель и аналого-цифровой преобразователь, при этом выходы аналого-цифровых преобразователей соответственно подключены к сигнальным входам ЦСП, а входы дифференциальных усилителей являются сигнальными входами БМОС, при этом первая многоканальная линия передачи выполнена в виде -канальной волоконно-оптической линии передачи, вторая многоканальная линия передачи выполнена в виде -канальной витой пары передачи доплеровских сигналов, а блоки СВЧ-колебаний и БМОС помещены в аппаратный бокс.