一种两维速度测量的雷达系统的制作方法

本发明涉及雷达测速领域，具体的说是一种两维速度测量的雷达系统。

背景技术：

火车高铁的安全行驶关系到国家命脉，百姓出行安全，保证高速列车安全行驶的一个重要参数就是列车自身的速度大小，由于火车高铁在高度行驶时，车身会产生摆动，影响测量速度的准确性，如何高精度且实时快速的测量列车速度则显得尤为重要；目前国内高速列车测速雷达基本属于空白，传统的单一利用多普勒效应测速雷达，无论低速高速都无法准确的测量准确速度，同时无法抵消因列车起伏或安装角度误差带来的速度上的误差，为了精准的测量高速列车的速度及车身摆动剧烈程度，提出一种两维速度测量的雷达系统。

技术实现要素：

现为了解决上述技术问题，本发明提出了一种两维速度测量的雷达系统。本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种两维速度测量的雷达系统，包括安装在物体上的两个发射源及与对应发射源相连的两对阵列天线，所述阵列天线均分布在物体底部，其中一对阵列天线分布在物体底部的前后两侧，另外一对阵列天线分布在物体底部的左右两侧，所述两对阵列天线均连接有数字信号处理单元，所述数字信号处理单元利用双通道测速及雷达机械结构角度测量精准的物体速度和物体的摆动剧烈程度。

所述发射源包括鉴频鉴相器、压控震荡器和环路滤波器，所述鉴频鉴相器、压控震荡器和环路滤波器之间形成锁相环结构。

所述发射源均连接有波形信号放大器。

所述数字信号处理单元包括波形信号放大器、滤波器、混频器和数字芯片，所述混频器将阵列天线接收的信号混频得到中频信号，经数字芯片进行ad转换和傅里叶转换得到物理的速度和距离。

所述物体的精准速度测量步骤如下：

第一步：由速度的矢量特性可知，前向波速测得的速度大小为v1＝vcosα,后向波速测得的速度大小为v2＝vcosβ，其中α和β分别为前后波速与物体底部的夹角；

第二步：利用v＝v1/cosα＝v2/cosβ＝v2/cos(180-φ-α),通过v1和v2求出当前α的值，然后在精确求出物体速度v，其中φ为雷达的机械结构角度。

所述物体的摆动剧烈程度测量步骤如下：

第一步：由速度的矢量特性可知，左边通道可测得的车身摆动速度大小为v1＝vsinγ，右边通道可测得的车身摆动速度大小为v2＝vsinζ，其中γ和ζ为左右波速与列车底部的夹角；

第二步：利用v1/sinγ＝v2/sinζ＝v2/sin(180–δ–γ)，通过v1,v2求出当前γ，再精确求出物体的摆动速度，从而反映出物体左右摆动的剧烈程度，其中,δ为雷达机械结构角度。

所述发射源发出的波形为fmcw三角波，波束为窄波。

本发明的有益效果是：本发明在物体底部设有前后双天线，能够有效的消除因物体起伏或安装角度误差带来的速度上的误差，保证速度测量的准确性；在物体底部设有左右双天线，精准测量物体的摆动剧烈程度，保证列车的行车安全。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明系统结构示意图；

图2为本发明数字处理示意图；

图3为本发明速度测量示意图；

图4为本发明车身摆动剧烈程度测量示意图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面将结合实施例中的附图，对本发明进行更清楚、更完整的阐述，当然所描述的实施例只是本发明的一部分而非全部，基于本实施例，本领域技术人员在不付出创造性劳动性的前提下所获得的其他的实施例，均在本发明的保护范围内。

如图1至图4所示，一种两维速度测量的雷达系统，包括安装在物体上的两个发射源及与对应发射源相连的两对阵列天线，所述阵列天线均分布在物体底部，其中一对阵列天线分布在物体底部的前后两侧，另外一对阵列天线分布在物体底部的左右两侧，所述两对阵列天线均连接有数字信号处理单元，所述数字信号处理单元利用双通道测速及雷达机械结构角度测量精准的物体速度及物体的摆动剧烈程度。

所述发射源包括鉴频鉴相器、压控震荡器和环路滤波器，所述鉴频鉴相器、压控震荡器和环路滤波器之间形成锁相环结构；如图1中鉴频鉴相器为pfd，压控震荡器为vco，环路滤波器为lpf。

所述发射源均连接有波形信号放大器。

所述数字信号处理单元包括波形信号放大器、滤波器、混频器和数字芯片，所述混频器将阵列天线接收的信号混频得到中频信号，经数字芯片进行ad转换和傅里叶转换得到物理的速度和距离；所述数字芯片处理过程如下：设发射频率为ft(t)＝cos(2*π*(fo+2*bw/t*t)+φ),信号经过距离为r速度为v的物体后返回，时间为＝(2r+vt)/c(c为光速)，接收频率为fr(t)＝cos(2*π*(fo+2*bw/t*(t-(2*r+v*t)/c)+φo)；经过混频之后得到的中频信号为fo＝2*bw/(c*t)*(2*r+v*t),由于物体速度与光速相比，可以忽略不计，所以fo可以简写为fo＝4*bw*r/(c*t),即图2中的fup和fdn，此时fup和fdn包含物体的距离与速度频率。对fup和fdn进行ad转换，做傅里叶转换，即可以得到fup和fdn的频率值。设距离信息为fr,速度信息为fd，则fup＝|fr-fd|,fd＝|fr+fd|；两个公式对应两个未知数，即可求出距离与速度。

所述物体的精准速度测量步骤如下：

第一步：由速度的矢量特性可知，前向波速测得的速度大小为v1＝vcosα,后向波速测得的速度大小为v2＝vcosβ，其中α和β分别为前后波速与物体底部的夹角；

第二步：利用v＝v1/cosα＝v2/cosβ＝v2/cos(180-φ-α),通过v1和v2求出当前α的值，然后在精确求出列车速度v，其中φ为雷达的机械结构角度；如图3所示α为前向波速与列车底部的夹角；如图3所示，前后阵列天线安装在列车底部，α角为前向波速与列车底部的夹角，β角为后向波速与列车底部的夹角，φ为雷达机械机构角度，通过v1和v2求出当前α的值，然后再精确求出列车的速度v。

所述物体的摆动剧烈程度测量步骤如下：

第一步：由速度的矢量特性可知，左边通道可测得的车身摆动速度大小为v1＝vsinγ，右边通道可测得的车身摆动速度大小为v2＝vsinζ，其中γ和ζ为左右波速与列车底部的夹角；

第二步：利用v1/sinγ＝v2/sinζ＝v2/sin(180–δ–γ)，通过v1,v2求出当前γ，再精确求出车身的摆动速度，从而反映出车身左右摆动的剧烈程度，其中,δ为雷达机械结构角度；如图4所述左右阵列天线安装在列车底部，γ为左边波速与列车底部的夹角，ζ为右边波速与列车底部的夹角，δ为雷达机械机构角度，通过v1和v2求出当前γ，在精确求出车身的摆动速度，从而反应出车身左右摆动的距离程度。

所述发射源发出的波形为fmcw三角波，波束为窄波；fmcw雷达的回波通过距离频率能够将速度的多普勒频率抬高，即使速度很低，也能轻松获取准确的速度信息。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。