多普勒雷达测速系统设计及信号处理方法研究.doc

分类号 学号 M200971816学校代码 10487 密级 硕士学位论文 多普勒雷达测速系统设计 及信号处理方法研究 学位申请人： 杨蓉 学科专业： 检测技术与自动化装置 指导教师： 郑 英 教授 答辩日期： 2012 年 1 月 10 日A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of EngineeringDoppler Radar Speed Measurement System Design and Signal Processing Method Research Candidate ： Yang Rong Major ： Measuring Technology and Automatic Device Supervisor ： Prof. Zheng Ying Huazhong University of Science and Technology Wuhan， Hubei 430074， P. R. China January，2012 III 摘 要 我国列车运行时速在经过六次大提速后越来越快，而目前采用的一些速度检测方法对于高铁的发展存在不足，所以本文设计一款基于多普勒原理的雷达测速传感器，可以精确测量轨道交通车辆运行的速度、里程、方向，抗干扰能力强。 本文开始深入学习了 CW 多普勒雷达的测速工作原理，了解了雷达测速系统实现的技术难点是多普勒频率信号的提取。根据系统的性能参数指标要求提出了雷达测速系统的总体设计方案和结构设计框图。 本文研究的重点是多普勒雷达信号的处理。通过深入学习和研究经典和现代功率谱估计的各种算法，对各算法的优缺点进行分析并总结。用 MATLAB 对各算法实现仿真对比分析，最终采用基于 AR 模型的 Burg 算法作为系统的谱估计算法。然后详细分析了 Burg 算法中采样频率、采样点数、FFT 长度、模型阶数等几个参数对功率谱估计的影响，明确了这几个参数的优选原则，并对确定的模型算法进行了仿真验证。 本文也介绍了系统的软硬件设计。首先描述了硬件系统的主要模块和器件的功能，说明了微波模块的选型、信号的中频滤波放大电路设计以及数字处理模块各部分的主要功能实现。然后介绍了各软件模块的主要功能。最后对系统进行了基本试验验证并提出了改进策略。试验说明了本文设计的多普勒雷达测速系统的可行性，基本能够达到设计要求。 .关键词：雷达测速 频谱估计 AR 模型 Burg 算法 III Abstract With the development of Chinese transportation industry and six times speeding upthe train is running faster and faster. There are some deficiencies in the traditionalmethods of speed measurement further a radar sensor of speed measurement based onthe principle of Doppler is designed in this thesis. It can accurate measure the speedmileage direction of the rail transiting vehicles and has strong anti-interference ability. The research on Doppler radar signal processing is focused on in the thesis. Typicalalgorithms of power spectral estimation and modern algorithm of power spectralestimation are studied in detail and the advantages and disadvantages of each algorithmare analyzed and discussed. Evaluation results of simulations in Matlab show that theBurg algorithm based on the AR model has high frequency resolution and suitable degreeof difficulty. Then the effect of AR parameters such as sampling frequency samplingpoints length of FFT and order of the model on power spectrum estimation are analyzedthe optimization principles of the AR parameters are defined. The determined modelalgorithm is simulated with a high-noise multi-jamming signals and has good results This thesis also introduces the design of the hardware and software of the system.First the main modules of hardware and the function of device are briefly introducedand the selection of the microwave modules the design of the signal frequency amplifiercircuit and the main function realization of each part of the digital filtering processingmodules are analyzed. Second the main function of each part of the software arediscussed. Then basic simulation of the system is assigned and improving strategies areput forward. The results indicate that the feasibility of the design of the Doppler radarspeed measuring system is able to basicly meet the requirements of design.Keywords：radar speed measurement spectrum estimation AR model Burg algorithm II 目 录摘 要.1Abstract . II1 绪论1.1 课题研究背景、目的及意义 . 11.2 列车测速技术. 21.3 论文主要研究内容 . 42 多普勒雷达测速原理及系统结构设计2.1 多普勒雷达测速原理 . 52.2 多普勒雷达测速系统结构设计 . 102.3 本章小结. 153 多普勒雷达信号处理方法研究与仿真3.1 多普勒雷达信号处理方法 . 163.2 经典功率谱估计 . 173.3 参数模型功率谱估计 . 263.4 本章小结. 364 多普勒雷达测速系统实现4.1 系统硬件设计. 374.2 系统软件设计. 41 III4.3 系统基本试验. 504.4 系统改进策略. 524.5 本章小结. 545 总结与展望5.1 总结. 555.2 展望. 55致 谢. 57参考文献. 58附录：攻读硕士期间发表的论文及科研情况 . 62 IV 1 绪论1.1 课题研究背景、目的及意义 交通运输作为一个国家经济的基础，其可持续发展的能力直接影响经济持续稳定健康的发展。铁路作为我国重要的基础设施一部分，其发展速度关系到我国经济建设能否充分稳定的向前发展。在各种交通方式中，高速铁路具有运量大、速度高、节能环保等优势，受到世界各国的高度重视。尤其在最近十年里，高速铁路建设获得飞速发展。目前，国际上高速客运专线的线路速度为 200-350km/h，典型的运营速度达到 300km/h，行车密度达到每小时每个方向 15 列车。我国高速铁路建设起步于 2004 年，2007 年我国成功实施了既有线第六次大面积提速调图，既有线最高运营速度达到 250km/h，代表了既有线提速的世界最高水平。2008 年 8 月，京津城际客运专线成功开通 350km/h 动车组，达到世界高速列车运营速度的最高水平。 不断提高的行车速度及密度要求，给高速铁路建设带来诸多方面的技术挑战，涵盖通信信号、调度指挥、高速动车组、土木工程等各个领域。总所周知，列车运行的高速度、高密度就要求列车信号系统具有很高的实时性，列车运行控制系统是 1列车调度的主要系统，主要组成部分为列车 ATP 系统和列车 ATO 系统 。列车控制系统在正常工作和安全运行的情况下的主要参照指标是列车定位测速子系统提供的速度和位置信息。控制系统根据得到的位置、速度等信息，再通过某些机制的作用，就可以预估列车的运行状态，再决定接下来的运行方式是该采取制动措施还是该采取加速措施或是保持现状，因为列车的运行必须确保有运行的安全间隔距离2 。 不断发展的高速铁路，对列车控制系统的安全性、可靠性以及处理能力都突出了极高的要求。所以研制出实时性好、精度高、可靠性好的测速定位系统至关重要。 11.2 列车测速技术 随着列车运行速度的不断提高，铁路运输成为人们日常出行的最普通工具，铁路运输业的不断发展壮大，使列车的安全问题日益受到关注，尤其是经过温州动车事件之后，我国对列车的运行安全更加重视，这样就使得对列车运行控制系统的各种装置的研究不断加强，因为列车速度和位置的检测是列车运行最重要的参数，所以对于测速装置的研究就显得更为重要3。 列车速度测量的装置有很多种，如：霍尔测速传感器，磁敏测速传感器，电机转速传感器，光电式光栅传感器，多普勒雷达测速传感器，GPS 全球卫星定位传感器等一系列新老传感器设备。其中光电式光栅传感器是被应用最广泛的列车测速传感器，如电机测速传感器存在着一些齿轮的机械磨损以及转速等问题，已被光电式光栅传感器替代，目前国内普通列车的测速传感器就是光电式光栅传感器。 光电式光栅传感器属于脉冲转速传感器，主要由光栅、光电转换模块、安装外壳、联轴器、软性连接器等这些部分组成。光栅盘安?霸诼种嵘希绷谐悼荚诵校种峥甲痛庹躺瑁焙焱夥涞墓饩庹资笨捎晒獾缣酵方邮眨倬獾缱缓笫涑龇讲龀迤德剩夜谐瞪瞎娑孔?200 个脉冲，由提供的脉冲数就可以计算出列车的运行速度。这种测速方式简单，容易实现，并且现在采取了好多措施来防止列车的空转，打滑等现象。例如，在多个轮轴上装多个光栅式光电传感器，我们判断列车是否打滑或空转，不能仅凭一个光电传感器，将综合考虑多个方位的多个传感器来进行判断，所以这样做能够在一定程度上解决列车的空转和打滑现象，但也存在一些极端的情况不能精确检测，不仅如此，光栅式光电传感器还存在丢光栅的问题，因为光栅盘是安装在轮轴上，轮上又有很多润滑油之类的很多油会随着轮轴而转动到光栅上，将光栅孔堵塞住，从而导致丢光栅的现象，这样列车的运行速度的测量精度就受到很大的影响，而且，光栅式光电测速传感器方式是一种直接测量方式，受轮轴转动的影响，随着列车运行速度的不断提高，故机械磨损现象加剧。 2 所以综上所述，光栅式光电测速传感器不能很好适应时代的需求，跟不上高铁发展的趋势，所以必须探索更有效的列车测速方式。 GPS 全球卫星定位方式和雷达测速方式都是直接检测列车的运行速度，不需要获取列车轮轴的信息，所以不受车轮转动影响，也就不存在什么空转和滑行的问题。但 GPS 全球卫星定位测速方式存在一些问题，如在定位的区域地形很复杂，可能会出现误差，或当列车运行于山区和隧道内，这里不能接受无线电波，因此会产生信号盲区4，这样就根本无法实现列车运行速度的实时测量，所以 GPS 全球卫星定位方式无法实现测量的是实时性。 而多普勒雷达测速方式是通过雷达微波模块向地面发射电磁波，然后再接收由地面反射回来的信号，再通过后面的一系列信号处理，得到信号的多普勒频率，从而计算出列车的运行速度，所以这种方式受复杂地形的影响较小，并且能够实现列车的实时测量，但该方法的精度受计算算法和系统元器件选取影响较大，在设计系统时每个环节都要仔仔细细的琢磨和考虑。 通过介绍光栅式光电测速传感器，GPS 全球卫星定位测速方式和雷达测速方式等几种目前较为流行和正在研究的方法，我们可以看出，雷达测速方式的测量精度高，安全性和可靠性好，可以弥补前几种方法的不足之处，所以经过再三分析和比较，我们决定选用雷达测速方式作为我们研究的重点。雷达测速方式的具体原理和实现过程将会在后面几个章节重点介绍。 雷达测速技术首先在军事领域得到广泛的应用，它是作为一种军工技术随着科技的不断发展，雷达测速技术的不断成熟，加上全世界对道路交通安全的不断重视，雷达技术逐步变为民用技术，目前已经被广泛应用于交通道路的管制以及汽车主动安全技术等各个方面5。随着嵌入式软硬件技术的不断发展以及电子器件的越来越小型化和多样化，推动了全世界的对研发车载雷达的热潮678。国外某些国家在列车测速方面研究开始很早，其中最有名的是德国德意达公司研制的列车测速传感器DSR-6，国内在这方面起步很晚，相对来说性能较好的是 LDCS-1 型测速雷达，它由湖南省株洲市的湘依有限公司研制并已经投入生产。从两者产品的技术规格数的性能参数进行对比，湘依研制的测速产品在速度测量精度、处理的实时性、系统的 3稳定性等各方面都有很大的差距，所以我国列车车载测速雷达的研制水平急需提高9 。1.3 论文主要研究内容 本文就轨道交通用机车雷达测速系统做了深入研究和探讨，完成雷达测速系统的方案设计和系统软件算法的仿真、对比、选取和实现。 文章内容主要分为五个章节： 第一章介绍课题的背景、目的和意义，然后探讨各种列车测速方式并分析其优缺点，最后描述雷达测速技术的国内外研究状况。 第二章首先介绍多普勒效应，深入研究和推导连续被雷达测速的测量原理，为系统的实现做好理论铺垫，然后根据系统的性能指标给出了系统的总体结构设计框图。 第三章详细探讨了多普勒信号处理方法的各方法，主要分析了经典功率谱估计和现代功率谱估计的几种主要算法，通过 MATLAB 对各谱估计方法进行仿真分析，选用频率分辨率高、难度适宜的 Burg 算法作为本系统的谱估计算法。 第四章首先介绍了系统的硬件设计，并对各组成部分进行说明。然后介绍了系统的软件设计，确定适合系统的 Burg 算法各参数值并进一步验证其可行性，给出系统各软件功能模块。对系统进行基本试验并提出改进措施。 第五章对论文进行总结和展望。 4 2 多普勒雷达测速原理及系统结构设计2.1 多普勒雷达测速原理2.1.1 多普勒效应 奥地利物理学家及数学家克里斯琴约翰多普勒于 1842 年发现这一物理现象10 。当声源离观测者远去时，声波的波长增加，音调变得低沉，当声源接近观测者时，声波的波长减小，音调变高。音调的变化同声源与观测者之间的相对速度和声速的比值有关，这一比值越大，变化越明显。1843 年他首先提出了这一理论，主要内容为：波源和观测者相对运动，物体辐射的波长也因此产生变化。在运动的波源前面，因为波被压缩，波长变短，频率变高；当运动在波源后面时，则效应相反。波长变长，频率变低。波源速度越高，产生的效应越大。根据波红/蓝移的程度，从而计算出波源朝着观测方向运动的速度。 定量分析得到： u v0 f1 f 2-1 u vs 其中 vs 为波源相对于介质的速度， v0 为观察者相对于介质的速度， f 表示波源的固有频率，u 表示波在静止介质中的传播速度。 当观察者朝着波源运动时，v0 取正号；当观察者远离波源（即顺着波源）运动时， v0 取负号。当波源朝着观察者运动时， vs 前面取负号；当波源远离观察者运动时， vs 取正号。从上式易知，当观察者与声源相互靠近时， f1 f ；当观察者与声源相互远离时， f1 f 。 1930 年，电磁波领域开始运用这一规律，电磁波行进时遇到物体后，会被反弹回来。所碰到物体的运动状态改变，回波的频率和振幅也会随之改变。当所遇物体 5时固定不动时，则被反弹回来的电波频率不会变化，若所遇到的物体前进方向是朝着电磁波发射方向，则反弹后的电磁波会被压缩，频率会变大，同理，若所遇到的物体远离波源运动时，反弹后的电磁波信号频率会降低11。被反弹后的电磁波信号频率增加或减小的数值称为多普勒频率。公式如2-2所示： 2vr fd f0 2-2 C其中： f d 是多普勒频率， C 是光速，vr 是运动目标的速度， f 0 是发射波频率1213。2.1.2 CW 多普勒雷达测速 多普勒雷达分为 PW 和 CW 两种。PW 又称脉冲式雷达波，这种雷达波测速方式能够从反射回来的信号中获得速度和距离等信息，但由于其结构复杂，且容易产生解模糊，信号处理也比较困难，一般用于军事领域14。对于只需要速度信息的应用，可以使用成本低、结构简单的连续波雷达15，其信号处理也十分简单，只需要考虑提取信号的频率，信号的幅度和相位等其他信息则不需要考虑，所以本设计采用 CW（连续波）雷达波，以该连续波发射来说明接收反射回来的雷达信号的特性。因为雷达的分辨区域面积远大于被测目标的大小，所以理想状态下，我们可以假设 16目标为一个“点” 。 雷达发射信号可表示为： st A cos0t 2-3式2-3中， 为初相， 0 为发射出去信号的原始角频率， A 为振幅。 接收到经由被测目标反射回来的信号 sr t 为： sr t kst tr kA cos0 t tr 2-4 2Rtr 为对比发射信号，回波信号滞后的时间。其中： Ck：为回波信号的衰减系数；R：是目标和雷达站之间的距离； 6C：是电磁波的传播速度，大小与光速相等。 当被测目标固定不动时， R 也是固定值。相位差也是固定的，其值为： 2 R 2 0tr 2 f0 2R 2-5 C 它是相位滞后，是电磁波往返于雷达与被测目标之间所产生的，当回波信号与发射信号之间的相位差一定不变时，无法生成频率差，即接收与发射的信号频率没有发生改变。 当回波接收器与被测物体有相对运动时，则两者之间的距离是一个跟时间有关的变化函数。我们假设被测物体相对.