CN208421219U - 一种高精度机车测速雷达 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种高精度机车测速雷达，包括外壳、容纳在所述外壳内的第一雷达天线和第二雷达天线、处理电路和数字板，所述外壳包括底板，所述底板在所述第一雷达天线和第二雷达天线的发出的波束的出射方向设置有开口，所述开口处用透波板补齐，所述处理电路和数字板容纳在所述外壳内，所述第一雷达天线和第二雷达天线通过所述处理电路与所述数字板电连接。本实用新型能够增强对不同路况的适应性，提高雷达测速精度。
Description
技术领域
本实用新型涉及雷达传感器技术领域，具体涉及一种高精度机车测速雷达。
背景技术
铁路列车是应用广泛的交通运输工具，在我国经济社会发展中具有重大的作用。随着铁路列车的提速，列车速度的实时测量已成为列车安全保障体系的重要环节。列车测速方法有多种多样，雷达测速已是目前常用的方法之一。
铁路机车测速雷达一般都安装在动力输出机车底部，体积太大不便于安装，在测量铁路机车的运行速度时，一种现有技术是采用单天线雷达进行测速，但是无论是内燃机车还是电力牵引机车，机车自身振动形成的震颤效应均会导致单天线雷达测速结果的波动，从而导致速度出现偏差。
在测量铁路机车的运行速度时，另一种现有技术是利用光电装置测量一个车轮过一个刚性轴的转数，但是在铁路机车打滑、空转，以及铁路机车车轮的直径因磨损而发生改变的情况下，都会导致速度出现偏差。
在测量铁路机车的运行速度时，还有一种现有技术是采用全球定位*** (GlobalPositioning System，简称GPS)测速，但是当铁路机车进入隧道等信号较弱的地带时，则GPS无法完成测速。
因此，随着铁路机车速度的提高，对铁路接车速度精度及准确度的测量有了更严格能够的要求，急需一种小型化并且可提高铁路接车雷达测速精度和准确度的装置。
发明内容
有鉴于此，本实用新型实施例提供了一种高精度机车测速雷达，用于解决现有技术中出现的测量速度存在误差及容易受环境影响的问题。
本实用新型实施例提供了一种一种高精度机车测速雷达，包括外壳、容纳在所述外壳内的第一雷达天线和第二雷达天线、处理电路和数字板，所述外壳包括底板，所述底板在所述第一雷达天线和第二雷达天线的发出的波束的出射方向设置有开口，所述开口处用透波板补齐，所述处理电路和数字板容纳在所述外壳内，所述第一雷达天线和第二雷达天线通过所述处理电路与所述数字板电连接。
在一些实施例中，所述第一雷达天线和所述第二雷达天线异向设置，且第一雷达天线和第二雷达天线发出的波束与地面构成的波束角的范围为40° -50°。
在一些实施例中，所述第一雷达天线和第二雷达天线发出的波束与地面构成的波束角为45°。
在一些实施例中，所述第一雷达天线和第二雷达天线为8×8尺寸的阵列天线。
在一些实施例中，所述外壳包括等腰梯形部和设置于所述等腰梯形部上的凸起部，所述等腰梯形部设置有底板、两个侧板、下支架和上支架，其中，
所述底板设置于所述等腰梯形部的下底边，所述两个侧板分别设置于所述等腰梯形部的两个腰；所述下支架设置于所述底板的中间部位；所述上支架设置于所述等腰梯形部的上底边。
在一些实施例中，还包括第一雷达天线固定板和第二雷达天线固定板，所述第一雷达天线设置在所述第一雷达天线固定板上，所述第二雷达天线设置在所述第二雷达天线固定板上，所述第一雷达天线固定板设置于所述下支架的一端与所述上支架的一端之间，所述第二雷达天线固定板设置于所述下支架的另一端与所述上支架的另一端之间。
在一些实施例中，所述第一雷达天线与所述第二雷达天线分别与所述底板之间设置有预设空间。
在一些实施例中，所述两个侧板与所述底板之间的夹角均为45°。
在一些实施例中，所述外壳在所述凸起部设置有通孔，所述通孔处安插设置有航空插座，所述航空插座装配设置有航空插头，所述航空插头与所述处理电路和数字板电连接。
在一些实施例中，所述两个侧板朝向所述第一雷达天线和第二雷达天线的一侧、以及所述底板除所述开口处设置有吸波材料。
本实用新型提供的高精度机车测速雷达，通过将底板在第一雷达天线和第二雷达天线的波束的出射方向设置有开口，开口处用透波板补齐，将处理电路和数字板均与第一雷达天线和第二雷达天线电连接，从而能够缩小机车测速雷达的体积，同时，能够利用第一雷达天线和第二雷达天线的角度关系及能量关系自动修正波束与地面之间的夹角，从而得到铁路机车的真实速度。由此，本实用新型能够增强对不同路况的适应性，提高雷达测速精度，且不需要从车轮转速中获取信息，因此，能有效避免车轮空转、滑行的等产生的速度偏差，能够用于全天候及异常路轨环境，且由于采用非接触式直接测量，使用寿命较传统产品有较大提高。
附图说明
图1是本实用新型实施例提供的一种高精度机车测速雷达的结构示意图。
图2是本实用新型实施例提供的一种高精度机车测速雷达的结构示意图。
图3是本实用新型实施例提供的另一种高精度机车测速雷达的结构示意图。
图4是第一雷达天线不设置外壳时X方向的仿真结果图。
图5是第一雷达天线不设置外壳时Y方向的仿真结果图。
图6是第一雷达天线外壳不设置底板时X方向的示意图。
图7是第一雷达天线外壳上不设置底板时X方向的仿真结果图。
图8是第一雷达天线外壳不设置底板时Y方向的示意图。
图9是第一雷达天线外壳上不设置底板时Y方向的仿真结果图。
图10是第一雷达天线外壳上设置底板及第一开口时X方向的示意图。
图11是第一雷达天线外壳上设置底板及第一开口时X方向的仿真结果图。
图12是第一雷达天线外壳上设置底板及第一开口时Y方向的示意图。
图13是第一雷达天线外壳上设置底板及第一开口时Y方向的仿真结果图。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
如图1所示，图1是本实用新型实施例提供的一种高精度机车测速雷达的结构示意图，所述高精度机车测速雷达例如可应用于铁路行业中普通列车、动车、高铁列车测速等应用场景中。
如图1所示，所述高精度机车测速雷达包括外壳、容纳在外壳内的第一雷达天线111和第二雷达天线112、处理电路和数字板118。
第一雷达天线111和第二雷达天线112用于发出固定频率的本振信号，再接收被目标反射回来的反射信号。如果第一雷达天线111和第二雷达天线112发射的波束中出现的移动目标物相对于第一雷达天线111或第二雷达天线112有径向速度，则发射的本振信号和接收的反射信号会出现频率差，称为多普勒频移，该多普勒频移和移动目标物的速度之间存在对应关系，所述处理电路通过该多普勒频移进行分析处理，并将分析处理后的信号发送至数字板118，所述数字板 118利用第一雷达天线111和第二雷达天线112二者之间的角度关系及能量关系自动修正第一雷达天线111及第二雷达天线112发出的波束与地面之间的夹角，从而得到铁路机车的真实速度。
下面将详细描述本实用新型实施例提供的高精度机车测速雷达的结构。
当第一雷达天线111和第二雷达天线112的尺寸越小时，其发出的本振信号波束越宽，速度准确度越低；当第一雷达天线111和第二雷达天线112的尺寸越大时，虽然其发出的本振信号波束指向性更强，但不利于高精度机车测速雷达的小型化。
有鉴于此，发明人在实践中，通过一系列的仿真和实验，发现当第一雷达天线111和第二雷达天线112选取8×8尺寸的阵列天线时，能够保证高精度机车测速雷达的小型化，同时不损失测量的精确度。
在一些实施例中，如图2所示，图2是本实用新型实施例提供高精度机车测速雷达的一种结构示意图，第一雷达天线111发出的波束1垂直于第一雷达天线111，波束1与地面构成第一天线波束角α1，第二雷达天线112发出的波束2垂直于第二雷达天线112，波束2与地面构成第二天线波束角α2。
当第一雷达天线111和第二雷达天线112发出的波束的照射方向与地面之间的夹角越大时，机动车行驶方向在第一雷达天线111和第二雷达天线112发出的波束的照射方向上的速度分量越小，产生的速度测量误差越大；当第一雷达天线111和第二雷达天线112发出的波束的照射方向与地面之间的夹角越小时，机动车行驶方向在第一雷达天线111和第二雷达天线112发出的波束的照射方向上的速度分量较大，但是对于高精度机车测速雷达的整体结构而言，其在与地面垂直的纵向方向上的尺寸会变大。同时，为了对高精度机车测速雷达进行防水、防尘，一般会在第一雷达天线111和第二雷达天线112的上方增加外壳113，当第一雷达天线111和第二雷达天线112发出的波束的照射方向上与地面之间的夹角越小时，为了防止外壳113遮挡第一雷达天线111和第二雷达天线112发出的波束，需要将外壳113的横向尺寸变大。因此，本实用新型实施例将第一天线波束角α1和第二天线波束角α2的范围设置为40°-50°，也即第一雷达天线111 和第二雷达天线112之间的夹角为80°-100°。优选的，当第一天线波束角α1和第二天线波束角α2均为45°时，能够使得机动车辆行驶方向在第一雷达天线 111和第二雷达天线112发出的波束的照射方向上的速度分量适中，同时不会造成高精度机车测速雷达尺寸变大。
当第一雷达天线111和第二雷达天线112异向设置时，波束1和波束2的指向有利于克服干扰、提高测速准确度。从信号角度来说，一方面能够防止第一雷达天线111和第二雷达天线112发出的波束范围重合带来的干扰；另一方面，当某一侧有干扰源时，不会导致第一雷达天线111和第二雷达天线112均出现异常信号，有利于车辆速度跟踪。从环境角度来说，当某一侧环境出现异常，即路面结构等发生变化时，双侧天线更有利于实现车辆速度跟踪。而将第一雷达天线111和第二雷达天线112设置在同侧时，不具备上述优点。
在一些实施例中，请参照图1，所述外壳包括等腰梯形部和设置于所述等腰梯形部上的凸起部，所述等腰梯形部设置有底板1131、两个侧板1132、下支架 114和上支架115。
其中，底板1131设置于所述等腰梯形部的下底边，其材料可以为5052铝合金，底板1131在第一雷达天线111的波束的出射方向设置有第一开口a，在第二雷达天线112的波束的出射方向设置有第二开口b，在第一开口a和第二开口b处分别用透波板补齐，所述透波板的材料可以为ABS塑料。由于小型机车测速雷达的口径小，第一雷达天线111和第二雷达天线112的波束角有一定宽度，当其照射在移动目标物上时，存在多个角度的分量，因而会导致测速时存在偏差。在外壳的底板上设置开口，会使得第一雷达天线111和第二雷达天线112 发出的波束更加聚焦，克服了角度的发散性，使得角度更加固定，进而提高测试的准确度。同时，底板1131只在第一雷达天线111和第二雷达天线112的波束的出射方向设置透波板，其他地方采用金属材料，能够增加高精度机车测速雷达的强度，如果底板全部采用透波板的话，第一雷达天线111和第二雷达天线112被异物打击概率较大。此外，透波板采用ABS塑料，对电磁波的损耗较小，强度高，不易老化。
在其他一些实施例中，所述两个侧板1132分别设置于所述等腰梯形部的两个腰，其材料可以为A356铝合金，下支架114设置于底板1131的中间部位，上支架115设置于所述等腰梯形部的上底边，所述下支架114和上支架115的材料可以为5052铝合金。第一雷达天线111设置在第一雷达天线固定板116上，第二雷达天线112设置在第二雷达天线固定板117上，例如：第一雷达天线111 和第二雷达天线112可以通过粘合性材料或插槽分别固定在所述第一雷达天线固定板116和第二雷达天线固定板117上，第一雷达天线固定板116设置于下支架114的一端和上支架115的一端之间，第二雷达天线固定板117设置于下支架 114的另一端和上支架115的另一端之间，第一雷达天线固定板116和第二雷达天线固定板117的材料可以为5052铝合金。第一雷达天线111和第二雷达天线 112与底板1131之间设置有预设空间。
在其他一些实施例中，所述两个侧板1132朝向第一雷达天线111和第二雷达天线112的一侧以及底板1131上除第一开口a和第二开口b处的地方可以设置有吸波材料，所述吸波材料能吸收或者大幅减弱投射到高精度机车测速雷达表面的电磁波能量，从而减少电磁波的干扰，所述吸波材料可以是碳系吸波材料，如：石墨烯、石墨、炭黑、碳纤维、碳纳米管；也可以是铁系吸波材料，如：铁氧体，磁性铁纳米材料；或者可以是陶瓷系吸波材料，如：碳化硅。
这样处理的好处在于，一方面，能够防止铁路机车在行驶过程中异物对第一雷达天线111和第二雷达天线112的撞击，起到物理防护的作用，另一方面，能够防止异物直接打击到第一雷达天线111和第二雷达天线112，从而导致第一雷达天线111和第二雷达天线112的性能发生改变，第三方面，能够进行雨雪防护，从而使得高精度机车测速雷达能够全天候、持续稳定地工作。
在一些实施例中，高精度机车测速雷达的外壳113在设计铸造加工过程中，将外壳113的两个侧板1132与底板1131之间的夹角均设计为45°，并对夹角进行严格控制与检验。采用这样的设计，一方面不会遮挡第一雷达天线111和第二雷达天线112发出的波束，另一方面，能够大大减少机车行进过程中异物撞击第一雷达天线111和第二雷达天线112的概率。
高精度机车测速雷达还包括容纳在外壳内与第一雷达天线111和第二雷达天线112分别电连接的处理电路，和与所述处理电路电连接的数字板。为了使得电路结构更加直观，请同时参阅图1和图3，图3为本实用新型实施例提供的高精度机车测速雷达的原理示意图，所述处理电路包括微波板221、模拟板222 和A/D转换芯片223(图1中未示出)。
第一雷达天线111和第二雷达天线112分别与各自对应的微波板221电连接，微波板221分别设置于所述第一雷达天线固定板116和第二雷达天线固定板117上，用于将第一雷达天线111和第二雷达天线112的发射阵列天线发射的波束和接收阵列天线接收的波束进行混频，并将混频后的信号转换为低频信号，所述微波板芯片例如是HMC533LP4E芯片。
所述模拟板222靠近所述微波板221设置，且与所述微波板221电连接，所述模拟板222用于滤除所述低频信号中的杂波，并对滤除杂波后的信号进行放大，获得放大信号，所述模拟板222可以包括滤波芯片和放大芯片，所述滤波芯片例如是LTC1560-1芯片，所述放大芯片例如是OPA4209芯片。
所述A/D转换芯片223用于将所述放大信号转换为数字信号，所述A/D转换芯片例如是CS5343芯片。
数字板118与所述A/D转换芯片223电连接，用于对所述数字信号进行处理，从而获得机动车的行驶速度。数字板118例如是DSP6713芯片，其设置于上支架115朝向下支架114的一侧，第一雷达天线111和第二雷达天线112通过所述处理电路同时与数字板118电连接，从而使得数字板118同时接收第一雷达天线111和第二雷达天线112的信号，能够使得信号同源，方便信号处理，同时，能够节省空间占用率，结构简单，从而进一步缩小高精度机车测速雷达的尺寸，有利于高精度机车测速雷达的小型化。
在一些实施例中，该高精度机车测速雷达还可以包括电源***，所述电源***与外接电源连接，用于给高精度机车测速雷达的各个单元提供其工作所需要的电压。
在一些实施例中，该高精度机车测速雷达还可以包括外部存储单元，用于存储所述数字板118工作所需要的程序和参数。
在一些实施例中，外壳113在所述凸起部设置有通孔，所述通孔处安插设置有航空插座，所述航空插座装配设置有航空插头8，所述航空插头8与所述处理电路和数字板118电连接。
为了更直观的说明本实用新型实施例提供的高精度机车测速雷达的测速精度和准确度，本实用新型以第一雷达天线为例，对第一雷达天线外壳上不设置底板及外壳上设置底板并在波束射出方向上设置开口两种结构进行仿真。如图4 至图13所示，将第一雷达天线发出的波束与地面的交点为原点，以目标物移动方向为Y轴方向，以垂直于所述目标物移动方向为X轴正方向建立坐标系。
图4是第一雷达天线不设置外壳时X方向的仿真结果图，此时，目标移动物在X方向上的增益为23dB，第一雷达天线副瓣为-30dB。
图5是第一雷达天线不设置外壳时Y方向的仿真结果图，此时，目标移动物在Y方向上的增益为23dB，第一雷达天线副瓣为-18dB。
图6是第一雷达天线外壳不设置底板时x方向的示意图，图7是第一雷达天线外壳上不设置底板时X方向的仿真结果图，此时，目标移动物在X方向上的增益为23dB，第一雷达天线副瓣为-27dB。
图8是第一雷达天线外壳不设置底板时Y方向的示意图，图9是第一雷达天线外壳上不设置底板时Y方向的仿真结果图，此时，目标移动物在Y方向上的增益为23dB，第一雷达天线副瓣为-15dB和-11dB。
图10是第一雷达天线外壳上设置底板及第一开口时X方向的示意图，图11 是第一雷达天线外壳上设置底板及第一开口时X方向的仿真结果图，此时，目标移动物在X方向上的增益为19dB，第一雷达天线副瓣为-28dB。
图12是第一雷达天线外壳上设置底板及第一开口时Y方向的示意图，图13 是第一雷达天线外壳上设置底板及第一开口时Y方向的仿真结果图，此时，目标移动物在Y方向上的增益为19dB，第一雷达天线的副瓣为-14dB和-12dB。
可见，由仿真可知，图4、图5和图7、图9相比可知，外壳两侧的两个侧板对第一雷达天线增益的影响较小；图4、图5和图11、图13相比可知，外壳对第一雷达天线的增益影响较大；图4、图5和图7、图9、图11、图13相比可知外壳会使第一雷达天线的副瓣增加。但是，收发还是有20dB以上的副瓣能量抑制，同时经过处理电路和数字板的处理和分析，能够抑制大角度方向的副瓣抑制，从而保证测速的稳定性。同时，外壳的底板上设置第一开口，能够增加第一雷达天线Y方向的波束角宽度，对第一雷达天线的测速和稳定性有一定的响应。因此，从图4-图13可以看出，采用本实用新型实施例提供的方案，能够提高机车测速雷达的精度和准确度。
利用本实用新型实施例提供的高精度机车测速雷达时，能够缩小高精度机车测速雷达的尺寸，便于安装，同时得到精确度高、稳定性强的测速。能够增强对不同路况的适应性，能有效避免车轮空转、滑行等产生的速度偏差，同时能全天候及异常路轨环境，且由于采用非接触式直接测量，使用寿命较传统产品有较大提高。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，对于本领域技术人员而言，本实用新型可以有各种改动和变化。凡在本实用新型的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高精度机车测速雷达，其特征在于，包括外壳、容纳在所述外壳内的第一雷达天线和第二雷达天线、处理电路和数字板，所述外壳包括底板，所述底板在所述第一雷达天线和第二雷达天线的发出的波束的出射方向设置有开口，所述开口处用透波板补齐，所述处理电路和数字板容纳在所述外壳内，所述第一雷达天线和第二雷达天线通过所述处理电路与所述数字板电连接。
2.根据权利要求1所述的高精度机车测速雷达，其特征在于，所述第一雷达天线和所述第二雷达天线异向设置，且第一雷达天线和第二雷达天线发出的波束与地面构成的波束角的范围为40°-50°。
3.根据权利要求2所述的高精度机车测速雷达，其特征在于，所述第一雷达天线和第二雷达天线发出的波束与地面构成的波束角为45°。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的高精度机车测速雷达传感，其特征在于，所述第一雷达天线和第二雷达天线为8×8尺寸的阵列天线。
5.根据权利要求1-3中任意一项所述的高精度机车测速雷达传感器，其特征在于，所述外壳包括等腰梯形部和设置于所述等腰梯形部上的凸起部，所述等腰梯形部设置有底板、两个侧板、下支架和上支架，其中，
所述底板设置于所述等腰梯形部的下底边，所述两个侧板分别设置于所述等腰梯形部的两个腰；所述下支架设置于所述底板的中间部位；所述上支架设置于所述等腰梯形部的上底边。
6.根据权利要求5所述的高精度机车测速雷达，其特征在于，还包括第一雷达天线固定板和第二雷达天线固定板，所述第一雷达天线设置在所述第一雷达天线固定板上，所述第二雷达天线设置在所述第二雷达天线固定板上，所述第一雷达天线固定板设置于所述下支架的一端与所述上支架的一端之间，所述第二雷达天线固定板设置于所述下支架的另一端与所述上支架的另一端之间。
7.根据权利要求5所述的高精度机车测速雷达，其特征在于，所述第一雷达天线与所述第二雷达天线分别与所述底板之间设置有预设空间。
8.根据权利要求5所述的高精度机车测速雷达，其特征在于，所述两个侧板与所述底板之间的夹角均为45°。
9.根据权利要求6所述的高精度机车测速雷达，其特征在于，所述外壳在所述凸起部设置有通孔，所述通孔处安插设置有航空插座，所述航空插座装配设置有航空插头，所述航空插头与所述处理电路和数字板电连接。
10.根据权利要求6所述的高精度机车测速雷达，其特征在于，所述两个侧板朝向所述第一雷达天线和第二雷达天线的一侧、以及所述底板除所述开口处设置有吸波材料。
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