一種車載毫米波列車防撞雷達(dá)系統(tǒng)研究 (1)_圖文

1、第2卷第2期雷達(dá)學(xué)報(bào)Vol. 2No. 2 2013年6月 Journal of Radars Jun. 2013一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摘 要: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

2、精度,可有效分辨鐵軌內(nèi)外目標(biāo)。關(guān)鍵詞:列車防撞雷達(dá);數(shù)字陣列;頻率步進(jìn)信號(hào)中圖分類號(hào):TN972; TN958 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào): 2095-283X(201302-0234-05 DOI: 10.3724/SP.J.1300.2013.20091A Study of MMW Collision Avoidance Radar System for TrainsLiu Hai-bo Sheng Meng-meng Yang Xiao-qian(School of Information and Electronics, Beijing Institute of Technology,

3、Beijing 100081, ChinaAbstract: 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

4、 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 co

5、nfirmed a high azimuth and range resolution.Key words:Collision avoidance radar; Digital array; Frequency-stepped signal1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?！梆疁鼐€”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

6、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1-3。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*通信作者:劉海波 haibolhb 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

7、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

8、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)4。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5,如測(cè)量多目第2期 劉海波等: 一種車載毫米波列車防撞雷達(dá)系統(tǒng)研究 235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60sin sin ,1,2

9、,3,m m d =±="瓣?yáng)?(1其中,0為波束指向方向,為發(fā)射信號(hào)波長(zhǎng),d 為陣元間隔,由于本系統(tǒng)陣元間距6d ,計(jì)算出天線不掃描,第1柵瓣位置在±9.8°,天線掃描至2°時(shí),第1柵瓣位置在11.8°和7.8°,圖1給出實(shí)際的發(fā)射接收雙程方向圖,掃描角度2°2°范圍內(nèi),第1柵瓣可以控制在30dB 以下。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)7,本雷達(dá)采用收發(fā)分置天線1發(fā)16收工作

10、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)償處理寬帶應(yīng)用的雷達(dá)系統(tǒng)中,認(rèn)為通道的相位誤差mi 隨著時(shí)間和頻率而發(fā)生變化,下面分析了不同頻點(diǎn)和通道間相位誤差對(duì)高分辨成像和數(shù)字波束形成的影響?？紤]相位誤差后的調(diào)頻步進(jìn)信號(hào)第m 路的第i 個(gè)脈沖視頻回波為 圖1 不同指向下發(fā)射接收雙程方向圖Fig. 1Measured radiation patterns of transmitting and receiving antennas 圖2

11、 開關(guān)工作原理框圖Fig. 2 The configuration of SP4T switches2r 0(r 12(2(rect 2m m m mi j K t iT t m mi mi j i f t j f t j t iT t x t A e T e e e =( 目標(biāo)回波的時(shí)間延遲表示為(2/(1sin /m t R c m d c = (3其中,1,2,m M ="0,1,1,i N ="N 為頻率步進(jìn)階數(shù),mi A 為第m 路接收信號(hào)第i 個(gè)脈沖回波的幅度,(m t 為目標(biāo)回波的時(shí)間延遲,0f 為發(fā)射載頻中不變的基頻分量,r T 為脈沖重復(fù)周期,1T 為子脈

12、沖寬度,K 為脈內(nèi)線性調(diào)頻子脈沖的調(diào)頻斜率。 脈壓后信號(hào)為8(0/42( 2(4m m mij j f t mi i j i f t j X t A e e ee =236 雷 達(dá) 學(xué) 報(bào) 第2卷脈壓后信號(hào)相位為(0122(4mi m m mi i f t f t =+ (5理想情況下,0mi =,不同脈沖重復(fù)周期T r 間的相位具有嚴(yán)格的線性關(guān)系;而不理想情況下,假設(shè)誤差相位項(xiàng)是與i 相關(guān)的一次相位,mi mi mi i k b =+,不同T r 間的相位不再保持嚴(yán)格的線性關(guān)系。 補(bǔ)償相位的方法:將N 個(gè)脈沖壓縮后的最大目標(biāo)的相位,擬合成一次線性直線。假設(shè)擬合后的相位直線為mi m m ik

13、 b =+ (6逆傅里葉變換(IDFT輸出高分辨成像結(jié)果為 0/42(sin (2/2sin (2/2(7m mij j f t j b r m m m y l A e e e l N f R c N k N l N f R c k N=由式(7可知,當(dāng)m k 不同時(shí),各個(gè)通道峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的距離不同,即經(jīng)過(guò)IDFT 輸出高分辨成像的包絡(luò)無(wú)法對(duì)齊。這樣就對(duì)提取目標(biāo)相位信息再進(jìn)行數(shù)字波束形成造成了困難。解決方法:調(diào)整1m 個(gè)通道的斜率使其與第1個(gè)通道的斜率1k 一致。 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9。 同時(shí),若每個(gè)通道引入相位誤差mi b

14、,由式(7可知,IDFT 的輸出包含相位誤差項(xiàng),對(duì)數(shù)字波束形成的性能也會(huì)造成一定的影響。 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mi b 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,

15、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Fig. 3 The amplitude and phase errors compensation diagramof frequency stepped signal圖4 列車防撞雷達(dá)總體設(shè)計(jì)框圖Fig. 4The configuration of collision avoidance radar圖5 毫米波列車防撞雷達(dá)天線實(shí)物照片F(xiàn)ig. 5 The photograph

16、of collision avoidance radar第2期 劉海波等: 一種車載毫米波列車防撞雷達(dá)系統(tǒng)研究 237表1 列車防撞雷達(dá)基本參數(shù) Tab. 1 Specification of MMW radar工作頻段雷達(dá)波形Ka 頻率步進(jìn) 最大輻射功率 30 dBm幀周期 6.4 ms合成帶寬 1024 MHz重復(fù)周期 50 s 發(fā)射天線個(gè)數(shù) 1 接收天線個(gè)數(shù) 16 單個(gè)發(fā)射天線波束寬度 方位 3.5°,俯仰15° 單個(gè)接收天線波束寬度 方位12°,俯仰12°合成接收天線波束寬度 方位0.6° 接收陣元間隔約6倍波長(zhǎng)作用距離 50 m 3

17、km 掃描范圍-2°2° 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

18、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Fig. 6The arrangement of radar and corner reflectors 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Fig. 7 Experimental result of high resolution range profile Fig. 8 Exper

19、imental result of azimuthal measurementaccuracy 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Fig. 9 The rail experiment scene outdoors Fig. 10 Detection results of target outside the train railway238 雷 達(dá) 學(xué) 報(bào) 第2卷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

20、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。參 考 文 獻(xiàn)1H Rohling and Lissel E. 77 GHz radar sensor for car applicationC. Proceedings International Radar Conference, Alexandria, VA, USA, May 1995: 373-379. 2Stove and Andrew

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23、otive collision avoidance radarD. Ph.D. dissertation, Nanjing: Nanjing Institute of Technology, 2001: 32-33. 6張光義. 相控陣?yán)走_(dá)原理M. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2009: 391.Zhang Guang-yi. Principles of Phased Array RadarM. Beijing: National Defense Industry Press, 2009: 391. 7Masaru Ogawa, Yoshikazu Asano, Shigeki Ohshima, et al . Electrically scanned millimeter-wave radar with antenna switchingJ. Electronics and Communications in Japan , Part III : Fundamental Electronic Science , 2006, 89(1: 10-20.8 龍騰, 毛二可, 何佩琨. 調(diào)頻步進(jìn)雷達(dá)信號(hào)分析與處理J. 電子學(xué)報(bào), 1998, 26(12: 84-88.Long Teng, Mao Er-ke, and He Pei-kun. Analysis