一种用于轨交车辆防撞预警雷达系统

技术领域

本发明涉及轨道交通车辆运行安全保障技术，特别涉及一种用于轨交车辆防撞预警雷达系统。

背景技术

目前，轨道交通中的高、大、中运量系统的行车安全主要依赖于列车自动控制系统(ATC)中的列车自动保护系统(ATP)，而次中量、低运量系统全部依靠司机驾驶。比如地铁、轻轨是依靠ATP系统，现代有轨电车是依靠司机驾驶。当ATP系统故障或降级时，车辆则处于非正常工作状态，其行车安全依靠电话闭塞措施。在该状态下，司机凭调度的命令来手动开车。此时，如遇弯道、上下坡等特殊路段，司机视线受限，存在列车追尾的隐患，如上海2011年10号线追尾擦碰事故。

为此，出现了一些独立于ATC系统的列车安全保障方法，如基于声波(公布号CN102765409 A，公布号CN 102756748 A，公布号CN 102756747 A的发明专利)、激光(公布号CN 103847765 A的发明专利)、红外、视频、GPS(公布号CN 103101558 A的发明专利)、桥隧结构导波(公布号CN 104149818 A的发明专利)、RFID标签与惯导联合定位(公布号CN103192852 A的发明专利)、隧道活塞风(公告号CN 102745211 B的发明专利)及雷达的列车防撞方法(授权公告号CN 103235310 B、公布号CN 103171596 A的发明专利)。但声波探测方法具有声污染且传播速度受限；激光、红外、视频在雨雾天气性能受影响；GPS在隧道环境下无法直接与卫星建立稳定通信；桥隧结构导波的列车防撞系统需要预先储存本车行进声相应特征，与预存特征对比才能得出探测结论，且远距探测上可靠性差；RFID标签与惯导联合定位的方法，需在轨道上间隔布置RFID标签，并预先利用卫星定位和精密地图确定每个轨旁RFID标签的精确位置信息，工作量大，若要达到较高的测距精度，需布置标签数量庞大；基于隧道活塞风的列车预警方法只适用于隧道环境；雷达探测系统具备全天候、全天时工作能力成为理想选择。

2014年11月授权的专利(CN 103235310 B)“一种车载毫米波列车防撞雷达系统”，采用相控阵雷达技术，对列车前方障碍物进行检测，但在隧道环境下高频电磁波衰减较大，探测距离受限，且轨旁环境复杂情况下虚警率很高，不适用于城市轨道交通环境。

2013年6月申请公布的专利(CN 103171596 A)“一种轨道交通列车的防撞预警方法”，上下行采用不同的频段进行测距，只能对上下行不同的列车进行区分，适用的工况受限。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于轨交车辆防撞预警雷达系统，具有双机互为监测冗余的工作模式，提高轨道交通运行安全及效率。

为了实现以上目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于轨交车辆防撞预警雷达系统，其特点是，包含：

第一雷达主机，用于主动测距问讯；

第二雷达主机，其与第一雷达主机相连，用于测距应答；

当所述的第一雷达主机发生故障时，所述的第二雷达主机接管第一雷达主机的主动测距问讯功能；

当所述的第二雷达主机发生故障时，所述的第一雷达主机接管第二雷达主机的测距应答功能。

所述的第一雷达主机发出一测距问讯信号，所述的第二雷达主机接收测距问讯信号后返回一测距应答信号。

所述的第一雷达主机收到返回的测距应答信号，则对除第二雷达主机外的应答地址设备分别测距。

所述的第一雷达主机没有收到返回的测距应答信号，判断第一雷达主机发射自检是否正常；

若否，所述的第二雷达主机接管第一雷达主机的主动测距问讯功能；

若是，分别判断第二雷达主机发射自检和接收自检是否正常；

当所述的第二雷达主机发射自检和接收自检都正常时，第二雷达主机接管第一雷达主机的主动测距问讯功能；

当所述的第二雷达主机的发射自检或接收自检异常时，所述的第一雷达主机接管第二雷达主机的测距应答功能。

所述的第一雷达主机发出一测距问讯信号，所述的第二雷达主机未收到测距问讯信号，判断第一雷达主机发射自检是否正常；

当所述的第一雷达主机发射自检正常时，第一雷达主机接管第二雷达主机的测距应答功能；

当所述的第一雷达主机发射自检异常时，第二雷达主机接管第一雷达主机的主动测距问讯功能。

当所述的第一雷达主机发生故障时，若对应司机室钥匙信号为高电平，则所述的第二雷达主机接管第一雷达主机的主动测距问讯功能；若对应司机室钥匙信号为低电平，则所述的第二雷达主机执行原功能。

当所述的第二雷达主机发生故障时，若对应司机室钥匙信号为高电平，则所述的第一雷达主机执行原功能；若对应司机室钥匙信号为低电平，则所述的第一雷达主机接管第二雷达主机的测距应答功能。

所述的第一雷达主机包含：

第一数字信号处理模块；

依次相连的第一DDS调频信号发生器、第一滤波器、第一上变频器、第一功率放大器、第一T/R开关、第一低噪声放大器、第一下变频器、第一AGC放大器和第一A/D转换器，所述的第一DDS调频信号发生器输入端连接第一数字信号处理模块输出端，所述的第一A/D转换器输出端连接第一数字信号处理模块输入端；

第二滤波器、第一收发天线，所述的第一收发天线通过第二滤波器连接第一T/R开关。

所述的第二雷达主机包含：

第二数字信号处理模块，其与第一数字信号处理模块相连；

依次相连的第二DDS调频信号发生器、第三滤波器、第二上变频器、第二功率放大器、第二T/R开关、第二低噪声放大器、第二下变频器、第二AGC放大器和第二A/D转换器，所述的第二DDS调频信号发生器输入端连接第二数字信号处理模块输出端，所述的第二A/D转换器输出端连接第二数字信号处理模块输入端；

第四滤波器、第二收发天线，所述的第二收发天线通过第四滤波器连接第二T/R开关。

所述的第一、二雷达主机分别连接RFID天线，用于根据所述的RFID天线接收的RFID标签信息识别轨交车辆的运行状态。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明具有双机互为监测冗余的工作模式，当其中一个雷达系统发生故障时，另一个雷达系统可以接管出现故障的雷达系统的功能，提高轨道交通运行安全及效率。

本发明通过RFID标签自动识别或手动设置列车的上下行、出入库、临时停车线等运行状态。

附图说明

图1为本发明一种用于轨交车辆防撞预警雷达系统的安装示意图；

图2为本发明一种用于轨交车辆防撞预警雷达系统的系统框图；

图3为第一雷达主机的工作流程图；

图4为第二雷达主机的工作流程图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，一种用于轨交车辆防撞预警雷达系统，包含：第一雷达主机100，用于主动测距问讯；第二雷达主机200，其通过CAN总线与第一雷达主机100相连，用于测距应答；所述的第一、二雷达主机分别连接RFID天线300，用于根据所述的RFID天线接收的RFID标签信息识别轨交车辆的上下行、出入库、临时停车线等运行状态，另一方面也可以手动设置列车的运行状态。在具体实施例中第一雷达主机100和第二雷达主机200分别设置在轨交车辆的车头和车尾。

如图2所示，上述的第一雷达主机100包含：第一数字信号处理模块101；依次相连的第一DDS调频信号发生器102、第一滤波器103、第一上变频器104、第一功率放大器105、第一T/R开关106、第一低噪声放大器107、第一下变频器108、第一AGC放大器109和第一A/D转换器110，所述的第一DDS调频信号发生器102输入端连接第一数字信号处理模块101输出端，所述的第一A/D转换器110输出端连接第一数字信号处理模块101输入端；第二滤波器111、第一收发天线112，所述的第一收发天线112通过第二滤波器111连接第一T/R开关106。测距问讯信号由第一数字信号处理模块控制第一DDS调频信号发生器产生，测距问讯信号带宽为80MHz的Chirp编码信号，经过第一滤波器103、第一上变频器104、第一功率放大器105及第二滤波器111后由第一收发天线112辐射出去，第一收发天线112接收到的测距应答信号经第二滤波器111、低噪放、下变频、AGC放大、A/D采样获得数字信号，经过第一数字信号处理模块101进行脉冲压缩、信号解码及距离解算。

上述的第二雷达主机200包含：第二数字信号处理模块201，其与第一数字信号处理模块101相连；依次相连的第二DDS调频信号发生器202、第三滤波器203、第二上变频器204、第二功率放大器205、第二T/R开关206、第二低噪声放大器207、第二下变频器208、第二AGC放大器209和第二A/D转换器210，所述的第二DDS调频信号发生器202输入端连接第二数字信号处理模块201输出端，所述的第二A/D转换器输出端连接第二数字信号处理模块输入端；第四滤波器211、第二收发天线212，所述的第二收发天线212通过第四滤波器211连接第二T/R开关206。第二雷达主机200工作原理与第一雷达主机100工作原理一样，在此不再赘述。

在具体实施例中，第一、二数字信号处理模块还分别连接一CAN通信模块(113、213)，为雷达系统与外部设备及电路间通信提供通信接口。

本发明采用带宽为22MHz的Chirp信号，有上调频(Upchirp)、和下调频(Downchirp)两种，接收时则把回波信号经过匹配滤波技术加以压缩，使它的等效带宽B满足B＝Δf>>1/τ，距离分辨率Δr＝c/2B，其中c为电磁波传播速度。

以上调频为例，雷达发射信号表达式

其中T为脉冲持续时间，f₀为中心频率，t是时间变量，K是线性调频率。

带有时延的中频接收回波为：

t_i为回波的延迟时间。

匹配滤波为发射中频信号的复共轭：

h(t)＝rect(t/T)exp[-jKt²]

经过匹配滤波后的时域输出为：

Chirp信号经匹配滤波的输出具有sinc函数的形状和特性，压缩后脉宽变窄，具有很高的距离分辨率。

列车运行时在探测范围内可能会有多列车多台设备同时存在，为保证设备间正常测距，需要对不同设备的发射信号进行识别，使得有潜在危险的列车间能有效的进行距离探测。每台设备被分配唯一的地址编码，编码内容可根据需要包含线路号、列车车次、列车上下行信息、A/B端、设备工作模式(问询/应答)，但不局限于以上信息。

如图3所示，系统上电，静默3s后，第一雷达主机100状态初始化，并进入测距问讯模式。第一雷达主机100发出一测距问讯信号，第二雷达主机200接收测距问讯信号后返回一测距应答信号。所述的第一雷达主机100收到返回的测距应答信号，则对除第二雷达主机200外的应答地址设备分别测距。所述的第一雷达主机100没有收到返回的测距应答信号，判断第一雷达主机100发射自检是否正常；若否，则判断第一雷达主机发射通道故障，故障报警，所述的第二雷达主机200接管第一雷达主机100的主动测距问讯功能；若是，分别判断第二雷达主机发射自检和接收自检是否正常；当所述的第二雷达主机发射自检和接收自检都正常时，则判断第一雷达主机接收通道故障，故障报警，第二雷达主机200接管第一雷达主机100的主动测距问讯功能；当所述的第二雷达主机200的发射自检或接收自检异常时，所述的第一雷达主机100接管第二雷达主机200的测距应答功能，即，若第二雷达主机发射自检异常，则判断第二雷达主机发射通道故障，故障报警，第一雷达主机100接管第二雷达主机200的测距应答功能；若第二雷达主机发射自检正常，则对第二雷达主机的接收自检进行判断，若第二雷达主机接收自检失效，则判断第二雷达主机接收通道故障，故障报警，第一雷达主机100接管第二雷达主机200的测距应答功能。

如图4所示，系统上电，静默3s后，第二雷达主机200状态初始化，然后进入测距应答模式，第一雷达主机100发出一测距问讯信号，当所述的第二雷达主机200收到测距问讯信号，则第一、二雷达主机工作正常，第二雷达主机200正常应答。所述的第二雷达主机200未收到测距问讯信号，判断第一雷达主机发射自检是否正常；当所述的第一雷达主机100发射自检正常时，则判断第二雷达主机发射通道故障，故障报警，第一雷达主机100接管第二雷达主机200的测距应答功能；当所述的第一雷达主机100发射自检异常时，则判断第一雷达主机接收通道故障，故障报警，第二雷达主机200接管第一雷达主机100的主动测距问讯功能。

当所述的第一雷达主机100发生故障时，若对应司机室钥匙信号为高电平，则所述的第二雷达主机200接管第一雷达主机100的主动测距问讯功能；若对应司机室钥匙信号为低电平，则所述的第二雷达主机200执行原功能。当所述的第二雷达主机200发生故障时，若对应司机室钥匙信号为高电平，则所述的第一雷达主机100执行原功能；若对应司机室钥匙信号为低电平，则所述的第一雷达主机100接管第二雷达主机200的测距应答功能。

综上所述，本发明一种用于轨交车辆防撞预警雷达系统，具有双机互为监测冗余的工作模式，提高轨道交通运行安全及效率。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。