本發(fā)明涉及的是鐵路編組站自動(dòng)控制領(lǐng)域，尤其涉及的是一種駝峰測(cè)速雷達(dá)及其自檢方法。

背景技術(shù)：

目前，國(guó)內(nèi)外用于鐵路駝峰場(chǎng)車輛速度測(cè)量的雷達(dá)，都屬于模擬型測(cè)速雷達(dá)，處于對(duì)高可靠性的需要，雷達(dá)在無(wú)車輛溜放待測(cè)狀態(tài)時(shí)，需通過(guò)自檢電路，檢測(cè)雷達(dá)高頻系統(tǒng)和信號(hào)放大電路等相關(guān)硬件系統(tǒng)是否正常，并輸出固定頻率信號(hào)告知駝峰編組站自動(dòng)化控制中心。目前普遍采用的方法是通過(guò)檢測(cè)混頻管直流偏壓是否正常來(lái)探測(cè)雷達(dá)高頻系統(tǒng)的好壞。在混頻管工作正常時(shí)，其有一定的直流偏壓，在此偏壓正常時(shí)，通過(guò)與門(mén)電路在模擬信號(hào)放大電路前端注入自檢信號(hào)。完成自檢功能。

但由于此自檢信號(hào)并未實(shí)際經(jīng)過(guò)高頻系統(tǒng)，高頻系統(tǒng)的正常與否完全依賴混頻管直流偏壓的數(shù)值，長(zhǎng)期的應(yīng)用實(shí)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(guān)系極大，且不能完全反映其接收信號(hào)的靈敏度，存在自檢可靠性不足的問(wèn)題。

2、雷達(dá)前正面防護(hù)板材料及厚度、安裝位置對(duì)混頻管電壓有較大影響，會(huì)造成高頻系統(tǒng)不良的誤判。

3、目前自檢電路只能應(yīng)用在單管混頻器結(jié)構(gòu)的雷達(dá)上，對(duì)于性能更好的平衡型混頻器雷達(dá)，該電路無(wú)法應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種駝峰測(cè)速雷達(dá)及其自檢方法，以解決現(xiàn)有鐵路駝峰測(cè)速雷達(dá)硬件自檢功能中的缺陷。

本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明提供了一種駝峰測(cè)速雷達(dá)，包括調(diào)頻微帶天線和fpga主控模塊，其中，調(diào)頻微帶天線的信號(hào)輸出端通過(guò)依次連接的信號(hào)放大濾波電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路與fpga主控模塊的調(diào)頻信號(hào)輸入端連接，fpga主控模塊的調(diào)頻信號(hào)輸出端通過(guò)依次連接的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和掃頻電壓控制電路與調(diào)頻微帶天線的信號(hào)輸入端連接。

本發(fā)明還提供了上述駝峰測(cè)速雷達(dá)的自檢方法，包括以下步驟：

步驟s1：在雷達(dá)自檢階段，fpga主控模塊連續(xù)發(fā)出固定頻率fδ為2000hz的三角波調(diào)制信號(hào)，調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊和掃頻電壓控制模塊后，控制雷達(dá)前端的調(diào)頻微帶天線進(jìn)行fmcw模式調(diào)制和幅度調(diào)制；根據(jù)fmcw技術(shù)原理，雷達(dá)發(fā)射波為隨時(shí)間按三角波規(guī)律變化的高頻連續(xù)波，雷達(dá)接收的回波的頻率與發(fā)射的頻率變化規(guī)律相同，只是有一個(gè)時(shí)間差，通過(guò)這個(gè)時(shí)間差可計(jì)算出目標(biāo)的距離；此外，經(jīng)過(guò)幅度調(diào)制的解調(diào)后，雷達(dá)輸出的多普勒信號(hào)會(huì)含有一個(gè)類似三角波的基頻信號(hào)，頻率與輸入的三角波調(diào)制信號(hào)頻率相同；

步驟s2：計(jì)算在采樣系列長(zhǎng)度為n的情況下，相對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的多普勒頻移值fd：

式中，fs為采樣頻率，0≤k≤n-1；

步驟s3：對(duì)雷達(dá)輸出的多普勒信號(hào)中的i信號(hào)和q信號(hào)進(jìn)行長(zhǎng)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(duì)xi(k)和xq(k)頻譜信號(hào)進(jìn)行極點(diǎn)峰值查詢，凡xi(k)的極點(diǎn)峰值處的幅度值|xi(k)|≥fn都認(rèn)為有效的極點(diǎn)峰值，其中，fn為幅度門(mén)限，把相應(yīng)的k點(diǎn)值記錄在數(shù)組si(i)里，si(i)＝{ki1,ki2,...}，i＝0,1,...n-1，n為滿足|xi(k)|≥fn的極點(diǎn)峰值個(gè)數(shù)；

步驟s5：使用多普勒頻移計(jì)算公式求出數(shù)組si(i)和sq(i)中相應(yīng)的k點(diǎn)位置的頻率，記為

步驟s6：設(shè)定頻率誤差范圍值為δf，把和中的各個(gè)頻率值與三角波調(diào)制信號(hào)的頻率值fδ作比較，如果在里能找到則認(rèn)為i信號(hào)所通過(guò)的信號(hào)回路是正常的，反之，則認(rèn)為是異常的；同理，通過(guò)來(lái)判斷q信號(hào)所通過(guò)的信號(hào)回路是否正常；

步驟s7：重復(fù)步驟2-6，對(duì)i信號(hào)和q信號(hào)的信號(hào)回路進(jìn)行不間斷連續(xù)檢測(cè)，如果在多個(gè)檢測(cè)周期內(nèi)，i信號(hào)和q信號(hào)所通過(guò)的信號(hào)回路都正常，則認(rèn)為系統(tǒng)信號(hào)回路正常，并輸出頻率等于fδ的方波信號(hào)，提供給自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

進(jìn)一步地，所述步驟s2還包括：選擇hamming窗系列對(duì)多普勒信號(hào)進(jìn)行加窗截?cái)?，以減少頻譜泄漏對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

進(jìn)一步地，所述步驟s2中，fs為fd的整數(shù)倍，以適當(dāng)減少計(jì)算誤差導(dǎo)致的頻率偏移。

本發(fā)明的原理為：當(dāng)雷達(dá)發(fā)射頻率進(jìn)行掃頻調(diào)制后，其混頻輸出會(huì)存在一個(gè)與掃頻調(diào)制信號(hào)相似的中頻信號(hào)，如圖1所示。圖中可以看出，當(dāng)使雷達(dá)發(fā)射頻率按三角波曲線進(jìn)行調(diào)頻變化時(shí)，雷達(dá)前方無(wú)論多遠(yuǎn)距離物體的回波(甚至無(wú)任何物體回波，均勻遠(yuǎn)近距離空氣等微粒連續(xù)回波)在三角波上升沿階段和下降沿階段會(huì)產(chǎn)生不同的混頻信號(hào)，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(diào)頻所得的頻率差，fb-為后半周期負(fù)向調(diào)頻所得的頻率差，f0為目標(biāo)相對(duì)靜止時(shí)的差頻頻率，fd為相對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的多普勒頻移。

對(duì)于靜止目標(biāo)，頻率上升段和頻率下降段的混頻輸出信號(hào)頻率相同，但相位相反。未探測(cè)到目標(biāo)時(shí)，f0、fd的都為0。而對(duì)于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，此上升段和下降段的混頻信號(hào)頻率則完全不同。

通過(guò)頻譜分析可以得出，雷達(dá)前方無(wú)論有無(wú)目標(biāo)，亦或是靜止或運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，雷達(dá)混頻輸出信號(hào)中始終含有調(diào)制三角波的基頻信號(hào)。本發(fā)明即利用此基波信號(hào)的存在，通過(guò)對(duì)比雷達(dá)混頻器輸出信號(hào)與雷達(dá)發(fā)射波頻率調(diào)制信號(hào)兩者的頻譜特征，分析判別系統(tǒng)信號(hào)回路是否正常。由于在未探測(cè)到目標(biāo)時(shí)，f0、fd都為0，不可能在單個(gè)調(diào)頻周期內(nèi)通過(guò)檢測(cè)多普勒頻移功能來(lái)自查信號(hào)回路是否正常，因此，采用多個(gè)調(diào)頻周期進(jìn)行采樣并對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換，求出雷達(dá)輸出的多普勒信號(hào)中混頻進(jìn)去的三角波調(diào)制信號(hào)頻率，從而確保在所有條件下都能檢測(cè)出信號(hào)回路是否正常。

本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明提供了一種駝峰測(cè)速雷達(dá)自檢方法，該方法利用數(shù)字處理、雷達(dá)高頻掃頻技術(shù)，通過(guò)采用可調(diào)頻的微帶平板天線和大規(guī)模fpga可編邏輯控制器，對(duì)雷達(dá)發(fā)射波進(jìn)行快速調(diào)頻，并通過(guò)對(duì)多普勒信號(hào)頻譜進(jìn)行對(duì)比分析，讓自檢調(diào)制信號(hào)完全通過(guò)實(shí)際信號(hào)相同的回路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)雷達(dá)高頻部分到信號(hào)處理部分所有硬件的檢測(cè)，確保自檢信號(hào)是百分之百與實(shí)際多普勒雷達(dá)信號(hào)有相同的信號(hào)傳輸路徑，提高其硬件系統(tǒng)自檢功能的可靠性。同時(shí)自檢是完全以與雷達(dá)工作信號(hào)相同的機(jī)制，而非依賴混頻管偏壓，故避免了環(huán)境等對(duì)自檢可靠性的影響。

附圖說(shuō)明

圖1雷達(dá)發(fā)射頻率進(jìn)行掃頻調(diào)制后的混頻輸出結(jié)果圖；

圖2為駝峰測(cè)速雷達(dá)的電路結(jié)構(gòu)框圖；

圖3為自檢方法的流程圖；

具體實(shí)施方式

下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。

實(shí)施例1

本實(shí)施例提供了一種駝峰測(cè)速雷達(dá)及其自檢方法，所述駝峰測(cè)速雷達(dá)具有如圖2所示的結(jié)構(gòu)，包括調(diào)頻微帶天線和fpga主控模塊，其中，調(diào)頻微帶天線的信號(hào)輸出端通過(guò)依次連接的信號(hào)放大濾波電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路與fpga主控模塊的調(diào)頻信號(hào)輸入端連接，fpga主控模塊的調(diào)頻信號(hào)輸出端通過(guò)依次連接的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和掃頻電壓控制電路與調(diào)頻微帶天線的信號(hào)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(dá)自檢階段，fpga主控模塊連續(xù)發(fā)出固定頻率fδ為2000hz的三角波調(diào)制信號(hào)，調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊和掃頻電壓控制模塊后，控制雷達(dá)前端的調(diào)頻微帶天線進(jìn)行fmcw模式調(diào)制和幅度調(diào)制；根據(jù)fmcw技術(shù)原理，雷達(dá)發(fā)射波為隨時(shí)間按三角波規(guī)律變化的高頻連續(xù)波，雷達(dá)接收的回波的頻率與發(fā)射的頻率變化規(guī)律相同，只是有一個(gè)時(shí)間差，通過(guò)這個(gè)時(shí)間差可計(jì)算出目標(biāo)的距離；此外，經(jīng)過(guò)幅度調(diào)制的解調(diào)后，雷達(dá)輸出的多普勒信號(hào)會(huì)含有一個(gè)類似三角波的基頻信號(hào)，頻率與輸入的三角波調(diào)制信號(hào)頻率相同；

步驟s2：選擇hamming窗系列對(duì)雷達(dá)發(fā)出的多普勒信號(hào)進(jìn)行加窗截?cái)啵詼p少頻譜泄漏對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響；然后，選擇合適的采樣頻率fs，計(jì)算在采樣系列長(zhǎng)度為n的情況下，相對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的多普勒頻移值fd：

式中，0≤k≤n-1，且fs為fd的整數(shù)倍關(guān)系，以適當(dāng)?shù)臏p少計(jì)算誤差導(dǎo)致的頻率偏移。

步驟s3：對(duì)雷達(dá)輸出的多普勒信號(hào)中的i信號(hào)和q信號(hào)進(jìn)行長(zhǎng)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(mén)限fn，分別對(duì)xi(k)和xq(k)頻譜信號(hào)進(jìn)行極點(diǎn)峰值查詢，凡xi(k)的極點(diǎn)峰值處的幅度值|xi(k)|≥fn都認(rèn)為有效的極點(diǎn)峰值，把相應(yīng)的k點(diǎn)值記錄在數(shù)組si(i)里，si(i)＝{ki1,ki2,...}，i＝0,1,...n-1，n為滿足|xi(k)|≥fn的極點(diǎn)峰值個(gè)數(shù)；

步驟s5：使用多普勒頻移計(jì)算公式求出數(shù)組si(i)和sq(i)中相應(yīng)的k點(diǎn)位置的頻率，記為

步驟s6：選擇合適的頻率誤差范圍值δf，把和中的各個(gè)頻率值與三角波調(diào)制信號(hào)的頻率值fδ作比較，如果在sfi(i)里能找到則認(rèn)為i信號(hào)所通過(guò)的信號(hào)回路是正常的，反之，則認(rèn)為是異常的；同理，通過(guò)來(lái)判斷q信號(hào)所通過(guò)的信號(hào)回路是否正常；

步驟s7：重復(fù)步驟2-6，對(duì)i信號(hào)和q信號(hào)的信號(hào)回路進(jìn)行不間斷連續(xù)檢測(cè)，如果在多個(gè)檢測(cè)周期內(nèi)，i信號(hào)和q信號(hào)所通過(guò)的信號(hào)回路都正常，則認(rèn)為系統(tǒng)信號(hào)回路正常，并輸出頻率為2000hz的方波信號(hào)，提供給自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

以上為本發(fā)明一種詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，是以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于上述的實(shí)施例。