一種駝峰測速雷達及其自檢方法與流程
2023-06-02 18:55:16
本發明涉及的是鐵路編組站自動控制領域，尤其涉及的是一種駝峰測速雷達及其自檢方法。
背景技術：
目前，國內外用於鐵路駝峰場車輛速度測量的雷達，都屬於模擬型測速雷達，處於對高可靠性的需要，雷達在無車輛溜放待測狀態時，需通過自檢電路，檢測雷達高頻系統和信號放大電路等相關硬體系統是否正常，並輸出固定頻率信號告知駝峰編組站自動化控制中心。目前普遍採用的方法是通過檢測混頻管直流偏壓是否正常來探測雷達高頻系統的好壞。在混頻管工作正常時，其有一定的直流偏壓，在此偏壓正常時，通過與門電路在模擬信號放大電路前端注入自檢信號。完成自檢功能。
但由於此自檢信號並未實際經過高頻系統，高頻系統的正常與否完全依賴混頻管直流偏壓的數值，長期的應用實踐表明，此方法存在以下缺陷：
1、混頻管直流偏壓和器件的溫度等特性關係極大，且不能完全反映其接收信號的靈敏度，存在自檢可靠性不足的問題。
2、雷達前正面防護板材料及厚度、安裝位置對混頻管電壓有較大影響，會造成高頻系統不良的誤判。
3、目前自檢電路只能應用在單管混頻器結構的雷達上，對於性能更好的平衡型混頻器雷達，該電路無法應用。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供了一種駝峰測速雷達及其自檢方法，以解決現有鐵路駝峰測速雷達硬體自檢功能中的缺陷。
本發明是通過以下技術方案實現的：
本發明提供了一種駝峰測速雷達，包括調頻微帶天線和fpga主控模塊，其中，調頻微帶天線的信號輸出端通過依次連接的信號放大濾波電路和模數轉換電路與fpga主控模塊的調頻信號輸入端連接，fpga主控模塊的調頻信號輸出端通過依次連接的數模轉換電路和掃頻電壓控制電路與調頻微帶天線的信號輸入端連接。
本發明還提供了上述駝峰測速雷達的自檢方法，包括以下步驟：
步驟s1：在雷達自檢階段，fpga主控模塊連續發出固定頻率fδ為2000hz的三角波調製信號，調製信號經過數模轉換模塊和掃頻電壓控制模塊後，控制雷達前端的調頻微帶天線進行fmcw模式調製和幅度調製；根據fmcw技術原理，雷達發射波為隨時間按三角波規律變化的高頻連續波，雷達接收的回波的頻率與發射的頻率變化規律相同，只是有一個時間差，通過這個時間差可計算出目標的距離；此外，經過幅度調製的解調後，雷達輸出的都卜勒信號會含有一個類似三角波的基頻信號，頻率與輸入的三角波調製信號頻率相同；
步驟s2：計算在採樣系列長度為n的情況下，相對運動目標的都卜勒頻移值fd：
式中，fs為採樣頻率，0≤k≤n-1；
步驟s3：對雷達輸出的都卜勒信號中的i信號和q信號進行長度為n的傅立葉變換，記為xi(k)和xq(k)，k＝0,1...n-1；
步驟s4：分別對xi(k)和xq(k)頻譜信號進行極點峰值查詢，凡xi(k)的極點峰值處的幅度值|xi(k)|≥fn都認為有效的極點峰值，其中，fn為幅度門限，把相應的k點值記錄在數組si(i)裡，si(i)＝{ki1,ki2,...}，i＝0,1,...n-1，n為滿足|xi(k)|≥fn的極點峰值個數；
步驟s5：使用都卜勒頻移計算公式求出數組si(i)和sq(i)中相應的k點位置的頻率，記為
步驟s6：設定頻率誤差範圍值為δf，把和中的各個頻率值與三角波調製信號的頻率值fδ作比較，如果在裡能找到則認為i信號所通過的信號迴路是正常的，反之，則認為是異常的；同理，通過來判斷q信號所通過的信號迴路是否正常；
步驟s7：重複步驟2-6，對i信號和q信號的信號迴路進行不間斷連續檢測，如果在多個檢測周期內，i信號和q信號所通過的信號迴路都正常，則認為系統信號迴路正常，並輸出頻率等於fδ的方波信號，提供給自動化控制系統。
進一步地，所述步驟s2還包括：選擇hamming窗系列對都卜勒信號進行加窗截斷，以減少頻譜洩漏對測量結果的影響。
進一步地，所述步驟s2中，fs為fd的整數倍，以適當減少計算誤差導致的頻率偏移。
本發明的原理為：當雷達發射頻率進行掃頻調製後，其混頻輸出會存在一個與掃頻調製信號相似的中頻信號，如圖1所示。圖中可以看出，當使雷達發射頻率按三角波曲線進行調頻變化時，雷達前方無論多遠距離物體的回波(甚至無任何物體回波，均勻遠近距離空氣等微粒連續回波)在三角波上升沿階段和下降沿階段會產生不同的混頻信號，且滿足：
在三角波上升沿階段：fb+＝f0-fd
在三角波下降沿階段：fb-＝f0+fd
式中，fb+為前半周正向調頻所得的頻率差，fb-為後半周期負向調頻所得的頻率差，f0為目標相對靜止時的差頻頻率，fd為相對運動目標的都卜勒頻移。
對於靜止目標，頻率上升段和頻率下降段的混頻輸出信號頻率相同，但相位相反。未探測到目標時，f0、fd的都為0。而對於運動目標，此上升段和下降段的混頻信號頻率則完全不同。
通過頻譜分析可以得出，雷達前方無論有無目標，亦或是靜止或運動目標，雷達混頻輸出信號中始終含有調製三角波的基頻信號。本發明即利用此基波信號的存在，通過對比雷達混頻器輸出信號與雷達發射波頻率調製信號兩者的頻譜特徵，分析判別系統信號迴路是否正常。由於在未探測到目標時，f0、fd都為0，不可能在單個調頻周期內通過檢測都卜勒頻移功能來自查信號迴路是否正常，因此，採用多個調頻周期進行採樣並對其進行傅立葉變換，求出雷達輸出的都卜勒信號中混頻進去的三角波調製信號頻率，從而確保在所有條件下都能檢測出信號迴路是否正常。
本發明相比現有技術具有以下優點：本發明提供了一種駝峰測速雷達自檢方法，該方法利用數字處理、雷達高頻掃頻技術，通過採用可調頻的微帶平板天線和大規模fpga可編邏輯控制器，對雷達發射波進行快速調頻，並通過對都卜勒信號頻譜進行對比分析，讓自檢調製信號完全通過實際信號相同的迴路，實現了對雷達高頻部分到信號處理部分所有硬體的檢測，確保自檢信號是百分之百與實際都卜勒雷達信號有相同的信號傳輸路徑，提高其硬體系統自檢功能的可靠性。同時自檢是完全以與雷達工作信號相同的機制，而非依賴混頻管偏壓，故避免了環境等對自檢可靠性的影響。
附圖說明
圖1雷達發射頻率進行掃頻調製後的混頻輸出結果圖；
圖2為駝峰測速雷達的電路結構框圖；
圖3為自檢方法的流程圖；
具體實施方式
下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。
實施例1
本實施例提供了一種駝峰測速雷達及其自檢方法，所述駝峰測速雷達具有如圖2所示的結構，包括調頻微帶天線和fpga主控模塊，其中，調頻微帶天線的信號輸出端通過依次連接的信號放大濾波電路和模數轉換電路與fpga主控模塊的調頻信號輸入端連接，fpga主控模塊的調頻信號輸出端通過依次連接的數模轉換電路和掃頻電壓控制電路與調頻微帶天線的信號輸入端連接。
所述自檢方法的流程如圖3所示，包括以下步驟：
步驟s1：在雷達自檢階段，fpga主控模塊連續發出固定頻率fδ為2000hz的三角波調製信號，調製信號經過數模轉換模塊和掃頻電壓控制模塊後，控制雷達前端的調頻微帶天線進行fmcw模式調製和幅度調製；根據fmcw技術原理，雷達發射波為隨時間按三角波規律變化的高頻連續波，雷達接收的回波的頻率與發射的頻率變化規律相同，只是有一個時間差，通過這個時間差可計算出目標的距離；此外，經過幅度調製的解調後，雷達輸出的都卜勒信號會含有一個類似三角波的基頻信號，頻率與輸入的三角波調製信號頻率相同；
步驟s2：選擇hamming窗系列對雷達發出的都卜勒信號進行加窗截斷，以減少頻譜洩漏對測量結果的影響；然後，選擇合適的採樣頻率fs，計算在採樣系列長度為n的情況下，相對運動目標的都卜勒頻移值fd：
式中，0≤k≤n-1，且fs為fd的整數倍關係，以適當的減少計算誤差導致的頻率偏移。
步驟s3：對雷達輸出的都卜勒信號中的i信號和q信號進行長度為n的傅立葉變換，記為xi(k)和xq(k)，k＝0,1...n-1；
步驟s4：選擇合適的幅度門限fn，分別對xi(k)和xq(k)頻譜信號進行極點峰值查詢，凡xi(k)的極點峰值處的幅度值|xi(k)|≥fn都認為有效的極點峰值，把相應的k點值記錄在數組si(i)裡，si(i)＝{ki1,ki2,...}，i＝0,1,...n-1，n為滿足|xi(k)|≥fn的極點峰值個數；
步驟s5：使用都卜勒頻移計算公式求出數組si(i)和sq(i)中相應的k點位置的頻率，記為
步驟s6：選擇合適的頻率誤差範圍值δf，把和中的各個頻率值與三角波調製信號的頻率值fδ作比較，如果在sfi(i)裡能找到則認為i信號所通過的信號迴路是正常的，反之，則認為是異常的；同理，通過來判斷q信號所通過的信號迴路是否正常；
步驟s7：重複步驟2-6，對i信號和q信號的信號迴路進行不間斷連續檢測，如果在多個檢測周期內，i信號和q信號所通過的信號迴路都正常，則認為系統信號迴路正常，並輸出頻率為2000hz的方波信號，提供給自動化控制系統。
以上為本發明一種詳細的實施方式和具體的操作過程，是以本發明技術方案為前提下進行實施，但本發明的保護範圍不限於上述的實施例。