CN105334511A - 基于提取多普勒信号频率的铁路机车测速方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于提取多普勒信号频率的铁路机车测速方法，利用FFT粗略估计两路接收多普勒信号频谱最大值对应的频率，即起始频率f_max1和f_max2；然后利用新的采样率f_new＝k(f_max1+f_max2)/2对两路多普勒频率信号进行重采样以降低计算量；再者，对两路多普勒频率信号进行能量加权并进行频谱分析和频谱差分分析；最后按照误差约束条件寻找交叉点频率f_int，并利用公式计算列车速度。本发明利用双路多普勒信号频谱及差分技术提取交叉点频率，有效避免了传统功率谱估计技术存在的极值抖动问题，大大提高了铁路机车速度的测量精度。

Description

基于提取多普勒信号频率的铁路机车测速方法

技术领域

本发明涉及一种基于提取多普勒信号频率的铁路机车测速方法，具体涉及一种在铁路机车测速雷达***中利用多普勒效应实时计算机车水平运动速度的方法。

背景技术

目前，通用的机车测速方法有测速电机、脉冲转速传感器、GPS定位测速和雷达测速等。前两种方法属于直接接触式测量，因此精度低、可靠性差；GPS定位测速虽然精度较高，但因部分山区和隧道会产生信号盲区以及无法克服恶劣天气的影响导致不能全天候测速。相对而言，雷达测速可以克服以上诸多缺点。其技术原理是，当机车运行时，车载雷达始终向地面发射毫米波，根据多普勒效应原理，在发射波和反射波之间产生频差，通过测量频差可以计算出机车的运行速度。显然，测速精度由多普勒频率测量精度决定。实际当中，雷达天线一般与地面相距较近，由于波束宽度的影响会导致接收回波的多普勒频谱被严重展宽，传统的功率谱估计方法完全失效，因此，需要迫切研究一种精确提取回波多普勒频率的新方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于提取多普勒信号频率的铁路机车测速方法，它基于双路不对称天线获得的多普勒频谱及其差分提取交叉点多普勒频率，从而准确估计出机车的速度，以克服现有技术存在的缺陷。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于提取多普勒信号频率的铁路机车测速方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)由双天线获取不同的多普勒频率信号：将测速雷达***中所采用的两个微波前端天线分别以θ₁和θ₂的不对称发射角度安装，分别辐射波长为λ的毫米波照射地面，双天线获取不同的多普勒频率信号；

(2)根据初步的测速精度和测速范围要求，对双天线获取的多普勒频率信号分别进行采样，采样数据长度为L，并按照下述流程对双路天线接收的多普勒信号频谱的交叉点进行估计：

1)利用FFT算法求解出两路多普勒频率信号频谱最大值对应的频率，即起始频率f_max1和f_max2，初步实现多普勒频谱范围的粗略估计；

2)为降低数据量和运算量，利用新的采样率f_new＝k(f_max1+f_max2)/2对两路多普勒频率信号进行重采样，采样长度为N；其中，k为比例系数，根据奈奎斯特采样定律进行合理设定，其值至少为4；

3)对两路多普勒频率信号进行能量加权并进行频谱分析，即进行短时傅里叶变换，得到S₁(f)和S₂(f)；其中能量加权是为了补偿两路天线回波信号功率大小的不一致性；

4)分别对两路频谱做微分或一阶差分处理，得到频谱的导数S′₁(f)和S′₂(f)；

5)通过频谱及频谱导数寻找交叉点频率，交叉频点f_int的选取需同时满足以下两个条件：首先，|S₁(f_int)-S₂(f_int)|≤δ_f，其中δ_f为预先设定的幅度谱误差界；其次，||S′₁(f_int)|-|S′₂(f_int)||≤δ_d，其中δ_d为预先设定的幅度谱导数误差界；

(3)最后按照公式求得铁路机车速度v。

本发明的有益效果是：

本发明利用双路多普勒信号频谱及差分技术提取交叉点频率，有效避免了传统功率谱估计技术存在的极值抖动问题，大大提高了铁路机车速度的测量精度。

附图说明

图1为本发明采用双天线雷达安装示意图。

图2为本发明双天线雷达获得的多普勒信号频谱图(幅度谱)。

图3为本发明双天线雷达获得的多普勒信号幅度谱差分结果图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于提取多普勒信号频率的铁路机车测速方法，包括以下步骤：

(1)由双天线获取不同的多普勒频率信号：将测速雷达***中所采用的两个微波前端天线分别以40度(θ₁)和50度(θ₂)的不对称发射角度安装(安装高度为75cm)，分别辐射毫米波照射地面，双天线获取不同的多普勒频率信号；

(2)根据初步的测速精度和测速范围要求，对双天线获取的多普勒频率信号分别进行采样(采样数据长度为L，比如4096点)，并按照下述流程对双路天线接收的多普勒信号频谱的交叉点进行估计：

1)利用FFT算法求解出两路多普勒频率信号频谱最大值对应的频率，即起始频率f_max1和f_max2，初步实现多普勒频谱范围的粗略估计；

2)为降低数据量和运算量，利用新的采样率f_new＝k(f_max1+f_max2)/2对两路多普勒频率信号进行重采样(采样长度为N，比如128点)；其中，k为比例系数，根据奈奎斯特采样定律进行合理设定，其值至少为4；

3)对两路多普勒频率信号进行能量加权并进行频谱分析(短时傅里叶变换)得到S₁(f)和S₂(f)(见附图2)；其中能量加权是为了补偿两路天线回波信号功率大小的不一致性；

4)分别对两路频谱数据做微分或一阶差分处理，得到频谱的导数S′₁(f)和S′₂(f)(见附图3)；

5)通过频谱及频谱导数寻找交叉点频率，交叉频点f_int的选取需同时满足以下两个条件：首先，|S₁(f_int)-S₂(f_int)|≤δ_f，其中δ_f为预先设定的幅度谱误差界；其次，||S′₁(f_int)|-|S′₂(f_int)||≤δ_d，其中δ_d为预先设定的幅度谱导数误差界；

(3)最后按照公式求得铁路机车速度v。

Claims (1)

1.一种基于提取多普勒信号频率的铁路机车测速方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)由双天线获取不同的多普勒频率信号：将测速雷达***中所采用的两个微波前端天线分别以θ₁和θ₂的不对称发射角度安装，分别辐射波长为λ的毫米波照射地面，双天线获取不同的多普勒频率信号；

(2)根据初步的测速精度和测速范围要求，对双天线获取的多普勒频率信号分别进行采样，采样数据长度为L，并按照下述流程对双路天线接收的多普勒信号频谱的交叉点进行估计：

1)利用FFT算法求解出两路多普勒频率信号频谱最大值对应的频率，即起始频率f_max1和f_max2，初步实现多普勒频谱范围的粗略估计；

2)为降低数据量和运算量，利用新的采样率f_new＝k(f_max1+f_max2)/2对两路多普勒频率信号进行重采样，采样长度为N；其中，k为比例系数，根据奈奎斯特采样定律进行合理设定，其值至少为4；

3)对两路多普勒频率信号进行能量加权并进行频谱分析，即进行短时傅里叶变换，得到S₁(f)和S₂(f)；其中能量加权是为了补偿两路天线回波信号功率大小的不一致性；

4)分别对两路频谱做微分或一阶差分处理，得到频谱的导数S′₁(f)和S′₂(f)；

5)通过频谱及频谱导数寻找交叉点频率，交叉频点f_int的选取需同时满足以下两个条件：首先，|S₁(f_int)-S₂(f_int)|≤δ_f，其中δ_f为预先设定的幅度谱误差界；其次，||S′₁(f_int)|-|S′₂(f_int)||≤δ_d，其中δ_d为预先设定的幅度谱导数误差界；

(3)最后按照公式 $v=\frac{{\mathrm{\λf}}_{int}}{2cos(\frac{{\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2}{2}/180\×\mathrm{\π})}\×3.6km/h$ 求得铁路机车速度v。