基于提取多普勒信號(hào)頻率的鐵路機(jī)車測(cè)速方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于提取多普勒信號(hào)頻率的鐵路機(jī)車測(cè)速方法，具體涉及一種在 鐵路機(jī)車測(cè)速雷達(dá)系統(tǒng)中利用多普勒效應(yīng)實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)車水平運(yùn)動(dòng)速度的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，通用的機(jī)車測(cè)速方法有測(cè)速電機(jī)、脈沖轉(zhuǎn)速傳感器、GPS定位測(cè)速和雷達(dá)測(cè) 速等。前兩種方法屬于直接接觸式測(cè)量，因此精度低、可靠性差；GPS定位測(cè)速雖然精度較 高，但因部分山區(qū)和隧道會(huì)產(chǎn)生信號(hào)盲區(qū)以及無法克服惡劣天氣的影響導(dǎo)致不能全天候測(cè) 速。相對(duì)而言，雷達(dá)測(cè)速可以克服以上諸多缺點(diǎn)。其技術(shù)原理是，當(dāng)機(jī)車運(yùn)行時(shí)，車載雷達(dá) 始終向地面發(fā)射毫米波，根據(jù)多普勒效應(yīng)原理，在發(fā)射波和反射波之間產(chǎn)生頻差，通過測(cè)量 頻差可以計(jì)算出機(jī)車的運(yùn)行速度。顯然，測(cè)速精度由多普勒頻率測(cè)量精度決定。實(shí)際當(dāng)中， 雷達(dá)天線一般與地面相距較近，由于波束寬度的影響會(huì)導(dǎo)致接收回波的多普勒頻譜被嚴(yán)重 展寬，傳統(tǒng)的功率譜估計(jì)方法完全失效，因此，需要迫切研究一種精確提取回波多普勒頻率 的新方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是提供一種基于提取多普勒信號(hào)頻率的鐵路機(jī)車測(cè)速方法，它基于 雙路不對(duì)稱天線獲得的多普勒頻譜及其差分提取交叉點(diǎn)多普勒頻率，從而準(zhǔn)確估計(jì)出機(jī)車 的速度，以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷。
[0004] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0005] -種基于提取多普勒信號(hào)頻率的鐵路機(jī)車測(cè)速方法，其特征在于，包括以下步 驟：
[0006] (1)由雙天線獲取不同的多普勒頻率信號(hào)：將測(cè)速雷達(dá)系統(tǒng)中所采用的兩個(gè)微波 前端天線分別以Θ^ΡΘ2的不對(duì)稱發(fā)射角度安裝，分別輻射波長(zhǎng)為λ的毫米波照射地面， 雙天線獲取不同的多普勒頻率信號(hào)；
[0007] (2)根據(jù)初步的測(cè)速精度和測(cè)速范圍要求，對(duì)雙天線獲取的多普勒頻率信號(hào)分別 進(jìn)行采樣，采樣數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為L(zhǎng)，并按照下述流程對(duì)雙路天線接收的多普勒信號(hào)頻譜的交叉點(diǎn) 進(jìn)行估計(jì)：
[0008] 1)利用FFT算法求解出兩路多普勒頻率信號(hào)頻譜最大值對(duì)應(yīng)的頻率，即起始頻率 f_2，初步實(shí)現(xiàn)多普勒頻譜范圍的粗略估計(jì)；
[0009] 2)為降低數(shù)據(jù)量和運(yùn)算量，利用新的采樣率f_=k(fΜχ1+?·_2)/2對(duì)兩路多普勒 頻率信號(hào)進(jìn)行重采樣，采樣長(zhǎng)度為Ν;其中，k為比例系數(shù)，根據(jù)奈奎斯特采樣定律進(jìn)行合理 設(shè)定，其值至少為4 ;
[0010] 3)對(duì)兩路多普勒頻率信號(hào)進(jìn)行能量加權(quán)并進(jìn)行頻譜分析，即進(jìn)行短時(shí)傅里葉變 換，得到Si(f)和&&);其中能量加權(quán)是為了補(bǔ)償兩路天線回波信號(hào)功率大小的不一致 性；
[0011] 4)分別對(duì)兩路頻譜做微分或一階差分處理，得到頻譜的導(dǎo)數(shù)S'i(f)和S' 2(f);
[0012] 5)通過頻譜及頻譜導(dǎo)數(shù)尋找交叉點(diǎn)頻率，交叉頻點(diǎn)fint的選取需同時(shí)滿足以下 兩個(gè)條件：首先，|Si(fint)-s2(fint)| <sf，其中預(yù)先設(shè)定的幅度譜誤差界；其次， Is'i(fint)h|s' 2(fint)||<sd，其中為預(yù)先設(shè)定的幅度譜導(dǎo)數(shù)誤差界；
[0013] (3)最后按照公另R得鐵路機(jī)車速度V。
[0014] 本發(fā)明的有益效果是：
[0015] 本發(fā)明利用雙路多普勒信號(hào)頻譜及差分技術(shù)提取交叉點(diǎn)頻率，有效避免了傳統(tǒng)功 率譜估計(jì)技術(shù)存在的極值抖動(dòng)問題，大大提高了鐵路機(jī)車速度的測(cè)量精度。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明采用雙天線雷達(dá)安裝示意圖。
[0017]圖2為本發(fā)明雙天線雷達(dá)獲得的多普勒信號(hào)頻譜圖（幅度譜）。
[0018]圖3為本發(fā)明雙天線雷達(dá)獲得的多普勒信號(hào)幅度譜差分結(jié)果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 如圖1所示，一種基于提取多普勒信號(hào)頻率的鐵路機(jī)車測(cè)速方法，包括以下步驟：
[0020] (1)由雙天線獲取不同的多普勒頻率信號(hào)：將測(cè)速雷達(dá)系統(tǒng)中所采用的兩個(gè)微波 前端天線分別以40度（ΘJ和50度（Θ2)的不對(duì)稱發(fā)射角度安裝（安裝高度為75cm)，分 別輻射毫米波照射地面，雙天線獲取不同的多普勒頻率信號(hào)；
[0021] (2)根據(jù)初步的測(cè)速精度和測(cè)速范圍要求，對(duì)雙天線獲取的多普勒頻率信號(hào)分別 進(jìn)行采樣（采樣數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為L(zhǎng)，比如4096點(diǎn)），并按照下述流程對(duì)雙路天線接收的多普勒信 號(hào)頻譜的交叉點(diǎn)進(jìn)行估計(jì)：
[0022] 1)利用FFT算法求解出兩路多普勒頻率信號(hào)頻譜最大值對(duì)應(yīng)的頻率，即起始頻率 f_2，初步實(shí)現(xiàn)多普勒頻譜范圍的粗略估計(jì)；
[0023] 2)為降低數(shù)據(jù)量和運(yùn)算量，利用新的采樣率f_= /2對(duì)兩路多普勒 頻率信號(hào)進(jìn)行重采樣（采樣長(zhǎng)度為N，比如128點(diǎn)）；其中，k為比例系數(shù)，根據(jù)奈奎斯特采 樣定律進(jìn)行合理設(shè)定，其值至少為4;
[0024]3)對(duì)兩路多普勒頻率信號(hào)進(jìn)行能量加權(quán)并進(jìn)行頻譜分析（短時(shí)傅里葉變換）得到 Si(f)和&&)(見附圖2);其中能量加權(quán)是為了補(bǔ)償兩路天線回波信號(hào)功率大小的不一致 性；
[0025]4)分別對(duì)兩路頻譜數(shù)據(jù)做微分或一階差分處理，得到頻譜的導(dǎo)數(shù)S'Jf)和 S' 2(f)(見附圖3);
[0026]5)通過頻譜及頻譜導(dǎo)數(shù)尋找交叉點(diǎn)頻率，交叉頻點(diǎn)fint的選取需同時(shí)滿足以下 兩個(gè)條件：首先，|Si(fint)-S2(fint)| <Sf，其中預(yù)先設(shè)定的幅度譜誤差界；其次， |S<i(fint)h|S' 2(fint)||<Sd，其中為預(yù)先設(shè)定的幅度譜導(dǎo)數(shù)誤差界；
[0027] (3)最后按照公另
求得鐵路機(jī)車速度V。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于提取多普勒信號(hào)頻率的鐵路機(jī)車測(cè)速方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 由雙天線獲取不同的多普勒頻率信號(hào)：將測(cè)速雷達(dá)系統(tǒng)中所采用的兩個(gè)微波前端 天線分別以θ^ρ Θ 2的不對(duì)稱發(fā)射角度安裝，分別輻射波長(zhǎng)為λ的毫米波照射地面，雙天 線獲取不同的多普勒頻率信號(hào)； (2) 根據(jù)初步的測(cè)速精度和測(cè)速范圍要求，對(duì)雙天線獲取的多普勒頻率信號(hào)分別進(jìn)行 采樣，采樣數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為L(zhǎng)，并按照下述流程對(duì)雙路天線接收的多普勒信號(hào)頻譜的交叉點(diǎn)進(jìn)行 估計(jì)： 1) 利用FFT算法求解出兩路多普勒頻率信號(hào)頻譜最大值對(duì)應(yīng)的頻率，即起始頻率f_i 和f_2，初步實(shí)現(xiàn)多普勒頻譜范圍的粗略估計(jì)； 2) 為降低數(shù)據(jù)量和運(yùn)算量，利用新的采樣率f_= /2對(duì)兩路多普勒頻率 信號(hào)進(jìn)行重采樣，采樣長(zhǎng)度為N;其中，k為比例系數(shù)，根據(jù)奈奎斯特采樣定律進(jìn)行合理設(shè) 定，其值至少為4; 3) 對(duì)兩路多普勒頻率信號(hào)進(jìn)行能量加權(quán)并進(jìn)行頻譜分析，即進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換，得 到Si (f)和&&);其中能量加權(quán)是為了補(bǔ)償兩路天線回波信號(hào)功率大小的不一致性； 4) 分別對(duì)兩路頻譜做微分或一階差分處理，得到頻譜的導(dǎo)數(shù)S' Jf)和S' 2(f); 5) 通過頻譜及頻譜導(dǎo)數(shù)尋找交叉點(diǎn)頻率，交叉頻點(diǎn)fint的選取需同時(shí)滿足以下兩 個(gè)條件：首先，|Si(fint)-S2(fint)|彡Sf，其中預(yù)先設(shè)定的幅度譜誤差界；其次， |S< i(fint)h|S' 2(fint)||<Sd，其中為預(yù)先設(shè)定的幅度譜導(dǎo)數(shù)誤差界； (3) 最后按照公式求得鐵路機(jī)車速度v。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于提取多普勒信號(hào)頻率的鐵路機(jī)車測(cè)速方法，利用FFT粗略估計(jì)兩路接收多普勒信號(hào)頻譜最大值對(duì)應(yīng)的頻率，即起始頻率fmax1和fmax2；然后利用新的采樣率fnew＝k(fmax1+fmax2)/2對(duì)兩路多普勒頻率信號(hào)進(jìn)行重采樣以降低計(jì)算量；再者，對(duì)兩路多普勒頻率信號(hào)進(jìn)行能量加權(quán)并進(jìn)行頻譜分析和頻譜差分分析；最后按照誤差約束條件尋找交叉點(diǎn)頻率fint，并利用公式計(jì)算列車速度。本發(fā)明利用雙路多普勒信號(hào)頻譜及差分技術(shù)提取交叉點(diǎn)頻率，有效避免了傳統(tǒng)功率譜估計(jì)技術(shù)存在的極值抖動(dòng)問題，大大提高了鐵路機(jī)車速度的測(cè)量精度。
【IPC分類】G01S13/58
【公開號(hào)】CN105334511
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510746409
【發(fā)明人】周青松, 李小波, 王偉, 黃中瑞, 毛云祥
【申請(qǐng)人】周青松, 李小波
【公開日】2016年2月17日
【申請(qǐng)日】2015年11月3日