[发明专利]基于雷达近场回波功率谱特征的机车速度测量系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于雷达近场测量技术领域，具体的说是一种机车速度测量方法，用于在 复杂的机车电磁环境、不同的铁路路基环境、雷达天线波束较宽和天线波束方向存在 误差等不利条件下，稳定并精确的实现对机车速度的测量。

背景技术

目前，在我国的铁路系统中，机车速度的测量主要是依靠光电传感器，这种光电 测速设备是通过测量机车车轮或者一个刚性轴的转数来获得机车的速度值。光电传感 器的原理简单，容易实现，但是这种测速方法在车轮打滑、空转、以及车轮直径因磨 损而发生改变的情况下都会出现一定的系统偏差，不能满足高精度和高可靠性的要 求。另外，由于磁悬浮列车没有车轮，因此，传统的光电测速设备无法测量磁悬浮机 车的速度。正是由于这个问题的存在，采用雷达微波传感技术以非接触方式对机车速 度进行测量成为了一种较好的选择。

多普勒测速雷达是雷达微波传感技术的应用之一，它利用微波相对于路基运动时 所产生的多普勒效应对机车进行测速，具有所必要的抗恶劣环境的性能，又由于在不 同环境下电磁波的传播速度几乎不变，使得这种方法具有高的精确度和稳定性。

德国的型号为DRS05的机车测速雷达就是利用电磁波相对于路基运动时产生的多 普勒效应对机车进行测速的。该雷达考虑到单天线测速容易受到路基函数的影响，从 而采用了图1所示的单端双天线结构，使用双天线的波束交点K作为速度的估计值。 如图1所示，在理想情况下，两个天线频谱的交点很清晰，位置是稳定的，此时，无 论用最大值、还是用交点来估算速度都是无偏的。但在实际情况下，两个天线的频谱 曲线会发生类似图中阴影部分那样的变化，包络的最大值向左移动，且有很大起伏， 此时，用最大值方法估计的速度就偏小。不过，从统计的角度看，可认为两个天线波 束经历了同样的路基函数起伏，由于当两个天线同时扫过同一路基函数时，两个天线 回波功率谱的交点K不会像最大值那样左右漂移，它与理想交点一致，如图1所示。 DRS05雷达就是基于路基函数并不影响交点K的位置这一特征来测速的，该技术的最 大的好处就是剔除了路基函数的影响，因而测速精度比单天线的高。但是，由于对交 点K的精确估计难度比较大，DRS05雷达的测速精度虽然有所提高，但测速误差还是 比较大。

虽然理论上多普勒测速雷达能够克服传统方式的缺点，稳定可靠，并能提供精确 的测量精度，但实际上由于受机车电磁环境、地理环境、雷达天线波束宽度和雷达天 线安装角度误差等因素的影响，多普勒机车测速雷达测量的机车速度精度不高且容易 受到雷达本身安装误差的影响，同时，也不能有效地克服不同路基环境引起的测速误 差。

发明内容

本发明的目的在于克服上述多普勒测速雷达测量机车速度的不足，提出了一种基 于雷达近场回波功率谱特征的机车速度测量系统及方法，以避免雷达测速精度容易受 到机车电磁环境、不同路基环境、波束天线宽度和雷达天线安装角度误差诸多因素的 影响，提高测量精度。

为实现上述目的，本发明的测量系统，包括

选择采样率模块，用于选择采样率，以保证测量速度值的相对误差满足机车测速 要求，并将所选的采样率数据送给频谱重心法预估计速度模块；

频谱重心法预估速度模块，用于预估计雷达的两个天线各自的回波功率频谱重心 位置对应的机车速度，并将两个天线对应的预估计速度送入速度校正模块；

速度校正模块，用于对两个天线对应的预估计速度进行校正，得到单个天线对机 车速度的无偏估计，并将两个天线各自校正后的速度送入抗天线波束角度误差模块；

抗天线波束角度误差模块，用于对雷达的两个天线波束中心的角度偏差带来的测 速误差进行校正，实现对机车速度的无偏测量，得到最终的速度测量结果。

为了实现上述目的，本发明的测量方法如下：

(1)选择采样率为最大采样率的十分之一进行采样，对采样数据进行FFT运算， 分别得到前天线和后天线的回波功率频谱；

(2)利用下式分别计算前后天线的回波功率包络对应的频谱区域内的重心，