一种车载毫米波列车防撞雷达系统研究 (1)_图文

1、第2卷第2期雷达学报Vol. 2No. 2 2013年6月 Journal of Radars Jun. 2013一种车载毫米波列车防撞雷达系统研究刘海波* 盛蒙蒙 杨晓倩(北京理工大学信息与电子学院雷达技术研究所北京 100081摘 要:列车防撞雷达是保障铁路行车安全的一种重要设备,该文针对列车防撞应用需求中的低成本实现目标方位角度高精度测量难题,采用了基于开关切换的数字阵列天线和频率步进高分辨波形设计方法,分析了收发天线的天线方向图和频率步进合成宽带信号幅相误差补偿问题,并构建了一种低成本车载毫米波防撞雷达系统,进行了原理样机外场实验。实验结果表明该样机系统达到了较高的距离分辨率和角度测量

2、精度,可有效分辨铁轨内外目标。关键词:列车防撞雷达;数字阵列;频率步进信号中图分类号:TN972; TN958 文献标识码:A 文章编号: 2095-283X(201302-0234-05 DOI: 10.3724/SP.J.1300.2013.20091A Study of MMW Collision Avoidance Radar System for TrainsLiu Hai-bo Sheng Meng-meng Yang Xiao-qian(School of Information and Electronics, Beijing Institute of Technology,

3、Beijing 100081, ChinaAbstract: Collision avoidance radar for trains is a prime device for transportation safety. To realize low cost and high performance in terms of azimuth accuracy, we developed MMW (Milli-Meter Wave radar, which employs a switched phased array and frequency-stepped technology. In

4、 this study, we analyze the radiation patterns of transmitting/receiving antennas and a compensation method for the amplitude/phase errors of synthetic wideband frequency-stepped signals. To confirm the operation of the radar, low-cost MMW collision avoidance radar was fabricated. The experiments co

5、nfirmed a high azimuth and range resolution.Key words:Collision avoidance radar; Digital array; Frequency-stepped signal1引言随着我国客运专线建设的快速发展,列车运行速度不断提高,对列车运行安全的要求也不断提高,现有的列控系统采用信号闭塞手段来保证行车安全,但列控系统只能保证监测行车列车这种合作目标,对于具有突发性、不可预测等非合作目标侵限事件的发生不能提前预警。“甬温线”铁路交通事故也说明,除列车控制系统之外,一套与信号系统完全独立的,可自主工作,能全天时、全天候工作的铁路

6、行车安全保障系统是必要的。防撞雷达是民用雷达技术应用的一个重要分支,随着雷达技术的发展,防撞雷达已广泛应用于汽车、飞机、船舶等交通系统中1-3。但与汽车防撞雷达相比,铁路列车运行速度快,需要的制动距离远,火车雷达需要更远的探测威力和更高的角度测量精度,因而在实现手段上与汽车雷达也有所不同。本文针对火车防撞雷达的应用背景,研究一种2012-12-03收到,2013-04-01改回;2013-04-12网络优先出版国家自然科学基金(61101229资助课题*通信作者:刘海波 haibolhb 具有较高的距离分辨率和方位向测角精度的低成本车载列车防撞雷达,分析讨论了基于开关切换的数字阵列天线设计、频

7、率步进合成宽带信号幅相误差补偿等问题,并给出了原理样机外场实验结果。2 基于数字阵列的列车防撞雷达系统2.1体制选择对于车载毫米波列车防撞雷达,准确判别前方一定距离的目标是否在铁轨内是一个技术难点,根据使用方要求,要准确判别3 km处铁轨内外目标,角度测量精度需达到0.02°,为获得高的测量精度,必须使用大孔径天线。同时在近距离上,需要在50 m处波束扫描范围覆盖铁轨宽度,天线扫描范围至少满足2°2°。为了降低成本同时提高可靠性考虑,本系统采用了收发分置天线、宽波束发射窄波束接收、接收波束采用数字波束形成的雷达体制,接收阵列天线经过数字波束形成窄波束,并采用数字单

8、脉冲方法获得高的测量精度,同时为了抑制角闪烁问题,还采用距离高分辨技术4。由于传统的线性调频连续波(Linear Fre- quency Modulation Continuous Wave, LFMCW用于防撞雷达存在一系列技术问题5,如测量多目第2期 刘海波等: 一种车载毫米波列车防撞雷达系统研究 235标困难,距离分辨率受脉内扫频线性度的影响,因此在波形设计上本系统采用了频率步进合成宽带信号。2.2 天线阵列设计为了形成窄接收波束,需要大的孔径长度,如果阵列满布排列,成本较高,因此本系统采用了稀疏布阵形式,即天线间隔大于半波长,于是在式(1的角度位置会产生栅瓣60sin sin ,1,2

9、,3,m m d =±="瓣栅 (1其中,0为波束指向方向,为发射信号波长,d 为阵元间隔,由于本系统阵元间距6d ,计算出天线不扫描,第1栅瓣位置在±9.8°,天线扫描至2°时,第1栅瓣位置在11.8°和7.8°,图1给出实际的发射接收双程方向图,扫描角度2°2°范围内,第1栅瓣可以控制在30dB 以下。由于列车雷达只对前方较窄角度范围探测,并且采用了宽发窄收体制,通过控制发射天线波束宽度可有效抑制接收合成波束的天线栅瓣。为进一步降低成本,参考某汽车雷达的天线设计7,本雷达采用收发分置天线1发16收工作

10、模式,每4路接收天线通过一个单刀四掷开关分时接收不同通道回波信号。单刀四掷开关原理框图如图2所示,当天线开关依次切换工作完一个完整周期后,再将16个天线的数据送入数字信号处理模块。 2.3 调频步进波形幅相补偿处理宽带应用的雷达系统中,认为通道的相位误差mi 随着时间和频率而发生变化,下面分析了不同频点和通道间相位误差对高分辨成像和数字波束形成的影响。考虑相位误差后的调频步进信号第m 路的第i 个脉冲视频回波为 图1 不同指向下发射接收双程方向图Fig. 1Measured radiation patterns of transmitting and receiving antennas 图2

11、 开关工作原理框图Fig. 2 The configuration of SP4T switches2r 0(r 12(2(rect 2m m m mi j K t iT t m mi mi j i f t j f t j t iT t x t A e T e e e =( 目标回波的时间延迟表示为(2/(1sin /m t R c m d c = (3其中,1,2,m M ="0,1,1,i N ="N 为频率步进阶数,mi A 为第m 路接收信号第i 个脉冲回波的幅度,(m t 为目标回波的时间延迟,0f 为发射载频中不变的基频分量,r T 为脉冲重复周期,1T 为子脉

12、冲宽度,K 为脉内线性调频子脉冲的调频斜率。 脉压后信号为8(0/42( 2(4m m mij j f t mi i j i f t j X t A e e ee =236 雷 达 学 报 第2卷脉压后信号相位为(0122(4mi m m mi i f t f t =+ (5理想情况下,0mi =,不同脉冲重复周期T r 间的相位具有严格的线性关系;而不理想情况下,假设误差相位项是与i 相关的一次相位,mi mi mi i k b =+,不同T r 间的相位不再保持严格的线性关系。 补偿相位的方法:将N 个脉冲压缩后的最大目标的相位,拟合成一次线性直线。假设拟合后的相位直线为mi m m ik

13、 b =+ (6逆傅里叶变换(IDFT输出高分辨成像结果为 0/42(sin (2/2sin (2/2(7m mij j f t j b r m m m y l A e e e l N f R c N k N l N f R c k N=由式(7可知,当m k 不同时,各个通道峰值点对应的距离不同,即经过IDFT 输出高分辨成像的包络无法对齐。这样就对提取目标相位信息再进行数字波束形成造成了困难。解决方法:调整1m 个通道的斜率使其与第1个通道的斜率1k 一致。 IDFT 输出为离散的sinc 函数,通道间幅度不一致会导致sinc 函数输出峰值的畸变9。 同时,若每个通道引入相位误差mi b

14、,由式(7可知,IDFT 的输出包含相位误差项,对数字波束形成的性能也会造成一定的影响。 解决方法就是当物体在法线方向时,取距离像峰值点,对其进行补偿,使各通道之间的相位差mi b 为0。此时通道间的不一致性,可以得到较好的补偿。综上所述,步进频波形及幅相误差补偿处理分为通道内各频点校正为线性相位及通道间特性校正,具体流程图如图3所示。 2.4 系统构建 列车防撞雷达系统的总体设计框图如图4所示。频综模块产生单元产生两路基带调频连续波信号,上变频至X 波段,发射模块将X 波段信号4倍频,经过功率放大后发射。接收天线使用4路接收机通过4个1选4开关切换分时接收16路天线的信号,再与接收本振混频,

15、得到中频信号,下一步经过AD 采集后的数据进行数字信号处理,最后获得目标的距离和角度。 3 原理样机实验结果分析构建的原理样机系统参数如表1所示,图5展示了列车防撞雷达的实物照片。图3 调频步进信号幅相误差补偿流程图Fig. 3 The amplitude and phase errors compensation diagramof frequency stepped signal图4 列车防撞雷达总体设计框图Fig. 4The configuration of collision avoidance radar图5 毫米波列车防撞雷达天线实物照片Fig. 5 The photograph

16、of collision avoidance radar第2期 刘海波等: 一种车载毫米波列车防撞雷达系统研究 237表1 列车防撞雷达基本参数 Tab. 1 Specification of MMW radar工作频段雷达波形Ka 频率步进 最大辐射功率 30 dBm帧周期 6.4 ms合成带宽 1024 MHz重复周期 50 s 发射天线个数 1 接收天线个数 16 单个发射天线波束宽度 方位 3.5°,俯仰15° 单个接收天线波束宽度 方位12°,俯仰12°合成接收天线波束宽度 方位0.6° 接收阵元间隔约6倍波长作用距离 50 m 3

17、km 扫描范围-2°2° 为验证雷达系统高距离分辨和高精度单脉冲测角能,设计了如图6所示的实验场景:系统采用了8个天线单元工作,接收天线合成孔径0.4 m ,在距离雷达约50 m 处放置3个距离不同的角反射器如图6,间隔约为1.4 m ,回波的信噪比约为30 dB ,固定其中1个角反射器不动,在0°2°范围内横向移动另一个角反射器,测量两者之间角度差并与真实值比较。图7是3个目标的1维高分辨像,图8是在两目标夹角不同时单脉冲角度测量误差,可以看到单脉冲的角度测量精度在30 dB 条件下可达到0.03°。 图9是该样机在铁路实验场景图,图10是在

18、196 m 处角反目标放置于偏离轨道中心1.7 m 时,数据处理结果,图中两条黑色线表示虚拟的两条铁轨,红色线表示铁轨中心线,196 m 处铁轨外目标是放置的角反射器,179 m 处检测到的目标由于是与人行道交叉位置,轨道中心有明显台阶反射造成的虚警。图6 3个角反射器放置示意图Fig. 6The arrangement of radar and corner reflectors 图7 3个角反射器高分辨距离成像结果 图8 两目标不同夹角时的测量误差Fig. 7 Experimental result of high resolution range profile Fig. 8 Exper

19、imental result of azimuthal measurementaccuracy 图9铁轨实验场景 图10 铁轨旁目标检测结果Fig. 9 The rail experiment scene outdoors Fig. 10 Detection results of target outside the train railway238 雷 达 学 报 第2卷4 结论本文介绍了一种低成本车载毫米波防撞雷达系统,采用宽发窄收、开关切换的数字阵列天线、频率步进合成宽带信号等技术来降低成本,受实验条件所限,该原理样机只完成了较近距离的外场实验,实验结果验证了基于开关切换的数字阵列天线角

20、度测量原理,样机系统对于200 m 外的目标,距离分辨率优于0.3 m ,在30 dB 信噪比条件下,角度测量精度可达到0.03°,能有效分辨铁轨内外目标。本雷达现阶段以水平铁轨作为分析对象,未来会对火车爬坡转弯等技术难点进行探讨和研究。参 考 文 献1H Rohling and Lissel E. 77 GHz radar sensor for car applicationC. Proceedings International Radar Conference, Alexandria, VA, USA, May 1995: 373-379. 2Stove and Andrew

21、G. Obstacle detection radar for carsJ. Electronics & Communication Engineering Journal , 1991,3(5: 232-240. 3Narayanan A H, Brennan P, Benjamin R, et al . Railway level crossing obstruction detection using MIMO radarC. Proceedings of the 8th European Radar Conference (EuRAD, 2011: 57-60. 4 Mrou

22、é A, Heddebaut M, Elbahha F, et al . UWB radar andleaky waveguide for fall on track object identificationC. IEEE National Radar Conference, Washington DC, United States, 2010: 573-577. 5张建辉. 毫米波汽车防撞雷达的研究D. 博士论文, 南京: 南京理工大学, 2001: 32-33.Zhang Jian-hui. The study of millimetre-wave band for autom

23、otive collision avoidance radarD. Ph.D. dissertation, Nanjing: Nanjing Institute of Technology, 2001: 32-33. 6张光义. 相控阵雷达原理M. 北京: 国防工业出版社, 2009: 391.Zhang Guang-yi. Principles of Phased Array RadarM. Beijing: National Defense Industry Press, 2009: 391. 7Masaru Ogawa, Yoshikazu Asano, Shigeki Ohshima, et al . Electrically scanned millimeter-wave radar with antenna switchingJ. Electronics and Communications in Japan , Part III : Fundamental Electronic Science , 2006, 89(1: 10-20.8 龙腾, 毛二可, 何佩琨. 调频步进雷达信号分析与处理J. 电子学报, 1998, 26(12: 84-88.Long Teng, Mao Er-ke, and He Pei-kun. Analysis