• 
    

    
    

      99热精品在线国产_美女午夜性视频免费_国产精品国产高清国产av_av欧美777_自拍偷自拍亚洲精品老妇_亚洲熟女精品中文字幕_www日本黄色视频网_国产精品野战在线观看 ?

      基于雙雷達(dá)的軌道交通測(cè)速方法及誤差分析

      2021-03-22 06:26:02周巧蓮鄭成鑫張謙虓
      控制與信息技術(shù) 2021年1期
      關(guān)鍵詞:斜距多普勒雷達(dá)

      周 媛,周巧蓮,鄭成鑫,張謙虓

      (1.上海申通地鐵集團(tuán)有限公司,上海 201103;2.上海無線電設(shè)備研究所,上海 201109)

      0 引言

      軌道交通測(cè)速傳感器是控車系統(tǒng)的核心設(shè)備之一,其所獲取的高精度列車速度信息是車輛安全運(yùn)行的前提和保證[1-2]。軌道交通測(cè)速主要有地感線圈測(cè)速、轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)速、視頻測(cè)速、GPS定位測(cè)速、激光測(cè)速和雷達(dá)測(cè)速等方式。地感線圈的安裝和維修會(huì)對(duì)地面造成破壞[3],轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)速在車輪打滑、空轉(zhuǎn)時(shí)測(cè)速精度低[4],視頻測(cè)速存在監(jiān)控范圍有限的問題[5],GPS定位測(cè)速有分辨率低、在山區(qū)或隧道等存在信號(hào)盲區(qū)的缺點(diǎn)[6],激光測(cè)速對(duì)環(huán)境適應(yīng)性差[7-8],而雷達(dá)測(cè)速具有受環(huán)境影響小、精度高的優(yōu)勢(shì),是目前比較主流的測(cè)速方法。傳統(tǒng)的單部雷達(dá)測(cè)速需要精確的雷達(dá)天線相位中心高度信息,而雷達(dá)天線相位中心與天線幾何中心一般不重合,這給雷達(dá)高度測(cè)量帶來了困難。朱燕、劉逸通在多普勒效應(yīng)原理的基礎(chǔ)上,利用Burg算法提高測(cè)速精度[9],但是實(shí)現(xiàn)算法需要迭代計(jì)算,時(shí)間復(fù)雜度高;陳紅江、張浩等提出了一種雙雷達(dá)天線測(cè)速方法,其基于非對(duì)稱發(fā)射角的雙天線雷達(dá),以不同的頻率發(fā)射雷達(dá)波,并利用多普勒效應(yīng)相關(guān)算法進(jìn)行解析計(jì)算[10],但是雙頻增加了測(cè)速系統(tǒng)復(fù)雜度。為此,本文提出了一種雙雷達(dá)聯(lián)合計(jì)算列車速度的方法,其計(jì)算方法和系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可靠性高。文中對(duì)雙雷達(dá)測(cè)速技術(shù)誤差原理進(jìn)行了分析,并采用目前軌道交通高精度激光測(cè)速設(shè)備進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試驗(yàn)證。

      1 雙雷達(dá)聯(lián)合測(cè)速原理

      基于多普勒效應(yīng)的測(cè)速雷達(dá)被安裝在列車底部,雷達(dá)天線向軌面發(fā)射電磁波,電磁波經(jīng)過軌面反射回天線。雷達(dá)隨機(jī)車相對(duì)軌面的運(yùn)動(dòng)會(huì)使得發(fā)射波和接收波之間存在一定的頻率差,即多普勒頻率。圖1示出雷達(dá)測(cè)速示意,其中,H為雷達(dá)高度,R為斜距,VH為列車相對(duì)于軌面的運(yùn)行速度,φ為雷達(dá)斜視角,Vr為雷達(dá)相對(duì)于軌面的徑向運(yùn)行速度。

      由雷達(dá)和軌面之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的多普勒頻率[11-13]計(jì)算如下:

      式中:λ——雷達(dá)波長(zhǎng)。

      圖1 雷達(dá)測(cè)速示意Fig.1 Schematic diagram of radar velocity measurement

      1.1 單雷達(dá)測(cè)速

      單部雷達(dá)測(cè)速的方法如下:

      (1)對(duì)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行二維快速傅立葉變換(fast Fourier transform,F(xiàn)FT)處理,從而獲取二維圖像;

      (2)提取圖像中最強(qiáng)散射點(diǎn),獲取其所在距離門,并計(jì)算斜距R;

      (3)利用最強(qiáng)散射點(diǎn)所在距離門的回波數(shù)據(jù)估計(jì)其所對(duì)應(yīng)的多普勒頻率fd;

      (4)根據(jù)式(2)解算列車速度VH。

      單部雷達(dá)測(cè)速需要首先測(cè)量得到精確的雷達(dá)高度H,但是雷達(dá)天線相位中心通常不是天線的幾何中心,這給單部雷達(dá)測(cè)速的工程應(yīng)用實(shí)現(xiàn)帶來了困難。

      1.2 雙雷達(dá)測(cè)速

      圖2示出兩部雷達(dá)聯(lián)合測(cè)速幾何關(guān)系。假設(shè)存在安裝高度位置不同的兩部雷達(dá)(簡(jiǎn)稱“低雷達(dá)”和“高雷達(dá)”),其高度分別為H1和H2。利用1.1節(jié)所述單部雷達(dá)測(cè)速的方法,計(jì)算得到低雷達(dá)的斜距為R1,多普勒頻率為fd1;高雷達(dá)的斜距為R2,多普勒頻率為fd2。

      圖2 兩部雷達(dá)聯(lián)合測(cè)速幾何關(guān)系Fig.2 Geometrical relationship of two-radar velocity measurement method

      根據(jù)圖2所示的幾何關(guān)系,可以得到兩個(gè)多普勒方程:

      式中:φ1——低雷達(dá)斜視角;φ2——高雷達(dá)斜視角。

      假設(shè)兩部雷達(dá)高度差(ΔH=H2-H1)已知,則式(4)可以表示為

      由于雙雷達(dá)測(cè)量時(shí)速度相同,聯(lián)立式(3)和式(5),可以得到

      通過求解式(6),即可得到低雷達(dá)的高度H1,進(jìn)而得到高雷達(dá)的高度H2。將解算得到的雷達(dá)絕對(duì)高度代入式(3)和式(4)即可解算列車速度。需要說明的是,利用雙雷達(dá)聯(lián)合估計(jì)雷達(dá)高度,在列車靜止時(shí),式(6)變?yōu)楹愕仁?,無法解算雷達(dá)高度。此外,由于雙雷達(dá)估計(jì)的斜距和多普勒頻率均存在誤差,導(dǎo)致單次解算雷達(dá)高度精度較低。在實(shí)際處理過程中,利用多次解算結(jié)果進(jìn)行平均處理,并通過固定間隔時(shí)間更新雷達(dá)高度,以此提高測(cè)算精度。

      解算得到兩部雷達(dá)的高度后,可以通過兩種方法估計(jì)列車速度:如果兩部雷達(dá)都沒有損壞,則根據(jù)式(2)和式(3)分別估計(jì)列車速度,然后對(duì)獲得的兩個(gè)速度估計(jì)值進(jìn)行加權(quán)平均得到列車估計(jì)速度;如果其中一部雷達(dá)損壞,則利用另一部雷達(dá)估計(jì)列車速度。

      利用雙雷達(dá)聯(lián)合測(cè)速技術(shù),不需要測(cè)量單部雷達(dá)的高度,僅需要測(cè)量?jī)刹坷走_(dá)之間的高度差,工程可實(shí)現(xiàn)性更高。

      2 雷達(dá)測(cè)速技術(shù)誤差分析

      根據(jù)第1節(jié)介紹的雙雷達(dá)測(cè)速原理,其誤差因素包括多普勒頻率估計(jì)誤差、雷達(dá)斜距估計(jì)誤差、雷達(dá)高度誤差和雷達(dá)垂直向速度誤差4個(gè)方面。

      本文的誤差分析和工程試驗(yàn)采用同樣的參數(shù)設(shè)置,具體如下:雷達(dá)工作在K波段、載頻波長(zhǎng)為1.25 cm,最大調(diào)頻率帶寬為500 MHz,對(duì)應(yīng)的距離分辨率為0.3 m;H1=0.894 m,H2=0.960 m,ΔH=0.066 m,φ1=60°,φ2=70°。

      根據(jù)式(2)可知,多普勒頻率估計(jì)誤差Δfd與其產(chǎn)生的雷達(dá)測(cè)速誤差ΔV之間的關(guān)系為

      根據(jù)式(7)可知,當(dāng)單部雷達(dá)斜視角不變時(shí),雷達(dá)測(cè)速誤差ΔV與多普勒估計(jì)誤差Δfd成正比關(guān)系。兩部雷達(dá)中,斜視角φ較小的雷達(dá)其測(cè)速精度受多普勒估計(jì)誤差的影響更大。圖3示出本文仿真參數(shù)下雙雷達(dá)多普勒頻率估計(jì)誤差導(dǎo)致的雷達(dá)測(cè)速誤差。可以看出,對(duì)于單部雷達(dá)而言,其測(cè)速誤差與多普勒頻率估計(jì)誤差成正比關(guān)系,相同Δfd對(duì)應(yīng)的低雷達(dá)測(cè)速誤差大于高雷達(dá)的;綜合φ1和φ2參數(shù)設(shè)置可知,斜視角較小的低雷達(dá)測(cè)速精度受Δfd的影響更大。

      圖3 多普勒頻率估計(jì)誤差導(dǎo)致的測(cè)速誤差Fig.3 Velocity measurement error caused by Doppler frequency estimation error

      根據(jù)式(6),斜距誤差會(huì)使計(jì)算得到的H產(chǎn)生誤差。根據(jù)式(3),ΔH和斜距誤差ΔR都會(huì)使測(cè)量速度產(chǎn)生誤差。以下利用上述仿真參數(shù)分析斜距估計(jì)誤差對(duì)雷達(dá)測(cè)速誤差的影響。圖4示出雷達(dá)的ΔR導(dǎo)致的測(cè)速誤差曲線,可以看出,ΔV隨著ΔR的增大而增大,且低雷達(dá)測(cè)速精度受ΔR的影響更大。

      圖4 斜距估計(jì)誤差導(dǎo)致的測(cè)速誤差Fig.4 Velocity measurement error caused by slant distance estimation error

      在數(shù)據(jù)處理過程中,固定間隔時(shí)間,利用雙雷達(dá)解算雷達(dá)高度,得到的雷達(dá)高度用來計(jì)算并更新列車速度。在間隔時(shí)間內(nèi),其利用同一個(gè)高度解算列車速度。但是在列車運(yùn)行過程中,雷達(dá)會(huì)存在抖動(dòng)現(xiàn)象,使計(jì)算速度所用雷達(dá)高度產(chǎn)生誤差。圖5示出雷達(dá)高度誤差導(dǎo)致的測(cè)速誤差。可以看出,測(cè)量速度誤差隨雷達(dá)高度誤差的增加而增加,且低雷達(dá)的測(cè)速精度受高度誤差的影響更大。

      圖5 高度誤差導(dǎo)致的測(cè)速誤差Fig.5 Velocity measurement error caused by height estimation error

      式(3)和式(4)是基于雷達(dá)運(yùn)動(dòng)速度方向與軌面平行工況,然而在列車實(shí)際運(yùn)行過程中,列車顛簸會(huì)使雷達(dá)產(chǎn)生垂直方向速度。如圖6所示,假設(shè)列車顛簸引起的垂直方向速度為Vr,列車沿水平方向的速度為VH,二者合成的速度為V。由于從雷達(dá)回波數(shù)據(jù)估計(jì)的多普勒頻率為合成速度V引起的多普勒頻率,使雷達(dá)最終測(cè)得的速度為V,與速度VH間存在一定的誤差。

      圖6 列車垂直向速度對(duì)測(cè)速精度的影響示意Fig.6 Diagram of influence of vertical train speed on velocity measurement accuracy

      綜上分析可知,雷達(dá)垂直方向速度同樣會(huì)導(dǎo)致測(cè)速誤差,兩者的關(guān)系如圖7所示。可以看出,雷達(dá)垂直方向速度越大,測(cè)量速度誤差越大,且低雷達(dá)測(cè)速精度受垂直方向速度影響更大。

      圖7 雷達(dá)垂直方向速度導(dǎo)致的測(cè)速誤差Fig.7 Velocity measurement error caused by radar vertical speed

      3 工程試驗(yàn)結(jié)果

      由于目前成熟的高精度軌道交通車輛測(cè)速設(shè)備主要采用軸端測(cè)速和激光雷達(dá)測(cè)速兩種方式,其中,激光測(cè)速產(chǎn)品以其高精度測(cè)速特征已在國(guó)外高速鐵路上有大規(guī)模應(yīng)用,因此本文采用激光測(cè)速設(shè)備哈斯勒作為對(duì)標(biāo)設(shè)備進(jìn)行功能和測(cè)速精度的初步驗(yàn)證。哈斯勒是目前市場(chǎng)上主流列車測(cè)速產(chǎn)品中測(cè)速精度最高的測(cè)速設(shè)備,其在列車速度小于100 km/h時(shí)測(cè)速精度達(dá)0.2 km/h,列車速度大于100 km/h時(shí)測(cè)速精度小于列車速度的0.2%。但該產(chǎn)品由于國(guó)外技術(shù)壟斷,市場(chǎng)價(jià)格較高。

      基于雙雷達(dá)測(cè)速技術(shù)制造的測(cè)速雷達(dá)樣機(jī)被安裝在上海申通地鐵張江試驗(yàn)線試驗(yàn)車上,并分別針對(duì)列車最高速度60 km/h和最高速度80 km/h、加速段和減速段、60 km/h惰行段和80 km/h惰行段等幾種工況展開了多批次測(cè)試。在測(cè)速列車上同時(shí)還裝備了高精度激光測(cè)速設(shè)備哈斯勒(兩設(shè)備性能指標(biāo)對(duì)比如表1所示)。將雙雷達(dá)測(cè)速結(jié)果與高精度激光測(cè)速結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,以驗(yàn)證雙雷達(dá)測(cè)速技術(shù)的測(cè)速精度和穩(wěn)定性,其中采集數(shù)據(jù)點(diǎn)的間隔時(shí)間為40 ms。

      表1 試驗(yàn)設(shè)備性能指標(biāo)對(duì)比Tab.1 Comparison of performance indexes of experimental equipment

      圖8示出列車從靜止?fàn)顟B(tài)開始啟動(dòng)、到基本維持勻速運(yùn)動(dòng)、最高速度達(dá)60 km/h、再到制動(dòng)至停車的過程中,雷達(dá)測(cè)速結(jié)果與激光測(cè)速結(jié)果的對(duì)比??梢钥闯?,雷達(dá)測(cè)速曲線與激光測(cè)速曲線基本吻合。

      圖8 最大速度60 km/h雷達(dá)與激光測(cè)量結(jié)果對(duì)比Fig.8 Comparison between radar and laser velocity measurement results at the maximum speed of 60 km/h

      圖9示出列車從靜止?fàn)顟B(tài)加速到最大速度為80 km/h、再到制動(dòng)至停車過程中,雷達(dá)測(cè)速結(jié)果與激光測(cè)速結(jié)果對(duì)比。可以看出,該過程中雷達(dá)測(cè)速結(jié)果與激光測(cè)速結(jié)果也基本一致。

      圖9 最大速度80 km/h時(shí),雷達(dá)與激光測(cè)量結(jié)果對(duì)比Fig.9 Comparison between radar and laser velocity measurement results at the maximum speed of 80 km/h

      圖10示出列車在加速運(yùn)行階段雷達(dá)測(cè)速結(jié)果與激光測(cè)速結(jié)果對(duì)比??梢钥闯觯撾A段雷達(dá)測(cè)速結(jié)果與激光測(cè)速結(jié)果基本吻合,且雷達(dá)測(cè)速數(shù)據(jù)波動(dòng)更小。

      圖10 加速段測(cè)量結(jié)果對(duì)比Fig.10 Comparison of velocity measurements in the acceleration section

      圖11示出列車在減速運(yùn)行階段,雷達(dá)測(cè)速結(jié)果與激光測(cè)速結(jié)果對(duì)比。可以看出,該階段雷達(dá)測(cè)量結(jié)果與激光測(cè)量結(jié)果基本吻合,且雷達(dá)測(cè)速數(shù)據(jù)波動(dòng)更小。

      圖11 減速段測(cè)量結(jié)果對(duì)比Fig.11 Comparison of velocity measurement results in the deceleration section

      圖12和圖13分別示出列車在60 km/h及80 km/h惰行階段雷達(dá)測(cè)速結(jié)果與激光測(cè)速結(jié)果。可以看出,在惰行階段,二者基本吻合,且雷達(dá)測(cè)速數(shù)據(jù)的波動(dòng)明顯小于激光測(cè)速數(shù)據(jù)的。

      圖12 60 km/h惰行段測(cè)量結(jié)果對(duì)比Fig.12 Comparison of velocity measurement results in 60 km/h idle section

      圖13 80 km/h惰行段測(cè)量結(jié)果對(duì)比Fig.13 Comparison of velocity measurement results in 80 km/h idle section

      綜上分析可知,雙雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)速精度與高精度激光測(cè)速精度相當(dāng),且測(cè)速穩(wěn)定。此前列車高精度激光測(cè)速產(chǎn)品均需從國(guó)外進(jìn)口,且價(jià)格較高。通過對(duì)比測(cè)試可以看出,本文所提雙雷達(dá)測(cè)速系統(tǒng)其功能和測(cè)速精度指標(biāo)與進(jìn)口激光測(cè)速產(chǎn)品的相當(dāng),且成本不到激光測(cè)速產(chǎn)品的一半。

      4 結(jié)語

      本文提出一種雙雷達(dá)測(cè)速的計(jì)算方法,工程測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。所提雙雷達(dá)測(cè)速技術(shù)具備工程化應(yīng)用基礎(chǔ)條件,不僅可靠性高,即使一部雷達(dá)發(fā)生故障,另一部也可以單獨(dú)完成測(cè)速工作;而且還具有精度高的優(yōu)勢(shì),在某些測(cè)試工況下測(cè)速精度甚至高于激光測(cè)速的。后續(xù)將通過設(shè)計(jì)試驗(yàn)、型式試驗(yàn)等多種方式來進(jìn)一步優(yōu)化其精度、性能指標(biāo)及工程化應(yīng)用技術(shù)。

      猜你喜歡
      斜距多普勒雷達(dá)
      有雷達(dá)
      大自然探索(2023年7期)2023-08-15 00:48:21
      中間法短視距精密三角高程在高層平臺(tái)沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用
      基于雷達(dá)測(cè)距與角位置輔助的SINS空中對(duì)準(zhǔn)方法
      雷達(dá)
      斜距歸算成水平距離誤差定量分析
      基于空時(shí)二維隨機(jī)輻射場(chǎng)的彈載雷達(dá)前視成像
      基于多普勒效應(yīng)的車隨人動(dòng)系統(tǒng)
      電子器件(2015年5期)2015-12-29 08:43:38
      現(xiàn)代“千里眼”——雷達(dá)
      機(jī)載毫米波高分辨大斜視合成孔徑雷達(dá)成像
      基于多普勒的車輛測(cè)速儀
      辉南县| 盐边县| 诸暨市| 双峰县| 灵台县| 星子县| 汝州市| 南岸区| 新竹市| 库车县| 宁国市| 麻城市| 建宁县| 湘西| 香河县| 乡城县| 衡阳市| 长海县| 吴川市| 农安县| 保定市| 马公市| 怀来县| 巴彦县| 璧山县| 寿阳县| 寻乌县| 通海县| 台州市| 太保市| 赤城县| 罗定市| 莆田市| 绩溪县| 垫江县| 通城县| 平凉市| 苗栗市| 三台县| 龙江县| 中山市|