一種車載毫米波列車防撞雷達(dá)系統(tǒng)研究

劉海波* 盛蒙蒙 楊曉倩

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一種車載毫米波列車防撞雷達(dá)系統(tǒng)研究

劉海波盛蒙蒙 楊曉倩

(北京理工大學(xué)信息與電子學(xué)院雷達(dá)技術(shù)研究所 北京100081)

列車防撞雷達(dá)是保障鐵路行車安全的一種重要設(shè)備，該文針對(duì)列車防撞應(yīng)用需求中的低成本實(shí)現(xiàn)目標(biāo)方位角度高精度測(cè)量難題，采用了基于開關(guān)切換的數(shù)字陣列天線和頻率步進(jìn)高分辨波形設(shè)計(jì)方法，分析了收發(fā)天線的天線方向圖和頻率步進(jìn)合成寬帶信號(hào)幅相誤差補(bǔ)償問(wèn)題，并構(gòu)建了一種低成本車載毫米波防撞雷達(dá)系統(tǒng)，進(jìn)行了原理樣機(jī)外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該樣機(jī)系統(tǒng)達(dá)到了較高的距離分辨率和角度測(cè)量精度，可有效分辨鐵軌內(nèi)外目標(biāo)。

列車防撞雷達(dá)；數(shù)字陣列；頻率步進(jìn)信號(hào)

1 引言

隨著我國(guó)客運(yùn)專線建設(shè)的快速發(fā)展，列車運(yùn)行速度不斷提高，對(duì)列車運(yùn)行安全的要求也不斷提高，現(xiàn)有的列控系統(tǒng)采用信號(hào)閉塞手段來(lái)保證行車安全，但列控系統(tǒng)只能保證監(jiān)測(cè)行車列車這種合作目標(biāo)，對(duì)于具有突發(fā)性、不可預(yù)測(cè)等非合作目標(biāo)侵限事件的發(fā)生不能提前預(yù)警。“甬溫線”鐵路交通事故也說(shuō)明，除列車控制系統(tǒng)之外，一套與信號(hào)系統(tǒng)完全獨(dú)立的，可自主工作，能全天時(shí)、全天候工作的鐵路行車安全保障系統(tǒng)是必要的。

防撞雷達(dá)是民用雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要分支，隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，防撞雷達(dá)已廣泛應(yīng)用于汽車、飛機(jī)、船舶等交通系統(tǒng)中。但與汽車防撞雷達(dá)相比，鐵路列車運(yùn)行速度快，需要的制動(dòng)距離遠(yuǎn)，火車?yán)走_(dá)需要更遠(yuǎn)的探測(cè)威力和更高的角度測(cè)量精度，因而在實(shí)現(xiàn)手段上與汽車?yán)走_(dá)也有所不同。本文針對(duì)火車防撞雷達(dá)的應(yīng)用背景，研究一種具有較高的距離分辨率和方位向測(cè)角精度的低成本車載列車防撞雷達(dá)，分析討論了基于開關(guān)切換的數(shù)字陣列天線設(shè)計(jì)、頻率步進(jìn)合成寬帶信號(hào)幅相誤差補(bǔ)償?shù)葐?wèn)題，并給出了原理樣機(jī)外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2 基于數(shù)字陣列的列車防撞雷達(dá)系統(tǒng)

2.1體制選擇

對(duì)于車載毫米波列車防撞雷達(dá)，準(zhǔn)確判別前方一定距離的目標(biāo)是否在鐵軌內(nèi)是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，根據(jù)使用方要求，要準(zhǔn)確判別3 km處鐵軌內(nèi)外目標(biāo)，角度測(cè)量精度需達(dá)到0.02°，為獲得高的測(cè)量精度，必須使用大孔徑天線。同時(shí)在近距離上，需要在50 m處波束掃描范圍覆蓋鐵軌寬度，天線掃描范圍至少滿足2°～2°。為了降低成本同時(shí)提高可靠性考慮，本系統(tǒng)采用了收發(fā)分置天線、寬波束發(fā)射窄波束接收、接收波束采用數(shù)字波束形成的雷達(dá)體制，接收陣列天線經(jīng)過(guò)數(shù)字波束形成窄波束，并采用數(shù)字單脈沖方法獲得高的測(cè)量精度，同時(shí)為了抑制角閃爍問(wèn)題，還采用距離高分辨技術(shù)。

由于傳統(tǒng)的線性調(diào)頻連續(xù)波(Linear Fre- quency Modulation Continuous Wave, LFMCW)用于防撞雷達(dá)存在一系列技術(shù)問(wèn)題，如測(cè)量多目標(biāo)困難，距離分辨率受脈內(nèi)掃頻線性度的影響，因此在波形設(shè)計(jì)上本系統(tǒng)采用了頻率步進(jìn)合成寬帶信號(hào)。

2.2天線陣列設(shè)計(jì)

為了形成窄接收波束，需要大的孔徑長(zhǎng)度，如果陣列滿布排列，成本較高，因此本系統(tǒng)采用了稀疏布陣形式，即天線間隔大于半波長(zhǎng)，于是在式(1)的角度位置會(huì)產(chǎn)生柵瓣

由于列車?yán)走_(dá)只對(duì)前方較窄角度范圍探測(cè)，并且采用了寬發(fā)窄收體制，通過(guò)控制發(fā)射天線波束寬度可有效抑制接收合成波束的天線柵瓣。

為進(jìn)一步降低成本，參考某汽車?yán)走_(dá)的天線設(shè)計(jì)，本雷達(dá)采用收發(fā)分置天線1發(fā)16收工作模式，每4路接收天線通過(guò)一個(gè)單刀四擲開關(guān)分時(shí)接收不同通道回波信號(hào)。單刀四擲開關(guān)原理框圖如圖2所示，當(dāng)天線開關(guān)依次切換工作完一個(gè)完整周期后，再將16個(gè)天線的數(shù)據(jù)送入數(shù)字信號(hào)處理模塊。

2.3 調(diào)頻步進(jìn)波形幅相補(bǔ)償處理

圖1 不同指向下發(fā)射接收雙程方向圖

圖2 開關(guān)工作原理框圖

目標(biāo)回波的時(shí)間延遲表示為

(3)

脈壓后信號(hào)為

脈壓后信號(hào)相位為

(5)

逆傅里葉變換(IDFT)輸出高分辨成像結(jié)果為

IDFT輸出為離散的sinc函數(shù)，通道間幅度不一致會(huì)導(dǎo)致sinc函數(shù)輸出峰值的畸變。

解決方法就是當(dāng)物體在法線方向時(shí)，取距離像峰值點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，使各通道之間的相位差為0。此時(shí)通道間的不一致性，可以得到較好的補(bǔ)償。

綜上所述，步進(jìn)頻波形及幅相誤差補(bǔ)償處理分為通道內(nèi)各頻點(diǎn)校正為線性相位及通道間特性校正，具體流程圖如圖3所示。

2.4 系統(tǒng)構(gòu)建

列車防撞雷達(dá)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。頻綜模塊產(chǎn)生單元產(chǎn)生兩路基帶調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)，上變頻至X波段，發(fā)射模塊將X波段信號(hào)4倍頻，經(jīng)過(guò)功率放大后發(fā)射。接收天線使用4路接收機(jī)通過(guò)4個(gè)1選4開關(guān)切換分時(shí)接收16路天線的信號(hào)，再與接收本振混頻，得到中頻信號(hào)，下一步經(jīng)過(guò)AD采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，最后獲得目標(biāo)的距離和角度。

3 原理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

構(gòu)建的原理樣機(jī)系統(tǒng)參數(shù)如表1所示，圖5展示了列車防撞雷達(dá)的實(shí)物照片。

圖3 調(diào)頻步進(jìn)信號(hào)幅相誤差補(bǔ)償流程圖

圖4 列車防撞雷達(dá)總體設(shè)計(jì)框圖

圖5 毫米波列車防撞雷達(dá)天線實(shí)物照片

表1列車防撞雷達(dá)基本參數(shù)

Tab. 1 Specification of MMW radar

為驗(yàn)證雷達(dá)系統(tǒng)高距離分辨和高精度單脈沖測(cè)角能，設(shè)計(jì)了如圖6所示的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景：系統(tǒng)采用了8個(gè)天線單元工作，接收天線合成孔徑0.4 m，在距離雷達(dá)約50 m處放置3個(gè)距離不同的角反射器如圖6，間隔約為1.4 m，回波的信噪比約為30 dB，固定其中1個(gè)角反射器不動(dòng)，在0°～2°范圍內(nèi)橫向移動(dòng)另一個(gè)角反射器，測(cè)量?jī)烧咧g角度差并與真實(shí)值比較。圖7是3個(gè)目標(biāo)的1維高分辨像，圖8是在兩目標(biāo)夾角不同時(shí)單脈沖角度測(cè)量誤差，可以看到單脈沖的角度測(cè)量精度在30 dB條件下可達(dá)到0.03°。

圖9是該樣機(jī)在鐵路實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景圖，圖10是在196 m處角反目標(biāo)放置于偏離軌道中心1.7 m時(shí)，數(shù)據(jù)處理結(jié)果，圖中兩條黑色線表示虛擬的兩條鐵軌，紅色線表示鐵軌中心線，196 m處鐵軌外目標(biāo)是放置的角反射器，179 m處檢測(cè)到的目標(biāo)由于是與人行道交叉位置，軌道中心有明顯臺(tái)階反射造成的虛警。

圖6 3個(gè)角反射器放置示意圖

圖7 3個(gè)角反射器高分辨距離成像結(jié)果

圖8 兩目標(biāo)不同夾角時(shí)的測(cè)量誤差

圖9鐵軌實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

圖10 鐵軌旁目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)論

本文介紹了一種低成本車載毫米波防撞雷達(dá)系統(tǒng)，采用寬發(fā)窄收、開關(guān)切換的數(shù)字陣列天線、頻率步進(jìn)合成寬帶信號(hào)等技術(shù)來(lái)降低成本，受實(shí)驗(yàn)條件所限，該原理樣機(jī)只完成了較近距離的外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了基于開關(guān)切換的數(shù)字陣列天線角度測(cè)量原理，樣機(jī)系統(tǒng)對(duì)于200 m外的目標(biāo)，距離分辨率優(yōu)于0.3 m，在30 dB信噪比條件下，角度測(cè)量精度可達(dá)到0.03°，能有效分辨鐵軌內(nèi)外目標(biāo)。本雷達(dá)現(xiàn)階段以水平鐵軌作為分析對(duì)象，未來(lái)會(huì)對(duì)火車爬坡轉(zhuǎn)彎等技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行探討和研究。

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A Study of MMW Collision Avoidance Radar System for Trains

Liu Hai-bo ShengMeng-meng Yang Xiao-qian

(School of Information and Electronics,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081, China)

Collision avoidance radar for trains is a prime device for transportation safety. To realize low cost and high performance in terms of azimuth accuracy, we developed MMW (Milli-Meter Wave) radar, which employs a switched phased array and frequency-stepped technology. In this study, we analyze the radiation patterns of transmitting/receiving antennas and a compensation method for the amplitude/phase errors of synthetic wideband frequency-stepped signals. To confirm the operation of the radar, low-cost MMW collision avoidance radar was fabricated. The experiments confirmed a high azimuth and range resolution.

Collision avoidance radar; Digital array; Frequency-stepped signal

TN972; TN958

A

2095-283X(2013)02-0234-05

10.3724/SP.J.1300.2013.20091

劉海波(1980-)，男，山東青島人，1998年進(jìn)入北京理工大學(xué)電子工程系學(xué)習(xí)，2002年博士研究生畢業(yè)，現(xiàn)任信息與電子學(xué)院雷達(dá)技術(shù)研究所講師，主要研究方向?yàn)樾麦w制雷達(dá)系統(tǒng)構(gòu)建、高分辨雷達(dá)系統(tǒng)等。E-mail: haibolhb@bit.edu.cn

盛蒙蒙(1987-)，男，江蘇徐州人，2010年進(jìn)入北京理工大學(xué)雷達(dá)技術(shù)研究所攻讀碩士學(xué)位，主要研究方向?yàn)閷拵盘?hào)生成。E-mail: shengmengmeng_2010@126.com

楊曉倩(1989-)，女，江蘇揚(yáng)州人，2011年進(jìn)入北京理工大學(xué)雷達(dá)技術(shù)研究所攻讀碩士學(xué)位，主要研究方向?yàn)殛嚵行盘?hào)處理。E-mail: yangzhouyxq@163.com

2012-12-03收到，2013-04-01改回；2013-04-12網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版

國(guó)家自然科學(xué)基金(61101229)資助課題

劉海波 haibolhb@bit.edu.cn