雷达测速传感器及其测试系统研究

佟通

摘要∶随着地铁飞速发展，列车运营安全要求越来越高，针对我国车载测速雷达测试工装缺乏的紧张局面，研究了一种基于数字信号处理器雷达测速系统，并详细介绍了该系统的工作原理。主控单元通过自定义总线与将参数下发到DRFM 单元，DRFM 模块通过超大规模 FpGA 实现接收信号的检测与参数提取、多普勒调制 （ 速度模拟 ） 与信号产生，生成的信号通过超宽带DAC 转换为模拟中频信号 ，雷达微波模块输出的多普勒频率信号经放大滤波后，控制信号的采集和对数据进行计算分析，最终将结果送至显示控制单元。该测速系统具有很好的精确度、实时性和稳定性，填补了我国在这一领域的研究空白，具有重要的理论与实践意义。

关键词∶雷达，速度传感器，多普勒

1、引言

2020年至2021年初，我连续收到多台14号线 DRs05雷达速度传感器，一线疑似雷达存在故障。为确定此类雷达是否存在故障，以便支持一线故 障分析及开展维修工作，我开展相关维修能力及测试研究工作。

2、雷达介绍

2.1、测速雷达

品牌：DEUTA-wERKE CmbH ，型号：DRs05，雷达速度传感器采用不接触地面的方式测量列车运行的速度、距离、方向。同时还提供诊断和状态信号，这些信号通过一个485通信串行接口输出给车载，根据使用条件不同，产品的使用寿命建议在6-8年之间。

测速范围：0.2-600Km/h

標准脉冲输出 ： 占空比1：1供电电源：24VDC～110VDC

功耗：根据接口电路不同可达10w 天线发射频率：24.125CHz（k 波段）

天线发射功率：2x5mw，单个天线5mw

2.2、雷达微波模块

雷达微波模块位于系统的最前端，是发射波的产生装置和反射波的接受装置，雷达微波模块在接受了回波信号以后，向后端电路发送两个信号混频之后的正弦波信号，正弦波的频率为多普勒频率。当然由于发杂的环境和各种干扰，雷达微波模块向后发出的多普勒频率还包含了许多的噪声和干扰。如何产生稳定准确的多普勒频率信号和尽量的降低噪声及干扰是雷达微波模块最重要的品质因素，雷达微波模块的质量是保证系统测量精确度的基础，后端的信号放大、采集和计算都是基于雷达微波模块发出的多普勒频率信号。

2.3、频率解算方法

雷达微波模块发射雷达波以后，会接受到来自各个方向的回波信号和环境本身产生的电磁波信号，这些杂波信号是测量误差的基本来源。频率解算方法的目标就是从各种杂波中快速准确的找到我们需要反射波信号，估算出实际的多普勒频率。

采用何种数据处理方式和信号处理方法非常重要，一个稳定精确的算法保证了系统能够得到准确的数据，决定了雷达测速传感器的测速质量。 频率解算方法一直是提高雷达测速传感器品质的重点所在。

在本测速系统的算法设计中，是以离散傅里叶变换为基础的经典谱估计算法和以随机过程的参数模型为基础的现代谱估计算。

2.4、多普勒效应

当信号发射源和目标物体即信号反射物之间有相对运动发生变化时，则目标物体所接收到的信号频率和信号发射源所发射的信号的频率会发生变化而频率值不一样。当相对运动表现为远离时，接收到反射信号频率会 变低（红移），当相对运动表现为接近时，接收到的信号频率会变高（蓝移），我们根据判别接收信号频率和发射信号的频率的变化大小来计算相对运动的速度大小。

3、测速雷达工装目标

根据雷达工作原理及工作目标，需建设测试工装对雷达进行检测。工装需要实现下述功能 ：

a）定性检测雷达功能是否正常

b）模拟雷达实际运行情况，进行前进、后退、静止测试

c）对不同速度情况下雷达反馈数据进行测试及验证，并对测试数据进行存储

d）针对上述测试能够自动进行，无需人员干预

4、 工装搭建

4.1. 功能描述

a）雷达信号采集分析功能 ：

通过天线接收雷达发射的射频模拟信号，并将其下变频到模拟中频信号，然后通过 AD 采样得到中频数字信号，对信号进行分析，计算信号频率及功率;

b）速度模拟功能 ：

根据用户自定义速度、方向，结合雷达频率与安装角度，计算出多普 勒频率，对信号进行多普勒调制后，生成新的中频回波模拟信号;

c）信号输出功能：

对中频模拟回波信号进行上变频处理，并通过天线辐射给雷达接收;d） 一体化测试功能：

具备一键测试雷达频率、功率、多种速度及方向组合的能力，并与雷达回传的目标参数自动比对，自动生成雷达测试报告;

e） 自检功能：

具备加电自检功能，根据故障码可以定位测试仪模块级故障。

4.2主要性能

工作频率：24.125CHz

测速范围：0.1km/h-1000km/h 速度步进：0.1Km/h

接收功率范围：-30dBm-+10dBm（10mw） 支持连续老化测试

4.3组成

雷达综合测试仪主要包含雷达综合测试仪主要包含 K 波段收发设备（主机，内置）、收发天线 （2对，内置 ）、便携式操作终端、AD/DC 电源等。 其中主机单元由 DRFM 模块、射频上下变频模块、嵌人式控制器、DC/DC 电源、背板、风扇单元、收发天线 （2对，内置 ）、手持式终端 （PAD）、电 源适配器等。

4.4工作原理 ：

通过系统主控软件完成工作模式、目标参数编辑并对参数进行设置，通过以太网将控制参数下发到主控单元。

主控单元通过自定义总线与将参数下发到 DRFM 单元，DRFM 模块通过超大规模 FPCA 实现接收信号的检测与参数提取、多普勒调制 （ 速度模拟 ） 与信号产生，生成的信号通过超宽带 DAC 转换为模拟中频信号。同时DRFM 单元按控制时序向射频上下变频单元下发控制参数。射频上下变频单元完成中频信号频率的滤波、变频、放大及数控衰减等，匹配系统的输出功率及输出动态要求。通过系统主控软件可逐项检测雷达各项参数，如频率、功率、速度（一组速度）、方向及获取雷达上报结果等，也可一键自动完成各项参数测量并生成检测报告，方便快速高效的完成雷达检测。

5、风险应对措施

a）器件选择军品级，工作温度、稳定性和使用寿命高于工业级和民用级，且厂家为每块军品级模块提供各项参数的检测报告;

b）模块内部设计有过流、过压、欠压等保护功能，同时电源板卡本身也有过流熔断保险，双重保护确保板卡故障不影响其他设备;

参考文献：

[1]张武娟.雷达测速在列车运行中的研究与应用 [D]. 长沙：中南大学，2008：1～4.

[2]林宝玺，胡志英. 多普勒雷达.北京：国防工业出版社，1982.11～201.