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)閉塞手段來保證行車安全，但列控系統(tǒng)只能保證監(jiān)測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)的探測威力和更高的角度測量精度，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)葐栴}，并給出了原理樣機(jī)外場實(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)，角度測量精度需達(dá)到0.02°，為獲得高的測量精度，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量精度，同時(shí)為了抑制角閃爍問題，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)問題，如測量多目標(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，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，并且采用了寬發(fā)窄收體制，通過控制發(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)過功率放大后發(fā)射。接收天線使用4路接收機(jī)通過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角能，設(shè)計(jì)了如圖6所示的實(shí)驗(yàn)場景：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，測量兩者之間角度差并與真實(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)單脈沖角度測量誤差，可以看到單脈沖的角度測量精度在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)的測量誤差

圖9鐵軌實(shí)驗(yàn)場景

圖10 鐵軌旁目標(biāo)檢測結(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

國家自然科學(xué)基金(61101229)資助課題

劉海波 haibolhb@bit.edu.cn