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一种驼峰测速雷达及其自检方法

阅读：677发布：2020-05-13

专利汇可以提供一种驼峰测速雷达及其自检方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种驼峰测速雷达及其自检方法，所述驼峰测速雷达包括调频微带天线和FPGA主控模块，所述方法利用数字处理、雷达高频扫频技术，通过采用可调频的微带平板天线和大规模FPGA可编逻辑控制器，对雷达发射波进行快速调频，并通过对多普勒信号频谱进行对比分析，让自检调制信号完全通过实际信号相同的回路，实现了对雷达高频部分到信号处理部分所有硬件的检测，确保自检信号是百分之百与实际多普勒雷达信号有相同的信号传输路径，提高其硬件系统自检功能的可靠性，同时自检是完全以与雷达工作信号相同的机制，而非依赖混频管偏压，故避免了环境等对自检可靠性的影响。，下面是一种驼峰测速雷达及其自检方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种驼峰测速雷达，其特征在于，包括调频微带天线和FPGA主控模块，其中，调频微带天线的信号输出端通过依次连接的信号放大滤波电路和模数转换电路与FPGA主控模块的调频信号输入端连接，FPGA主控模块的调频信号输出端通过依次连接的数模转换电路和扫频电压控制电路与调频微带天线的信号输入端连接。
2.一种如权利要求1所述的驼峰测速雷达的自检方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：在雷达自检阶段，FPGA主控模块连续发出特定频率fΔ为2000Hz的三角波调制信号，调制信号经过数模转换模块和扫频电压控制模块后，控制雷达前端的调频微带天线进行FMCW模式调制和幅度调制；
步骤S2：计算在采样系列长度为N的情况下，相对运动目标的多普勒频移值fd：
式中，fs为采样频率，0≤K≤N-1；
步骤S3：对雷达输出的多普勒信号中的I信号和Q信号进行长度为N的傅立叶变换，记为XI(K)和XQ(K)，K＝0,1...N-1；
步骤S4：分别对XI(K)和XQ(K)频谱信号进行极点峰值查询，凡XI(K)的极点峰值处的幅度值|XI(K)|≥Fn都认为有效的极点峰值，其中，Fn为幅度门限，把相应的K点值记录在数组sI(i)里，sI(i)＝{KI1,KI2,...}，i＝0,1,...n-1，n为满足|XI(K)|≥Fn的极点峰值个数；
步骤S5：使用多普勒频移计算公式求出数组sI(i)和sQ(i)中相应的K点位置的频率，记为
步骤S6：设定频率误差范围值为Δf，把和中的各个频率值与三角波调制信号的频率值fΔ作比较，如果在里能找到| 则认为I信号所通过的信号回路是正常的，反之，则认为是异常的；同理，通过来判断Q信号所通过的信号回路是否正常；
步骤S7：重复步骤2-6，对I信号和Q信号的信号回路进行不间断连续检测，如果在多个检测周期内，I信号和Q信号所通过的信号回路都正常，则认为系统信号回路正常。
3.根据权利要求2所述的一种驼峰测速雷达的自检方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：选择hamming窗系列对多普勒信号进行加窗截断。
4.根据权利要求2所述的一种驼峰测速雷达的自检方法，其特征在于，所述步骤S2中，fs为fd的整数倍。

说明书全文

一种驼峰测速雷达及其自检方法

技术领域

[0001] 本发明涉及的是铁路编组站自动控制领域，尤其涉及的是一种驼峰测速雷达及其自检方法。

背景技术

[0002] 目前，国内外用于铁路驼峰场车辆速度测量的雷达，都属于模拟型测速雷达，处于对高可靠性的需要，雷达在无车辆溜放待测状态时，需通过自检电路，检测雷达高频系统和信号放大电路等相关硬件系统是否正常，并输出固定频率信号告知驼峰编组站自动化控制中心。目前普遍采用的方法是通过检测混频管直流偏压是否正常来探测雷达高频系统的好坏。在混频管工作正常时，其有一定的直流偏压，在此偏压正常时，通过与门电路在模拟信号放大电路前端注入自检信号。完成自检功能。

[0003] 但由于此自检信号并未实际经过高频系统，高频系统的正常与否完全依赖混频管直流偏压的数值，长期的应用实践表明，此方法存在以下缺陷：

[0004] 1、混频管直流偏压和器件的温度等特性关系极大，且不能完全反映其接收信号的灵敏度，存在自检可靠性不足的问题。

[0005] 2、雷达前正面防护板材料及厚度、安装位置对混频管电压有较大影响，会造成高频系统不良的误判。

[0006] 3、目前自检电路只能应用在单管混频器结构的雷达上，对于性能更好的平衡型混频器雷达，该电路无法应用。

发明内容

[0007] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种驼峰测速雷达及其自检方法，以解决现有铁路驼峰测速雷达硬件自检功能中的缺陷。

[0008] 本发明是通过以下技术方案实现的：

[0009] 本发明提供了一种驼峰测速雷达，包括调频微带天线和FPGA主控模块，其中，调频微带天线的信号输出端通过依次连接的信号放大滤波电路和模数转换电路与FPGA主控模块的调频信号输入端连接，FPGA主控模块的调频信号输出端通过依次连接的数模转换电路和扫频电压控制电路与调频微带天线的信号输入端连接。

[0010] 本发明还提供了上述驼峰测速雷达的自检方法，包括以下步骤：

[0011] 步骤S1：在雷达自检阶段，FPGA主控模块连续发出固定频率fΔ为2000Hz的三角波调制信号，调制信号经过数模转换模块和扫频电压控制模块后，控制雷达前端的调频微带天线进行FMCW模式调制和幅度调制；根据FMCW技术原理，雷达发射波为随时间按三角波规律变化的高频连续波，雷达接收的回波的频率与发射的频率变化规律相同，只是有一个时间差，通过这个时间差可计算出目标的距离；此外，经过幅度调制的解调后，雷达输出的多普勒信号会含有一个类似三角波的基频信号，频率与输入的三角波调制信号频率相同；

[0012] 步骤S2：计算在采样系列长度为N的情况下，相对运动目标的多普勒频移值fd：

[0013]

[0014] 式中，fs为采样频率，0≤K≤N-1；

[0015] 步骤S3：对雷达输出的多普勒信号中的I信号和Q信号进行长度为N的傅立叶变换，记为XI(K)和XQ(K)，K＝0,1...N-1；

[0016] 步骤S4：分别对XI(K)和XQ(K)频谱信号进行极点峰值查询，凡XI(K)的极点峰值处的幅度值|XI(K)|≥Fn都认为有效的极点峰值，其中，Fn为幅度门限，把相应的K点值记录在数组sI(i)里，sI(i)＝{KI1,KI2,...}，i＝0,1,...n-1，n为满足|XI(K)|≥Fn的极点峰值个数；

[0017] 步骤S5：使用多普勒频移计算公式求出数组sI(i)和sQ(i)中相应的K点位置的频率，记为

[0018] 步骤S6：设定频率误差范围值为Δf，把和中的各个频率值与三角波调制信号的频率值fΔ作比较，如果在里能找到则认为I信号所通过的信号回路是正常的，反之，则认为是异常的；同理，通过来判断Q信号所通过的信号回路是否正常；

[0019] 步骤S7：重复步骤2-6，对I信号和Q信号的信号回路进行不间断连续检测，如果在多个检测周期内，I信号和Q信号所通过的信号回路都正常，则认为系统信号回路正常，并输出频率等于fΔ的方波信号，提供给自动化控制系统。

[0020] 进一步地，所述步骤S2还包括：选择hamming窗系列对多普勒信号进行加窗截断，以减少频谱泄漏对测量结果的影响。

[0021] 进一步地，所述步骤S2中，fs为fd的整数倍，以适当减少计算误差导致的频率偏移。

[0022] 本发明的原理为：当雷达发射频率进行扫频调制后，其混频输出会存在一个与扫频调制信号相似的中频信号，如图1所示。图中可以看出，当使雷达发射频率按三角波曲线进行调频变化时，雷达前方无论多远距离物体的回波(甚至无任何物体回波，均匀远近距离空气等微粒连续回波)在三角波上升沿阶段和下降沿阶段会产生不同的混频信号，且满足：

[0023] 在三角波上升沿阶段：fb+＝f0-fd

[0024] 在三角波下降沿阶段：fb-＝f0+fd

[0025] 式中，fb+为前半周正向调频所得的频率差，fb-为后半周期负向调频所得的频率差，f0为目标相对静止时的差频频率，fd为相对运动目标的多普勒频移。

[0026] 对于静止目标，频率上升段和频率下降段的混频输出信号频率相同，但相位相反。未探测到目标时，f0、fd的都为0。而对于运动目标，此上升段和下降段的混频信号频率则完全不同。

[0027] 通过频谱分析可以得出，雷达前方无论有无目标，亦或是静止或运动目标，雷达混频输出信号中始终含有调制三角波的基频信号。本发明即利用此基波信号的存在，通过对比雷达混频器输出信号与雷达发射波频率调制信号两者的频谱特征，分析判别系统信号回路是否正常。由于在未探测到目标时，f0、fd都为0，不可能在单个调频周期内通过检测多普勒频移功能来自查信号回路是否正常，因此，采用多个调频周期进行采样并对其进行傅里叶变换，求出雷达输出的多普勒信号中混频进去的三角波调制信号频率，从而确保在所有条件下都能检测出信号回路是否正常。

[0028] 本发明相比现有技术具有以下优点：本发明提供了一种驼峰测速雷达自检方法，该方法利用数字处理、雷达高频扫频技术，通过采用可调频的微带平板天线和大规模FPGA可编逻辑控制器，对雷达发射波进行快速调频，并通过对多普勒信号频谱进行对比分析，让自检调制信号完全通过实际信号相同的回路，实现了对雷达高频部分到信号处理部分所有硬件的检测，确保自检信号是百分之百与实际多普勒雷达信号有相同的信号传输路径，提高其硬件系统自检功能的可靠性。同时自检是完全以与雷达工作信号相同的机制，而非依赖混频管偏压，故避免了环境等对自检可靠性的影响。附图说明

[0029] 图1雷达发射频率进行扫频调制后的混频输出结果图；

[0030] 图2为驼峰测速雷达的电路结构框图；

[0031] 图3为自检方法的流程图；

具体实施方式

[0032] 下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

[0033] 实施例1

[0034] 本实施例提供了一种驼峰测速雷达及其自检方法，所述驼峰测速雷达具有如图2所示的结构，包括调频微带天线和FPGA主控模块，其中，调频微带天线的信号输出端通过依次连接的信号放大滤波电路和模数转换电路与FPGA主控模块的调频信号输入端连接，FPGA主控模块的调频信号输出端通过依次连接的数模转换电路和扫频电压控制电路与调频微带天线的信号输入端连接。

[0035] 所述自检方法的流程如图3所示，包括以下步骤：

[0036] 步骤S1：在雷达自检阶段，FPGA主控模块连续发出固定频率fΔ为2000Hz的三角波调制信号，调制信号经过数模转换模块和扫频电压控制模块后，控制雷达前端的调频微带天线进行FMCW模式调制和幅度调制；根据FMCW技术原理，雷达发射波为随时间按三角波规律变化的高频连续波，雷达接收的回波的频率与发射的频率变化规律相同，只是有一个时间差，通过这个时间差可计算出目标的距离；此外，经过幅度调制的解调后，雷达输出的多普勒信号会含有一个类似三角波的基频信号，频率与输入的三角波调制信号频率相同；

[0037] 步骤S2：选择hamming窗系列对雷达发出的多普勒信号进行加窗截断，以减少频谱泄漏对测量结果的影响；然后，选择合适的采样频率fs，计算在采样系列长度为N的情况下，相对运动目标的多普勒频移值fd：

[0038]

[0039] 式中，0≤K≤N-1，且fs为fd的整数倍关系，以适当的减少计算误差导致的频率偏移。

[0040] 步骤S3：对雷达输出的多普勒信号中的I信号和Q信号进行长度为N的傅立叶变换，记为XI(K)和XQ(K)，K＝0,1...N-1；

[0041] 步骤S4：选择合适的幅度门限Fn，分别对XI(K)和XQ(K)频谱信号进行极点峰值查询，凡XI(K)的极点峰值处的幅度值|XI(K)|≥Fn都认为有效的极点峰值，把相应的K点值记录在数组sI(i)里，sI(i)＝{KI1,KI2,...}，i＝0,1,...n-1，n为满足|XI(K)|≥Fn的极点峰值个数；

[0042] 步骤S5：使用多普勒频移计算公式求出数组sI(i)和sQ(i)中相应的K点位置的频率，记为

[0043] 步骤S6：选择合适的频率误差范围值Δf，把和中的各个频率值与三角波调制信号的频率值fΔ作比较，如果在sfI(i)里能找到则认为I信号所通过的信号回路是正常的，反之，则认为是异常的；同理，通过来判断Q信号所通过的信号回路是否正常；

[0044] 步骤S7：重复步骤2-6，对I信号和Q信号的信号回路进行不间断连续检测，如果在多个检测周期内，I信号和Q信号所通过的信号回路都正常，则认为系统信号回路正常，并输出频率为2000Hz的方波信号，提供给自动化控制系统。

[0045] 以上为本发明一种详细的实施方式和具体的操作过程，是以本发明技术方案为前提下进行实施，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。

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