轨道交通列车及用于轨道交通列车的雷达测速方法和装置与流程

1.本发明涉及轨道交通列车测速的技术领域，尤其涉及一种轨道交通列车及用于轨道交通列车的雷达测速方法和装置。


背景技术：

2.安全和高效是轨道交通装置追求的两大目标，而用于控制列车运行速度的列车运行控制装置是确保列车运行安全、提高列车运行效率的核心子装置。在列车运行自动控制装置中，列车测速、定位是一项关键性的技术，如何可靠获得列车实时的、精确的速度和位置信息至关重要。
3.目前，通过雷达测速的方法获得列车运动信息进行列车测速是一种可行的方案。雷达测速的工作原理是基于多普勒效应，测量相对运动的物体反射波的频率差来测量速度的。实际测量中测速雷达被安装在机车车底，雷达天线以与地面成θ角的方向发射雷达波，当列车与地面有相对运动时，接收到的雷达波会产生频移量。设fd为多普勒频移量，则如图1所示，存在如下关系式：
[0004][0005]
其中，λ为雷达波波长，θ是雷达天线与地面的夹角(雷达波发射角)，v是列车相对于地面的行驶速度，vr是v在雷达水平面上的分量。
[0006]
单雷达探测通过多普勒频率fd、雷达高度h计算列车速度。利用该方法解算列车速度需要精确一致雷达天线相位中心高度。然而实际上，雷达天线相位中心与天线几何中心一般不重合，给雷达高度测量带来了困难。此外，对于不同的列车、不同的铁轨、不同的雷达安装位置都需要对应测量雷达天线相位中心高度。因此，利用单部雷达解算列车速度在实际的工程实现及应用上存在困难，因而难以在实际应用中获取足够可靠、准确的测速结果。
[0007]
因此，亟需设计一种新的用于轨道交通列车的雷达测速解决方案，以至少部分缓解或解决现有技术存在的上述问题。


技术实现要素：

[0008]
本发明要解决的技术问题是为了克服现有的用于轨道交通列车的雷达测速解决方案存在工程实现及实际应用中因雷达天线相位中心高度难以准确测量因而导致的列车测速结果不够可靠和准确的缺陷，提出一种新的轨道交通列车及用于轨道交通列车的雷达测速方法和装置。
[0009]
本发明是通过采用下述技术方案来解决上述技术问题的：
[0010]
本发明提供了一种用于轨道交通列车的雷达测速方法，其特点在于，所述雷达测速方法采用固定安装至所述列车并具有安装高度差的第一雷达和第二雷达，其中第一雷达和第二雷达被配置为具有一致的探测区域；
[0011]
并且，所述雷达测速方法包括以下步骤：
[0012]
在所述列车行进期间，获取分别由第一雷达和第二雷达采集得到的第一多普勒频率及第二多普勒频率；
[0013]
利用所述安装高度差，代入针对第一雷达和第二雷达的第一多普勒方程及第二多普勒方程进行联立解算，以解算得到第一雷达的第一雷达高度值或者第二雷达的第二雷达高度值；
[0014]
将解算得到的第一雷达高度值或者第二雷达高度值代入对应的多普勒方程中，计算得到所述列车的速度。
[0015]
根据本发明的一些实施方式，第一雷达和第二雷达固定安装于一安装工装的表面，所述安装工装安装于所述列车的底部。
[0016]
根据本发明的一些实施方式，所述多普勒方程包含多普勒频率、雷达高度值、雷达波长和雷达斜距，所述雷达测速方法还包括以下步骤：
[0017]
在所述列车行进期间，通过获取由第一雷达和第二雷达采集得到的雷达回波数据计算得到所述多普勒频率和所述雷达斜距。
[0018]
根据本发明的一些实施方式，第一多普勒方程及第二多普勒方程分别为下式(2)、(3)；
[0019][0020][0021]
其中，h1和h2分别为第一雷达高度值和第二雷达高度值，经由第一雷达的雷达回波数据计算得到的所述多普勒频率和所述雷达斜距分别为f
d1
和r1，经由第二雷达的雷达回波数据计算得到的所述多普勒频率和所述雷达斜距分别为f
d2
和r2；
[0022]
联立解算的方程表示为下式(4)；
[0023][0024]
其中，所述安装高度差为δh＝h
2-h1。
[0025]
本发明还提供了一种用于轨道交通列车的雷达测速装置，其特点在于，所述雷达测速装置包括：
[0026]
固定安装至所述列车并具有安装高度差的第一雷达和第二雷达，其中第一雷达和第二雷达被配置为具有一致的探测区域；
[0027]
预处理模块，所述预处理模块被配置为能够在所述列车行进期间，获取分别由第一雷达和第二雷达采集得到的第一多普勒频率及第二多普勒频率；
[0028]
列车速度联合解算模块，所述列车速度联合解算模块被配置为能够通过将所述安装高度差代入针对第一雷达和第二雷达的第一多普勒方程及第二多普勒方程进行联立解算，以解算得到第一雷达的第一雷达高度值或者第二雷达的第二雷达高度值，并将解算得到的第一雷达高度值或者第二雷达高度值代入对应的多普勒方程中，从而计算得到所述列车的速度。
[0029]
根据本发明的一些实施方式，所述雷达测速装置还包括：
[0030]
安装于所述列车的底部的安装工装，所述安装工装的表面固定安装有第一雷达和第二雷达。
[0031]
根据本发明的一些实施方式，所述多普勒方程包含多普勒频率、雷达高度值、雷达波长和雷达斜距；
[0032]
所述预处理模块还被配置为能够在所述列车行进期间，通过获取由第一雷达和第二雷达采集得到的雷达回波数据计算得到所述多普勒频率和所述雷达斜距。
[0033]
根据本发明的一些实施方式，第一多普勒方程及第二多普勒方程分别为下式(2)、(3)；
[0034][0035][0036]
其中，h1和h2分别为第一雷达高度值和第二雷达高度值，经由第一雷达的雷达回波数据计算得到的所述多普勒频率和所述雷达斜距分别为f
d1
和r1，经由第二雷达的雷达回波数据计算得到的所述多普勒频率和所述雷达斜距分别为f
d2
和r2；
[0037]
联立解算的方程表示为下式(4)；
[0038][0039]
其中，所述安装高度差为δh＝h
2-h1。
[0040]
本发明还提供了一种轨道交通列车，其特点在于，在所述列车的一节车厢底部安装有如上所述的用于轨道交通列车的雷达测速装置。
[0041]
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
[0042]
本发明的积极进步效果在于：
[0043]
根据本发明的轨道交通列车及用于轨道交通列车的雷达测速方法和装置，提供了一种新的雷达测速解决方案，通过利用两部雷达联合测速，并基于两部雷达获取的多普勒信息及二者的高度差对测速数据进行解算，无需依赖于对单部雷达的高度的精确测量，在工程实现及实际应用中可提供更为可靠、准确的列车测速结果。
附图说明
[0044]
图1为根据现有技术的单雷达测速方案的示意图。
[0045]
图2为根据本发明优选实施例的用于轨道交通列车的雷达测速方法的测速原理示意图。
[0046]
图3为根据本发明优选实施例的用于轨道交通列车的雷达测速方法中的双雷达(即图示微波模块)布置的示意图。
[0047]
图4为根据本发明优选实施例的用于轨道交通列车的雷达测速方法中可选的利用
角反解算雷达高程差的原理示意图。
[0048]
图5为根据本发明优选实施例的用于轨道交通列车的雷达测速方法中涉及的雷达数据处理的流程示意图。
具体实施方式
[0049]
下面结合说明书附图，进一步对本发明的优选实施例进行详细描述，以下的描述为示例性的，并非对本发明的限制，任何的其他类似情形也都将落入本发明的保护范围之中。
[0050]
在以下的具体描述中，方向性的术语，例如“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”等，参考附图中描述的方向使用。本发明各实施例中的部件可被置于多种不同的方向，方向性的术语是用于示例的目的而非限制性的。
[0051]
参考图2-5所示，根据本发明优选实施方式的用于轨道交通列车的雷达测速方法，采用固定安装至所述列车并具有安装高度差的第一雷达和第二雷达，其中第一雷达和第二雷达被配置为具有一致的探测区域；
[0052]
并且，所述雷达测速方法包括以下步骤：
[0053]
在所述列车行进期间，获取分别由第一雷达和第二雷达采集得到的第一多普勒频率及第二多普勒频率；
[0054]
利用所述安装高度差，代入针对第一雷达和第二雷达的第一多普勒方程及第二多普勒方程进行联立解算，以解算得到第一雷达的第一雷达高度值或者第二雷达的第二雷达高度值；
[0055]
将解算得到的第一雷达高度值或者第二雷达高度值代入对应的多普勒方程中，计算得到所述列车的速度。
[0056]
根据本发明的一些优选实施方式，第一雷达和第二雷达固定安装于一安装工装的表面，所述安装工装安装于所述列车的底部。
[0057]
根据本发明的一些优选实施方式，所述多普勒方程包含多普勒频率、雷达高度值、雷达波长和雷达斜距，所述雷达测速方法还包括以下步骤：
[0058]
在所述列车行进期间，通过获取由第一雷达和第二雷达采集得到的雷达回波数据计算得到所述多普勒频率和所述雷达斜距。
[0059]
根据本发明的一些优选实施方式，第一多普勒方程及第二多普勒方程分别为下式(2)、(3)；
[0060][0061][0062]
其中，h1和h2分别为第一雷达高度值和第二雷达高度值，经由第一雷达的雷达回波数据计算得到的所述多普勒频率和所述雷达斜距分别为f
d1
和r1，经由第二雷达的雷达回波数据计算得到的所述多普勒频率和所述雷达斜距分别为f
d2
和r2；
[0063]
联立解算的方程表示为下式(4)；
[0064][0065]
其中，所述安装高度差为δh＝h
2-h1。
[0066]
其中，可选地，两部雷达同时探测时，一方面要确保两部雷达探测区域一致，一方面要确保回波多普勒带宽较小，以提高探测精度。如图3所示，在一些示例中，根据试验情况，两部雷达α、β的布置角度可分别选择为25
°
和35
°
，雷达波束探测角度差为10
°
，或者也可理解为，两部雷达的探测角分别为65
°
和55
°
。若在行进过程中列车出现颠簸或猛烈的震动，探测天线与地面的夹角分别变为α1，β1，但由于两部雷达被固定安装于同一安装工装的表面，它们仍满足α
1-β1＝-10
°
。
[0067]
并且，鉴于同样的理由，在列车行进过程中，无论出现怎样的颠簸或猛烈的震动，两部雷达的高度差仍将至少基本保持不变，该高度差将大致等于该安装高度差。在列车行进过程中保持一致的雷达高度差或者说至少变化非常小的雷达高度差，将使得根据本发明的上述优选实施方式的解决方案，能够以不依赖于对单部雷达的高度的精确测量，而在工程实现及实际应用中可提供更为可靠、准确的列车测速结果，换言之，列车测速结果的准确性将基本不受列车行进过程和不同环境的影响。
[0068]
参考图2-5所示，根据本发明优选实施方式的用于轨道交通列车的雷达测速装置，包括以下组成部分：
[0069]
固定安装至所述列车并具有安装高度差的第一雷达和第二雷达，其中第一雷达和第二雷达被配置为具有一致的探测区域；
[0070]
预处理模块，所述预处理模块被配置为能够在所述列车行进期间，获取分别由第一雷达和第二雷达采集得到的第一多普勒频率及第二多普勒频率；
[0071]
列车速度联合解算模块，所述列车速度联合解算模块被配置为能够通过将所述安装高度差代入针对第一雷达和第二雷达的第一多普勒方程及第二多普勒方程进行联立解算，以解算得到第一雷达的第一雷达高度值或者第二雷达的第二雷达高度值，并将解算得到的第一雷达高度值或者第二雷达高度值代入对应的多普勒方程中，从而计算得到所述列车的速度。
[0072]
根据本发明的一些优选实施方式，所述雷达测速装置还包括：
[0073]
安装于所述列车的底部的安装工装，所述安装工装的表面固定安装有第一雷达和第二雷达。
[0074]
根据本发明的一些优选实施方式，所述多普勒方程包含多普勒频率、雷达高度值、雷达波长和雷达斜距；
[0075]
所述预处理模块还被配置为能够在所述列车行进期间，通过获取由第一雷达和第二雷达采集得到的雷达回波数据计算得到所述多普勒频率和所述雷达斜距。
[0076]
根据本发明的一些优选实施方式，第一多普勒方程及第二多普勒方程分别为下式(2)、(3)；
[0077]
[0078][0079]
其中，h1和h2分别为第一雷达高度值和第二雷达高度值，经由第一雷达的雷达回波数据计算得到的所述多普勒频率和所述雷达斜距分别为f
d1
和r1，经由第二雷达的雷达回波数据计算得到的所述多普勒频率和所述雷达斜距分别为f
d2
和r2；
[0080]
联立解算的方程表示为下式(4)；
[0081][0082]
其中，所述安装高度差为δh＝h
2-h1。
[0083]
其中，信号和数据处理流程可例如参考图4所示。
[0084]
其中，可选地，数据预处理模块可采用如下配置。两部雷达分别提取原始回波数据距离向有效数据并对其进行距离向fft变换，对同一距离门的数据进行幅度求和，对最大值所在距离门邻近的部分数据沿距离向进行频率细分。对细分后的数据沿方位向进行幅度求和，根据最大值所在距离门计算雷达斜距。提取频率细分后数据在最大值所在距离门邻近的部分数据，估算出多普勒频率。
[0085]
根据一些进一步优选的实施方式，考虑到两部雷达的高度差为天线相位零点的高度差，与天线几何上的高度差存在一定的偏差，如何准确获取两部雷达的高度差是确保测速精度的关键，上述方案可进一步采用如下措施或优选配置：
[0086]
(a)雷达天线设计为微带形式，利用成熟的pcb工艺技术加工，在大批量生产时确保性能和指标的一致性。
[0087]
(b)参考图4所示，在实验室条件下对两台雷达的高程差进行标校，雷达安装方式与列车上一致，在地面设置多个角反，解算获得雷达高程差。
[0088]
两部雷达通过对4组角测量反获得了4组r1和r2的值，角反间距已知为d，通过对4组方程求解获得h1和h2，其中ri为测量值。
[0089][0090]
上式中通过多组数据获取h2和h1，取平均后得到δh。
[0091]
(c)产品进入量产阶段时，不可能对每套产品进行实验室测试获取δh，所以必须在试运行阶段，使用多个产品在同一辆列车不同位置上同时测试，评估产品一致性，从设计端确保产品性能稳定。
[0092]
根据本发明的一些优选实施方式，可提供一种轨道交通列车或者列车车厢，其中，在所述列车的一节车厢底部安装有如上所述的用于轨道交通列车的雷达测速装置。
[0093]
根据本发明的上述优选实施方式提供的用于轨道交通列车的雷达测速解决方案，通过利用两部雷达联合测速，并基于两部雷达获取的多普勒信息及二者的高度差对测速数据进行解算，无需依赖于对单部雷达的高度的精确测量，在工程实现及实际应用中可提供
更为可靠、准确的列车测速结果，其效果显著优于现有的用于列车车速的雷达测速解决方案。
[0094]
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，而且这些变更和修改均落入本发明的保护范围。