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摘 要：为解决现有机车测速仪的不足，研发一种基于非对称发射角度的双天线雷达测速仪。该测速仪由双雷达微波模块、信号调理模块、数据处理模块和电源模块组成。双雷达微波模块与地面分别构成不同的发射角，以不同的频率发射雷达波，根据能量和频谱特征接收各自发射的雷达波产生的反射波，将其传入信号调理模块分别处理后，再输入数据处理模块利用多普勒效应相关算法分别进行分析解算。模拟测试结果表明，该测速仪具有测速精度高、系统稳定、数据可靠等优点。
关键词：双天线雷达；测速仪；微波模块；信号调理模块；多普勒效应
文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2017）06-0075-04
0 引 言
为了确保铁路列车运行安全，需要不断完善列车运行保障体系，这就需要对列车的运行速度进行实时监控[1-4]。
目前各种列车测速方法的汇总及优缺点如表1所示。其中前2种测试方法为间接测速，具有结构简单、安装方便等优点，是我国列车运行速度测量的主要方法。后2种测试方法为直接测速，其中GPS测速存在山区和隧道的信号盲区，不适合用于列车速度测量。多普勒雷达测速具有可靠性高、实时性强、稳定性强等优点，在国外被广泛应用于机动车和列车测速[5-8]。然而，目前国内还没有对列車雷达测速仪进行检测的相应技术和设备，也缺乏相关的规程、规范或标准。
针对以上情况，本文提出了基于多普勒效应的双天线雷达测速仪。该测速仪应用多普勒效应非接触测量列车行驶速度，采用了双天线的冗余设计及特殊的算法，抗干扰能力更强、准确度更高。此外，双天线雷达测速仪提供脉冲及串口2种数据输出，能够满足客户更多的需求。
1 双天线雷达系统设计
双天线雷达系统主要由微波模块、信号调理模块、数据处理模块和电源模块4个模块组成，如图1所示。
1.1 微波模块
双天线雷达微波源采用微带结构，外观小巧，工作时能耗较低，而且易于集成于各种电路。该天线不仅可用于探测运动目标的存在、速度及方向，还可以利用编程功能自行设置发射频率、输出功率以及内部中频放大器的增益。这样，可以有效解决相邻雷达传感器因为发射信号频率相近，可能产生相互干扰的问题。
1.2 信号调理模块
A/D转换采用的MAX11043ATL+是一种4路差分或单端输入、16位A/D同时采样芯片，每路都包含PGA（可编程增益放大器）和可编程数字滤波器模块，如图2所示。每个通道的滤波器由7级2阶滤波器单元构成，每个2阶滤波器均可设置为低通、高通或带通，最高可构成14阶滤波器。
1.3 数据处理模块
鉴于雷达信号处理算法中需运算Burg算法以及同时处理2路信号，考虑运算速度、运算精度、片内资源等各个方面，处理器必须满足高能效、连通性设计、高集成度外设、低热量耗散以及更长的电池使用寿命等要求。
系统的软件设计分为系统初始化、DSP中断、信号处理和串口通信4个部分，图3给出系统DSP软件的流程图。
1.4 电源模块
双天线雷达测速仪的电源模块支持6～36 V宽压输入，可以提供稳定的5，12 V输出，具有防短路、防电源反接功能，且符合GB/T 25119——2010《轨道交通机车车辆电子装置标准》的要求。
2 双天线雷达结构设计
2.1 抗震结构设计
由于2个双雷达微波模块与地面分别构成不同的发射角，因此可以接收到2个不同频谱的反射波，将其分别处理后输入DSP进行速度解算。这样的双模块设计可以避免列车颠簸带来的测量误差，确保速度值的准确性。此外，从工程化冗余设计方面考虑，当其中一个微波模块出现故障无法正常工作时，另外一个微波模块还可以单独实现系统的测速功能，从而大大提高系统可靠性。
根据国内外相关文献以及同类先进产品的技术指标，雷达微波模块与地面的夹角θ最好在30°～60°之间。根据大量的资料支持以及实际实验中多种角度的对比总结，确定系统最佳的θ角。假设本系统设计的2个微波模块的放置如图4（a）所示，安装角度分别为α和β，其中α初始值为40°，β初始值为50°，2个模块之间的角度差为10°。若运行中列车出现颠簸或猛烈的震动，导致雷达微波模块的发射波与地面的夹角α和β发生变化，分别变为α1和β1，但它们仍满足"α1-β1|=10°，如图4（b）所示。
双天线夹角同向设计可以保证α和β的角度差一定，保证雷达波发射方向的一致性，避免颠簸和猛烈震动带来的影响，有利于传感器实际安装及使用过程中速度测量的准确性。
2.2 可靠性和环境适应性设计
由于双天线雷达测速仪工作时直接安装在列车底部，车辆运行环境恶劣，且运行时间长，对双天线雷达测速仪的可靠性和环境适应能力提出了很高的要求。
机械可靠性：外壳铝材整体成型，抗冲击力；微波天线为10 mm耐力板，抗冲击力； 外壳与机车安装橡胶减震垫，连接螺丝为6颗M8钢制螺丝；外壳连接件采用12芯军用级防水接插件。
电子可靠性：全部采用工业级电子元器件，PCB贴装后全部刷三防油漆，测速仪内部整理微波屏蔽，10万小时无故障设计。
环境适应性：工作温度为-40～80 ℃，无风扇散热，稳定可靠，IP防护等级为IP67。
2.3 基于列车加速度规则的可靠性设计
基于列车加减速信号来提高列车速度可靠性。列车通过开关量或TTL信号的方式，接入列车控制系统的加减速机刹车控制信号，在信号动作时间后，列车速度应明确为加速、减速或急减速。双天线雷达测速仪工作时运算结果与此趋势应互相对应，否则为错误数据。
基于列车加速度规则的设计来提高列车速度的可靠性。列车加速度的制定因素不仅仅考虑机车功率，还要兼顾乘客乘坐时的舒适度。人体能够忍受的加速度为1～2 m/s2，结合机车功率计算，列车加速度一般也在这个数值范围内。双天线雷达测速仪工作时通过对连续速度序列计算得到加速度，通常情况下，加速度应符合上述要求。在刹车和紧急制动情况下，加速度会变得比较大，因此增加刹车和紧急制动反馈功能允许在此种情况下加速度稍大。
2.4 基于双天线速度双鉴设计
双天线雷达测速仪采用2片天线，提供4个信号通道。通过算法可以得到列车运行的方向和2组独立的速度值。当2片天线输出相同的速度则表示当前测速是可信的；当速度发生跳变且2片天线得到的速度差别较大时，根据加速度判定规则获取当前速度。在速度输出率要求不高的情况下，由于雷达输出率可高达50 Hz，可以通过分析连续的速度序列，进一步验证或纠正输出的速度值。
2.5 装配结构设计
根据使用要求，双天线雷达主要包括雷达、雷达挡板、盖板等部分，详细装配情况如图5所示。其中，底壳为一体化结构，可以增加结构强度，减少连接，方便装配；挡板具有高强度耐压功能，防水密封，防止碎石冲击，且采用沉台设计，防止挡板掉落；外部连接器采用IP67防護等级航空插头，防水抗震；盖板、背板连接用橡胶密封，防水抗震，采用多重走线，防止内部连接线晃动。
3 测试方法及数据分析
对双天线测速雷达进行实验室速度模拟测试， 将被测双天线雷达测速仪与雷达测速仪检定装置进行连接，如图6所示。
首先，接通被检双天线雷达测速仪电源后开机，预热15 min。反射信号调制器将获得被检测速仪的发射频率f，并反馈给控制处理模块。
然后，根据预定的模拟速度（10～400 km/h）计算出需要模拟的多普勒频移fd的大小，通过调制器生成反射频率为f1（f1=f±fd）的多普勒信号，经天线发射回被检测速仪并解调出f1，就能计算出应该测得的速度。
最终，通过比较被检测速仪测得的速度值和雷达测速仪检定装置模拟的标准速度值，可以得到被检测速仪的测速准确度等信息，具体实验室模拟测试数据见表2。
通过分析表中测试数据可知，该双天线雷达测速仪在10～400 km/h的模拟速度测试中均能满足测速误差小于1 km/h，具有较高的测量精度。
4 结束语
本文设计了一种基于非对称发射角度的双天线雷达测速仪，解决了现有列车速度传感器在车轮打滑、空转以及车轮磨损变形等造成测速误差的问题。该测速仪具备全天候、全路段、实时连续的测速能力，可以获取稳定、准确、实时的速度信息、距离信息和方向信息，有效判断列车行驶状况和路况信息，为列车安全运营提供有效的保障。
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（编辑：商丹丹）