[实用新型]基于变采样频率搜索方法的雷达测速装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种基于变采样频率搜索方法的雷达测速装置，尤其是涉及 一种轨道交通中用于计算机车速度的设备。

背景技术

轨道交通测速通用的方法有测速电机、脉冲转速传感器、GPS定位测速和雷 达测速等。前三种方法相对简单，但存在精度较低、可靠性较差、有些山区和隧 道会产生信号盲区等不足。雷达测速是一种独特的非接触式测量方法，非常适合 高速列车的速度测量，其通过向地面发射电磁波，根据多普勒效应原理，测量发 射波和反射波之间的频差来计算出机车的运行速度。雷达测速方式在机车运行监 测方面，少数国家已进行了有益的尝试，但由于天线杂波区较大，而且轨道地面 的急剧变化导致回波多普勒频谱产生剧烈变化。所以，精确提取主波束回波多普 勒频率技术复杂，实时处理难度大，目前还比较缺乏相应的设备。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：提供一种轨道交通用自适应采样雷达测速 装置，以满足轨道交通用测速的需求。

解决上述技术问题的技术方案是：

一种轨道交通用基于变采样频率搜索方法的雷达测速装置，包括用于给主控处理器提供电源的电源模块；用于微波发射和接收的雷达微波模块；用于调整带通滤波器中心频率的频率搜索模块；用于精确提取多普勒信号频率的信号采集与处理模块；雷达微波模块的微波前端天线以一定的倾斜角度θ安装，辐射毫米波照射地面，并同时获取照射面的回波多普勒频率信号；频率搜索模块设计为中心频率可调的带通滤波器，在模拟集成电路中，小而精确的电阻集成比电容要困难和昂贵的多，并且中心频率不易调节，本设计采用开关电容集成模块LTC1064来实现，通过改变输入时钟频率来改变滤波器的中心频率f₀，在测频范围内进行频率搜索和粗测，并为后续处理任务起到抗频率混叠和降噪的作用，后端选用的频谱分析算法要能在整个频率范围内进行有效的频谱估计，得到很高的频率分辨率，如果在系统的整个多普勒频率范围内采用恒定的采样频率，则频谱分辨率Δf是由(f_s为系统的采样频率，N表示FFT采样点数)来决定的，如果要求f_s为100KHz，Δf为4Hz进行频谱分析，则所需点数计算为25000，如此大的FFT点数是不可能达到系统实时性要求的；采用变采样率技术可以解决这一问题，信号采集与处理模块采用现场可编程逻辑阵列器件CYCLONEIII和数字信号处理器TMS320C6713，通过与频率搜索模块同步改变时钟进行滤波和采集数据，信号采集与处理模块的采样时钟与带通滤波器的输入时钟同步改变，并采用高精度功率谱估计Burg算法对粗测后的数据进一步快速实时分析，精确提取多普勒频率f_d，大大提高测频速度，从而准确估计出机车的速度，以克服现有技术存在的缺陷。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型结构简单、可靠性高、实现灵活、抗干扰能力强。

2、当依照本计算方法测量铁路机车运行速度时能够显著提高系统的计算速 度，同时获得高精度的测量结果。

附图说明：

图1是本实用新型的轨道交通用自适应雷达测速装置的组成框图。

图2是LTC1064的电路结构图。

图3是频率搜索模块的电路图。

具体实施方式：

如图1-3所示，一种轨道交通用基于变采样频率搜索方法的雷达测速装置， 包括有：用于给主控处理器提供电源的电源模块1；用于微波发射和接收的雷达 微波模块2；用于调整带通滤波器中心频率的频率搜索模块3；用于精确提取多 普勒信号频率的信号采集与处理模块4；雷达微波模块2的微波前端天线以一定 的倾斜角度θ(45度)安装，辐射毫米波照射地面，并同时获取照射面的回波多 普勒频率信号；频率搜索模块3设计为中心频率可调的带通滤波器，采用开关电 容集成模块LTC1064来实现，信号采集与处理模块4采用现场可编程逻辑阵列器 件CYCLONEIII和数字信号处理器TMS320C6713，通过与频率搜索模块同步改变 时钟进行滤波和采集数据。

电源模块完成电压的转换，雷达微波模块与照射面成一定倾斜的角度收发信号，通过与照射面的相对运动，将接收到的反射信号与本振信号混频后产生多普勒信号，再与频率搜索模块连接，由中心频率可变的带通滤波器，搜索多普勒信号粗略频率，然后由信号采集与处理模块实时完成地面回波信号的采集，进行详细频谱分析，测量出多普勒信号精确频率，最后计算出准确的速度数据，其相互之间的关系如图1所示。雷达微波模块是整个系统的前置环节，以一定的倾斜角度θ(45度)安装，辐射毫米波(波长λ为0.0125米)照射地面，同时获取照射面的回波多普勒频率信号，并将微波信号转换为电信号，实现雷达微波的发射、接收及输出混频后的多普勒频率。由于微波模块的输出信号拥有极宽的带宽范围，至少100MHz，系统的测速范围很宽(例如0.2～600km/h)，对应的频率范围为8Hz～26.4KHz(fdmax=2Vmaxf0C=26400Hz,fdmin=2Vminf0C=8Hz]]>)。为了减小频率混叠影响，采样频率取3～5倍最高信号频率，可以设定最高采样频率为100KHz。因此，通过一个中心频率可变的窄带滤波器来频率的搜索，找到对应的多普勒频率粗略位置，其中心频率位置由FPGA的时钟来控制。同时滤波器有一定的带宽限制来减小噪声和干扰，能更有效的获取有用信号，减小后端处理的复杂度，还可以起到抗频率混叠的作用。信号采集与处理模块由FPGA进行信号采样和滤波器时钟控制，并通过DSP进行频谱分析，利用Burg算法求解出接收数据频谱最大值对应的频率f_d，并按照公式求得列车速度。