12.Высокочастотные методы

локации

12.1. Измерение скорости и пройденного

пути

Радарная технология в настоящее время все больше используется на железнодорожном подвижном составе для измерения скорости и пройденного пути. Радарные устройства для бесконтактного измерения этих важных величин внедряются в системы управления тяговым приводом и обеспечения безопасности движения поездов. Система управления тягой и торможением с защитой от буксования и юза не всегда может получать сигналы от какой-либо оси, так как в настоящее время практически нет свободных осей для установки дополнительных датчиков. Радар зачастую является единственной альтернативой. При этом требуется особая точность сигнала скорости, высокая надежность и достаточная динамическая чувствительность радарного устройства. Хорошо известный доплеровский эффект может быть использован в измерениях скорости и пройденного пути. Излучаемые радаром волны отражаются от движущегося объекта со смещением частоты и попадают в приемник. Получаемая при этом разностная частота определяет скорость движения объекта, что видно из уравнения (формулы Доплера)

, (12.1 )

где v - скорость подвижного состава в направлении распространения волн, l - длина волны микроволнового излучателя, q - главный угол излучения антенны по отношению к направлению движения. Интегрируя выражения для скорости, получают пройденный путь. Один период доплеровских колебаний с частотой 24.125ГГц и углом излучения 35° соответствует прохождению отрезка пути длиной 8мм. Суммируя число колебаний (аналогично суммированию импульсов колесного датчика), получают величину пройденного пути. По сравнению со звуковыми и световыми волнами колебания микроволнового диапазона наиболее удобны для измерения скорости и пути, пройденного поездом. На практике приходится иметь дело не с одной строго определенной частотой, а с относительно широким спектром частот, подчиняющимся распределению Гаусса. Кроме того, доплеровские сигналы сильно модулированы по амплитуде и фазе. Форму спектра можно определить, если исследовать влияние фиксированного угла раскрытия антенны и отражательной способности основания. Доплеровская частота имеет максимальное значение при горизонтальном излучении, так как в этом случае cosq близок к 1. В то же время величина отраженной энергии уменьшается пропорционально квадрату расстояния от отражающей поверхности, поэтому для получения сигнала достаточного уровня нужно увеличить угол излучения по отношению к горизонтали. На практике его берут в пределах 35 - 70° к горизонтали. При этом доплеровское смещение составляет 35 - 80%.

Обычно на практике используют диапазон сантиметровых волн 24.125 ГГц (К-диапазон), несмотря на то, что более высокие частоты обеспечивают повышенную точность и позволяют работать с компактными антенными модулями. Однако для работы в диапазонах частот 61.25 и 76.5 ГГц, которые также допустимы, в настоящее время еще нет приемопередатчиков приемлемой стоимости. Но в ближайшем будущем можно рассчитывать на появление таких относительно дешевых устройств, работающих в диапазоне 76.5 ГГц, поскольку они нашли применение на автомобильном транспорте.

Рис.12.1. Доплеровский измеритель скорости

Угол излучения наиболее используемых антенн лежит в пределах от ± 3° до ± 30° относительно главного направления излучения. Разброс угла излучения относительно его основного значения приводит к уширению полосы доплеровского рассеяния. Схематически это представлено на рис.12.1. Луч 1 отображен в центре кривой распределения доплеровского спектра. Пологий луч 2 дает сигнал, смещенный к более высоким частотам, а луч 3 - к низким. Величина и качество отраженного сигнала, попадающего на антенну, в большой степени зависят от характеристики поверхности, отражающей сигнал.

Для того чтобы не было полного зеркального отражения, когда угол падения равен углу отражения, поверхность должна обладать определенной минимальной шероховатостью r, чтобы часть излучения вернулась к антенне. При этом действует следующий критерий:

. (12.2)

На длине волны l = 1.25 см (частота 24,125ГГц) и q = 45° шероховатость должна быть не менее 2 мм. Это условие хорошо выполняется на пути со щебеночным балластом. В этом случае основание может быть представлено в виде излучателя Ламберта, где отраженная энергия пропорциональна косинусу угла падения. В диапазоне обычно используемых углов раскрытия антенны амплитуду можно считать практически независимой от направления распространения. В этом случае говорят об изотропном отражении. Несколько иная картина на пути с гладким бетонным основанием. Когда шероховатость поверхности приближается к предельной, характеристика направленности становится более выраженной, а амплитуда отраженного излучения явно зависимой от угла падения. Эта зависимость может быть описана в виде функции основания U(q) или U(v). В случае изотропного отражения из геометрии лепестка направленности антенны получают спектр I. При отражении, зависящем от угла, действительна функция UII, при умножении которой на составляющие спектра I получается спектр II. Еще сложнее ситуация на пути с металлическими шпалами, имеющими скошенные стенки. В этом случае функция основания имеет ярко выраженный максимум.