一种车载毫米波列车防撞雷达系统研究

2013-07-27刘海波盛蒙蒙杨晓倩

雷达学报 2013年2期

刘海波* 盛蒙蒙杨晓倩

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)

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精度，可有效分辨铁轨内外目标。

列车防撞雷达；数字阵列；频率步进信号

1 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。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。

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，如测量多目标困难，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

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，本雷达采用收发分置天线1发16收工作模式，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

图1 不同指向下发射接收双程方向图

图2 开关工作原理框图

目标回波的时间延迟表示为

(3)

脉压后信号为

脉压后信号相位为

(5)

逆傅里叶变换(IDFT)输出高分辨成像结果为

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。

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，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

图4 列车防撞雷达总体设计框图

图5 毫米波列车防撞雷达天线实物照片

表1列车防撞雷达基本参数

Tab. 1 Specification of MMW radar

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

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

图9铁轨实验场景

图10 铁轨旁目标检测结果

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。

[1] H Rohling and Lissel E. 77 GHz radar sensor for car application[C]. Proceedings International Radar Conference, Alexandria, VA, USA, May 1995: 373-379.

[2] Stove and Andrew G. Obstacle detection radar for cars[J].&, 1991, 3(5): 232-240.

[3] Narayanan A H, Brennan P, Benjamin R,.. Railway level crossing obstruction detection using MIMO radar[C].Proceedings of the 8th European Radar Conference (EuRAD), 2011: 57-60.

[4] Mroué A, Heddebaut M, Elbahha F,.. UWB radar and

leaky waveguide for fall on track object identification[C]. 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 automotive collision avoidance radar[D]. [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 Radar[M]Beijing: National Defense Industry Press, 2009: 391.

[7] Masaru Ogawa, Yoshikazu Asano, Shigeki Ohshima,.. Electrically scanned millimeter-wave radar with antenna switching[J].,:, 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 and processing of modulated frequency stepped radar signal[J]., 1998, 26(12): 84-88.

[9] Kobayakawa S, Tsutsui M, and Tanaka Y. A blind calibration method for an adaptive array antenna in DS-CDMA systems using an MMSE algorithm[C]. 2000 IEEE 51st Vehicular Technology Conference Proceedings, Tokyo, Japan, May 2000, 1: 21-25.

A Study of MMW Collision Avoidance Radar System for Trains

Liu Hai-bo ShengMeng-meng Yang Xiao-qian

(School of Information and Electronics,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081, China)

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 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 confirmed a high azimuth and range resolution.

Collision avoidance radar; Digital array; Frequency-stepped signal

TN972; TN958

2095-283X(2013)02-0234-05

10.3724/SP.J.1300.2013.20091

刘海波(1980-)，男，山东青岛人，1998年进入北京理工大学电子工程系学习，2002年博士研究生毕业，现任信息与电子学院雷达技术研究所讲师，主要研究方向为新体制雷达系统构建、高分辨雷达系统等。E-mail: haibolhb@bit.edu.cn