列车绝对速度测量装置及速度计算方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及轨道交通技术领域，具体涉及一种列车绝对速度测量装置，还涉及一 种列车速度计算方法。
【背景技术】
[0002] 行驶速度是列车控制系统的重要输入量，速度的准确测量对保障行车安全起着至 关重要的作用。目前用于检测列车速度的传感器主要分为转速传感器和线速传感器两大 类。转速传感器包括磁电传感器、霍尔传感器和光电传感器等，转速传感器对电机、齿轮箱 或车轴的转速进行测量并将转速转换为列车运行速度。这类传感器对转速的精度较高、可 靠性较好，但在车轮空转和打滑的情况下无法准确测量列车速度。线速传感器包括GPS传感 器、轨道电路传感器和雷达式传感器等，线速传感器直接对列车的运行速度进行测量。其中 GPS利用卫星对列车位置进行实时定位，从而计算出速度，但这种方法的精度较低，可靠性 较差，在隧道和林区会接收不到卫星信号而无法测量。轨道电路安装在轨道上，利用磁场或 光学原理在列车通过时发出信号，其可靠性较高，但由于它不可移动，大量布设成本太高， 一般只在车站附近布置，只能作为信号装置使用。
[0003]现在列车上较为常用的绝对速度测量装置是雷达式速度传感器。雷达式传感器安 装在车体下方并向轨道发射电磁波，利用反射的电磁波的频移测量速度，可以较为可靠地 实时测量列车绝对速度。如申请公布号为CN103612649A(申请号为201310602215.6)的中国 发明专利申请《基于激光多普勒测速的列车精确定位方法及装置》，以及授权公告号为 CN203588540(申请号为201320692772.7)的中国实用新型专利《城市轨道交通车载雷达测 速试验装置》，其中公开的技术方案均采用雷达进行列车测速。但是雷达测速也存在精度较 差、有测量死区、冰雪条件下无法测量这些缺点。雷达波是一种电磁波，易受到电磁干扰的 影响，因此测量精度较低。雷达速度传感器采用多普勒的方法进行测量，需要通过混频器比 较两束高频信号的频率差，由于元器件的限制，太小的频率差无法测量，存在测量死区。在 冰雪条件下，雷达速度传感器由于冰层对信号多次反射而存在多值性的问题。
[0004]空间滤波测速也是一种可行的测速方法，空间滤波测速的基本原理如图1所示。在 光源的照射下，移动目标经过透镜(L)聚焦以后成像在空间滤波器(SF)上，空间滤波器可以 采用光栅，被空间滤波器调制后被光电探测器(PD)接收，目标图像中的每一个像素点经过 光栅后会在光电探测器上形成一个正弦波或方波(像素点尺寸大会产生正弦波，尺寸小会 产生方波），波形的频率与速度有关。所有的像素点在光电探测器上产生的信号是无数个相 位不同、频率不同的周期信号的合集，通过频谱分析方法很容易将信号的中心频率计算出 来，从而得到目标速度值。
[0005]空间滤波器有多种实现方法，如采用光栅和光电二极管的方案，该方法无法确定 目标的运动方向，不适用于列车的速度检测。还有使用梳状光电探测器，这种方式的电路即 信号处理方式较为简单，但是由于梳状器件非大规模商业化器件，需要特殊定制，成本较 尚。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术提供一种能够实时、精确 列车相对于地面的绝对速度，且测量死区小、不受气候条件影响的列车绝对速度测量装置。
[0007] 本发明所要解决的第二个技术问题是针对上述现有技术提供一种能够精确计算 列车速度，且能够有效判断列车行进方向的列车速度计算方法。
[0008] 本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为:一种列车绝对速度测量装 置，设置在列车上靠近轨道的上方位置，其特征在于:包括基体、设置在所述基体上且位于 轨道上方的光学镜头、设置在所述光学镜头外侧的光源、能够以高频率和小数据量采集轨 道图像的数据采集单元以及用于处理图像以获取速度和方向信息的信号处理单元；
[0009] 所述数据采集单元设置在所述基体内且位于所述光学镜头上方，所述信号处理单 元设置在所述基体内且与所述数据采集单元相连接。
[0010] 为了避免在寒冷环境中光学镜头的表面凝结水汽，所述光学镜头的下方还设置有 用于加热光学镜头的加热组件。
[0011] 为了避免粉尘、油污对光学镜头的污染，所述光学镜头的下方还设置有用于吹扫 光学镜头的吹扫组件。
[0012] 方便地，所述吹扫组件与列车风管相连接。
[0013] 为了保护光学镜头不受污染，同时避免外界环境光对光学镜头光的干扰，所述基 体的下方还罩设有透明的保护罩，所述光源和所述光学镜头位于所述保护罩内。
[0014] 可选择地，所述数据采集单元为线阵CCD或者线阵光电二极管，所述线阵CCD、所述 线阵光电二极管平行于所述轨道设置。
[0015] 优选地，所述信号处理单元包括有时钟电路、驱动电路、用于对数据采集单元的数 据进行空间滤波处理的空间滤波电路和用于列车绝对速度和列车运动方向计算的数字计 算电路，所述空间滤波电路包括空间滤波处理模块和采样模块，所述空间滤波处理模块和 采样模块相连接；
[0016] 所述时钟电路的输出端分别与所述驱动电路的输入端和空间滤波电路的输入端 相连接，所述驱动电路的输出端与所述数据采集单元的输入端相连接，所述空间滤波电路 的输入端与所述数据采集单元的输出端相连接，所述空间滤波电路的输出端与所述数字计 算电路相连接；
[0017] 所述数字计算电路包括有用于计算列车绝对速度的速度计算模块和计算列车运 动方向的方向计算模块，所述空间滤波电路的输出端分别与所述速度计算模块和方向计算 丰吴块相连接。
[0018] 本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为:一种列车速度计算方法， 其特征在于包括如下步骤：
[0019] 步骤一、点亮光源，光源发出的光照亮轨道的表面，轨道表面图像通过光学镜头成 像于数据采集单元上；
[0020] 步骤二、在时钟电路的控制下，驱动电路驱动数据采集单元采集轨道成像图像的 数据信号；
[0021] 步骤三、空间滤波电路在时钟电路的控制下采样数据采集单元中采集的数据信 号，并转化为数据流，将数据流在空间滤波处理模块中进行空间滤波处理，以获取两组相位 相差90°的信号；
[0022] 步骤四、将空间滤波处理后的两组数据分别传送至数字计算电路的速度计算模块 和方向计算模块中；
[0023] 步骤五、在速度计算模块中，对其中一组信号进行频谱分析获取的目标速度绝对 值即为列车绝对速度；
[0024] 在方向计算模块中，对两组信号采用傅里叶算法或者D触发器的识别方法识别列 车的速度方向；
[0025] 或者在列车上安装加速度传感器，设置加速度传感器的方向与列车行进的正方向 相同，使用加速度传感器采集列车的加速度数据;对列车绝对速度进行求导运算一获得导 数数据；当列车绝对速度为〇时，无需方向判断；当加速度数据的符号和导数数据的符号一 致时，判断列车正向行驶;当加速度数据的符号和导数数据的符号不一致时，判断列车反向 行驶。
[0026] 自线阵CCD(51)中采样获取的数据流的空间滤波处理方法为:对于线阵(XD(51)采 集获取的轨道成像图像的每一帧的像素值数据形成的数据流，对于像素值数据，设定K个像 素为一个小单元，设定四个小单元为一个大单元，其中K2 1，且K为正整数；
[0027] 在同一帧中，将每个大单元中的第一个小单元、第二个小单元作和计算得到XI，第 三个小单元与第四个小单元作和计算得到X2,再将XI与X2做差计算得到Y1;
[0028] 将第二个小单元与第三个小单元作和计算得到X3,第一个小单元与第四个小单元 作和计算得到X4,再将X3与X4做差计算得到Y2,从而获取两组相位相差90°的信号Y1与Y2; 利用线阵CCD连续不断地采集图像，以获取信号Y1与Y2对应的变化曲线信号Z1和Z2;
[0029] 自线阵光电二极管采样获取的数据流的空间滤波处理方法为:线阵光电二极管中 依次排列的4N(N2 1，N为正整数)个光电二极管，将第4k+l(k= 0，l，2"_，N-l)个光电二极管 均连接在第一加法器上，利用第一加法器对各第4k+l个光电二极管采集的对到成像图像对 应的模拟电信号进行放大计算，然后输出模拟信号A1;
[0030] 同理，将第4k+2个光电二极管均连接在第二加法器上，从而获取模拟信号A2，将第 4k+3个光电二极管均连接在第三加法器上，从而获取模拟信号A3,将第4k+4个光电二极管 均连接在第四加法器上，从而获取模拟信号A4;第一加法器、第二加法器、第三加法器、第四 加法器的放大倍数相同；
[0031] 使用第五加法器放大计算模拟信号A1和模拟信号A2以获取模拟信号XI，使得XI= A1+A2;使用第六加法器放大计算模拟信号A3和模拟信号A4以获取模拟信号X2,使得X2 =A3 +A4;使用第七加法器放大计算模拟信号A