平面调车雷达测距防撞方案综述

1、无线平面调车雷达测距防撞装置技术方案2011年4月目录一、设计依据 3二、设计原则3三、系统构成3四、工作原理4五、技术先进性5六、关键问题的解决 6七、系统主要技术性能指标 8八、技术创新点 9一、设计依据无线平面调车防撞雷达测距防撞装置的设计依据是铁道行业标准铁 路平面无线调车设备技术条件 TB/T2834-2002 。二、设计原则本研究的目的旨在提高平面调车雷达设备的自动化程度，特别是在一些工作条件和气候恶劣时，通过平面调车雷达所测的安全距离无线数传至调车机，从而实现调车时前方的安全距离由连接员手工报告，改变为机控自动实现，减轻职工的劳动强度，提高安全距离的精度。为保护机车驾驶室接收终端

2、符合雷达标准，在具体实施方案阶段对二者进 行融合设计，即一方面合理设计硬件结构，对于雷达整各分系统的机内测试装置、 本控接口、无线接口、所需监控系统及设备接口进行统一规划和配置，完成一次性设计，但在设计中要做到设计分散、控制设备模块化；另一方面对机车驾驶室 软件资源也要进行统一性设计，从设计初期着眼于软件兼容性问题， 这样，不但 可以保证雷达测距软件的可靠性，而且增加了软件系统本身的延续性和可移植 性。三、系统构成根据系统需求分析，系统由两个主要组成部分组成，分别为雷达测距模块 和数据终端。组成框图如图3 - 1所示。/无线通信Iiim m mi iiim iiimi tin vbm 介质i数

3、据终端雷达测距模块数据接收/处理风压控制输出驱: :-丄人输出*模块4动模块-M 接口相关信息输入接口图3 - 1 :平面调车防撞设备系统框图四、工作原理 1、雷达测距模块该模块完成远端非接触的距离探测，最大探测距离为150m （ 10车），距离分辨率为0.5m，并通过无线方式发送到数据终端模块。该模块的功能模块划分 如图4 1所示。图4 1:雷达测距模块组成天线单元完成毫米波信号的收发功能，为便于设备的安装和使用，该天线采 用平面天线设计。射频收发处理单元完成发射调频连续波的生成、发送、接收、收发隔离、混 频等功能。是雷达单元的核心。数据处理单元完成距离信息的提取功能。无线收发单元由一个无线

4、收发模块来实现，其完成距离信息的编码发送。其 与数据处理单元的接口为一个标准串行接口。2、数据终端该模块包括两个组成部分，一是数据接收/处理模块，另一个是风压控制输出 驱动模块。1 ）数据接收/处理模块该模块完成整个设备的中心控制功能，首先完成距离信息的接收和处理（如: 解码、显示等），然后通过接收的其它相关信息（如：火车速度等）经过综合判 断输出设备控制码于风压控制输出驱动模块。该模块的功能模块划分如图4 2所示。RS232 接口图4 - 2 :数据接收/处理模块组成2）风压控制输出驱动模块该模块根据数据接收/处理模块的命令完成输出量的驱动功能。该输出接口有 两种，一种是开关量，另一种是功率

5、驱动输出接口。具体使用根据具体需要确定。五、技术先进性根据设计原则，结合最新技术，我们在系统方案中采用三种新技术：1、微波测距技术当前非接触距离测量技术有多种，如：激光测距、超声波测距、雷达测距等。其中激光测距的特点是测距精确、方向性强，但其缺点是受环境影响较为厉 害，当空间可见度差（如雨天、雾天、灰尘等）时，其工作精度将受到很大的影 响。由于超声波频率较低（相对于微波来讲），其测距工作受环境的影响较小， 但其测距精度较差。综合考虑，利用雷达的工作原理，选取合适的工作频段可以 弥补上述测距技术存在的不足，同时也可以获得较为适中的成本。本微波测距雷达选择了 24GHz的工作频点，该频点的选择充分

6、考虑了微波 信号的穿透性、抗干扰性、天线设计要求、技术的可实现性等诸多因素。在天线 波束参数确定的情况下，雷达频点的选择直接决定了雷达天线的尺寸、 形状等技 术指标，选择24GHz的工作频率可以满足天线技术指标的要求，最终天线采用 平面天线，尺寸小于105 85 X11mm。雷达的信号处理部分是整个雷达的核心，针对不同是使用环境雷达信号处理算法必须进行全面、有针对性的设计。根据该设备的具体应用环境，我们实现 了针对性很强的处理算法，以保障具体使用的可靠性和准确性。2、数字无线通信技术本系统采用数字无线通信技术，它与模拟无线通信技术相比，有如下特点：a）数字传输的抗干扰能力强。数字通信在传输过程

7、中，只要信噪比还没有 恶化到不可收拾的程度，即能对传输脉冲的取值进行判决时，便可利用再生中继 技术使传输信号再生，从而消除噪声干扰对传输质量的影响。b）数字通信可通过校验编码，不但可以发现差错而且还能改正差错，使误 码率可提高两个数量级。c）由于数字集成电路技术日益成熟，无线数字通信设备越来越稳定、功耗 低、体积小、易于使用。六、关键问题的解决1、雷达测距实现原理图6-1雷达原理图距离信息输出图6-1 :雷达测距模块原理组成模块包括：收发天线、环行器、VCO、混频器、A/D转换和数据处理等六部分。（1 ）信号发射/接收单元压控振荡器（VCO ）在数据处理部分编码产生的三角波电压控制下，产生 调

8、频连续波信号经天线向外辐射。由于本系统利用雷达回波信号来测量距离， 对 发射信号的频率稳定性和线性度要求很高，因此采用集成微波组件作为发射/接收单元。回波信号与发射波信号进行混频，得到中频差拍信号并输出。（2）回波信号放大、滤波单元由于发射/接收单元的发射功率较小，当信号在空中传播时，能量减弱的很 快，到达目标并反射的雷达回波信号功率非常小，需要进行足够的放大才能进行后续处理。因此回波信号先经过高增益对数放大器进行放大，再经过隔离、滤波、放大后送至A/D转换器。（3）A/D转换单元数据处理部分只对数字信号进行处理。因此，要对模拟信号首先进行A/D转换，然后再把数据送到数据处理部分进行处理。（4

9、）数据处理部分数据处理部分利用ARM处理芯片来实现，利用 ARM作为处理器首先可以 满足低功耗的要求，同时ARM处理器也完全可以适应该雷达数据处理速度的要 求。数据处理部分根据混频后所得中频的上限、下限频率、调频带宽和调频周 期等信息计算出物体的相对距离。具体采用频域分析方法，利用快速FFT把时域信号转换到频域，从而获得计算距离信息的量。2、工作频率的选择在雷达的工作频段方面，针对我国的实际国情，选择24GHz这一频段用于 雷达测距较为适宜，因为我国对于器件的理论研究和相应的制造能力尚可， 应用 可行性强。3、天线测距雷达的天线要求做到成本低，性能高，便于安装，同时体积要尽可能的小，故天线采用

10、收发合置方案。天线采用平面天线，尺寸约为300 220 X10mm。4、信号处理功能实现设备包含的信号处理部分有：信号编码/解码和数据处理等。考虑设备的便 携性和低功耗等特性，信号处理部分选择基于 ARM处理器的处理单元或嵌入式 平台。基于ARM的嵌入式处理环境具有低功耗、便于小型化、外设接口丰富、 便于扩展等特性。该设备中的信号编码单元只需要 ARM处理器配以简单的接口即可实现其 功能。解码与数据处理单元相对复杂，其主要包括：处理器、显示屏、键盘、相 应的接口等。基于ARM的丰富接口资源，实现过程并不复杂。5、无线数据传输功能根据本设备的特点，其需要传输的数据量不大，选择标准的 9600bp

11、s通信 速率即可满足系统的数据传输需要。目前该类数据传输模块已经非常成熟。 不需 要进行技术开发工作。6、输出驱动功能实现该功能完成设备控制输出与被驱动设备的接口功能。设计过程要根据具体 的被驱动设备接口的种类、数量等具体要求来实现。一般来讲无非包括：开关量、 电流驱动、电压驱动等几种，实现技术也比较成熟，不存在技术难点。七、系统主要技术性能指标1、雷达测距模块性能指标与参数选择(1)工作频率：24GHz ；(2)频带宽度：300MHz ；(3)发射功率：30mW ；(4)作用距离:150m ；（5）距离分辨率：0.5m ；（6）调制方式：FMCW ；（7）体积：105X35X11mm ；（8）重量：1.5Kg ；（9）电源：+12V，10W ；2、终端参数（1）咼亮度数码显示屏；（2）RS232通信接口，通信速率为 9600bps ；（3）4 路 DI/DO ；（4）距离信息