СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ ОТЦЕПОВ НА СОРТИРОВОЧНОЙ ГОРКЕ И УСТРОЙСТВО, ЕГО РЕАЛИЗУЮЩЕЕ Российский патент 2004 года по МПК B61L17/00 

Изобретение относится к области железнодорожной автоматики и телемеханики, в частности к способам и устройствам автоматического регулирования скорости движения отцепов на сортировочной горке с целью обеспечения безаварийного роспуска железнодорожных составов, отображения информации о движении отцепов и их расположении на сортировочной горке в процессе роспуска составов, а также документирования процесса роспуска.

Известен способ для измерения параметров движения отцепов, включая определение скорости движения, на сортировочной горке [1], который использует непрерывное излучение СВЧ-сигнала, гомодинное преобразование отраженного от отцепа сигнала и его обработку, заключающееся в применении схемы слежения за частотой и фазой доплеровского сигнала. Этот способ слежения за частотой и фазой не обеспечивает необходимой точности измерения при скачках частоты и фазы, реально возникающих при замираниях сигнала, кроме того, этот метод не оптимален с точки зрения обнаружения и измерения сигнала, он также не является адаптивным в смысле изменения времени накопления сигнала, которое определяется темпом выдачи данных вне зависимости от скорости движения отцепа, что приводит к значительному снижению точности измерения при малых скоростях движения отцепа.

Целью изобретения является повышение точности и надежности измерения скорости движения отцепов путем применения оптимального корреляционного приема сигнала, получаемого в результате гомодинного преобразования. Практически этот способ приема сигнала с неизвестной фазой в цифровой технике осуществляется путем применения дискретного преобразования Фурье (ДПФ) и его разновидностей: быстрого преобразования Фурье (БПФ) и алгоритма Герцеля [2, 3]. С помощью применения алгоритма Герцеля удается синхронно и адаптивно накапливать сигнал в течение отрезка времени, определяемого необходимым темпом выдачи данных, или, другими словами, создать корреляционный цифровой следящий фильтр за частотой Доплера с временем интегрирования, зависящим от скорости движения отцепа и темпа выдачи данных через определенный отрезок пути.

Известно устройство для измерения параметров движения отцепов, в том числе и их скорости, на сортировочной горке [1], которое использует радиолокатор мм-диапазона с непрерывным излучением, в котором после гомодинного преобразования образуется сигнал доплеровской частоты, пропорциональной скорости движения отцепа. В этом устройстве применена схема автоматического слежения за частотой и фазой доплеровского сигнала, которая не обеспечивает необходимой точности измерений частоты Доплера из-за замираний сигнала, отраженного от отцепа. Это устройство не является адаптивным в смысле выдачи данных через определенный пройденный отцепом отрезок пути вне зависимости от скорости движения отцепа.

На чертеже представлена схема устройства для измерения скорости движения отцепов на сортировочной горке.

Устройство содержит блок 1 гомодинного преобразования сигнала, который, в свою очередь, состоит из: приемопередающей антенны 2, генератора сверхвысокочастотного сигнала 4, циркулятора 3 и смесителя 5. Выход смесителя 5 подается на вход вычислительного устройства 13, состоящего из блоков 6, 7, 8, 9, 10, 11 и 12.

Выход смесителя 5 подается на вход усилителя, содержащего фильтр низкой частоты (ФНЧ) 6, выход которого соединен со входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 7, который, в свою очередь, соединен с сигнальным процессором 8. Выход сигнального процессора 8 подключен к схеме выдачи выходных напряжений 12. Синхронизатор 9 соединен одним выходом с усилителем, имеющим ФНЧ 6, другой выход синхронизатора 9 подается на АЦП 7, третий выход синхронизатора подается на сигнальный процессор 8, а четвертый выход синхронизатора 9 подается на вход генератора адресов 10. В свою очередь генератор адресов 10 соединяется с постоянным запоминающим устройством (ПЗУ) 11, а выход ПЗУ 11 соединен с одним из входов сигнального процессора 8.

Устройство работает следующим образом.

На выходе блока 1 вследствие гомодинного преобразования сигнала получается напряжение доплеровской частоты, пропорциональное скорости движения отцепа. Далее сигнал доплеровской частоты поступает на вычислительное устройство 13, существенным образом отличающееся от прототипа изобретения [1]. Вычислительное устройство 13 состоит из блоков 6, 7, 8, 9, 10, 11 и 12. Усилитель низкой частоты с ФНЧ 6 предназначен для исключения наложения спектров при дискретизации сигнала. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 7 осуществляет дискретизацию и квантование сигнала, т.е. превращает сигнал в цифровой вид. В этом виде сигнал поступает на сигнальный процессор 8, где осуществляется корреляционный прием сигнала с временем накопления, зависящим от скорости движения отцепа и определяемым темпом выдачи данных. Синхронизатор 9 выдает на блоки 6, 7, 8 и 10 свои синхронизирующие последовательности импульсов, которые увязывают во времени работу всех блоков обработки сигнала, генератор адресов 10 выбирает из ПЗУ 11 программные блоки и заранее определенные значения коэффициентов для вычислений по алгоритму Герцеля. Схема выдачи выходных напряжений 12 обеспечивает три выходных сигнала:

- аналоговое напряжение, пропорциональное скорости движения отцепа;

- напряжение типа меандра, частота которого пропорциональна скорости движения отцепа;

- цифровой выход, выдающий информацию о скорости движения отцепа в определенном виде.

Вычисления в сигнальном процессоре осуществляются в соответствии со следующим алгоритмом: каждая выборка, получаемая из АЦП, обрабатывается в соответствии с алгоритмом Герцеля по рекуррентной формуле

где Q_k(n) - промежуточное преобразование выборки;

x(n) - выборка сигнала из АЦП;

k - номер частотного фильтра, где k=1, 2,..., N;

N - размер дискретного преобразования Фурье;

n=0, 1, 2,..., N-1,

при этом учитываются условия:

Q_k(-1)=0, Q_k(-2)=0.

В конце преобразования при n=N, отсчет в k-м частотном фильтре определяется по формуле:

где y_k(N) - отсчет в k-м частотном фильтре;

A=Q_k(N-1);

B=Q_k(N-2);

Квадратный корень из можно и не извлекать, а сравнивать квадраты отсчетов в частотных фильтрах при разных k для поиска максимального значения.

Важно отметить, что вычисления по формуле (1) производятся после получения очередной выборки для всех k-частотных фильтров, и это можно осуществить, так как время между выборками для выбранного примера равно 200 мкс, а время оцифровывания выборки в АЦП порядка 15 мкс. Времени в 185 мкс вполне хватает, чтобы произвести вычисления по формуле (1) в сигнальном процессоре 8 (см. чертеж). Вычисления по формуле (2) производятся в конце преобразования при n=N и используют 6N операций с действительными переменными, тогда как если применять классический алгоритм быстрого преобразования Фурье (БПФ), то необходимо произвести Nlog₂N комплексных операций только в конце преобразования. Таким образом, преимущество конкретного применения алгоритма Герцеля по сравнению с широко распространенным БПФ заключается в более быстром получении результатов вычислений. Кроме того, алгоритм Герцеля по N действительным выборкам выдает N "амплитудных" частотных фильтров, тогда как алгоритм БПФ из-за вычислений с комплексными числами при N действительных выборках дает N/2 фильтров, что еще в 2 раза ускоряет время получения результата. Например, при N=512 получается выигрыш в окончательном числе операций в (2Nlog₂N)/6N=27 раз, при этом не учитываются операции по формуле (1), которые производятся во время получения выборок, и, таким образом, не увеличивают окончательное время вычислений.

Для улучшения разрешающей способности при спектральном анализе предлагается применить взвешивание данных перед преобразованием Фурье, а чтобы при этом не потерять информацию на "концах" интервала преобразования, следует применить "скачущее" ДПФ с перекрытием 2:1 [3].

Так как число отсчетов L сигнала, особенно при малых скоростях отцепа, больше размера преобразования N, то предлагается применить наложение сигнала во временной области, т.е. преобразование Фурье производить по формуле [3]

где M=L/N;

L - общее доступное число отсчетов сигнала;

N - размер преобразования Фурье;

x(n) - значение выборки сигнала.

Здесь М=L/N - целое число, показывающее, во сколько раз число отсчетов L, определяемое темпом выдачи данных, превышает размер преобразования N. Из формулы (3) следует, что при вычислении спектра производится предварительное суммирование входных отсчетов данных, отстоящих друг от друга на N точек. Этот прием дает улучшение разрешения анализа и позволяет использовать всю информацию о движущемся отцепе.

Таким образом при малых скоростях движения отцепа, когда общее доступное число отсчетов сигнала L больше размера преобразования Фурье N, входные данные х(n) для формулы (1) получаются суммированием выборок сигнала из АЦП по формуле

где М=L/N - целое число, показывающее, во сколько раз число отсчетов L, определяемое темпом выдачи данных, больше размера преобразования N.

Из-за "размытости" доплеровского спектра, отраженного от отцепа сигнала, и изменения скорости за время ее измерения отсчеты спектра будут появляться в нескольких близлежащих частотных фильтрах, то для выявления истинного среднего значения доплеровской частоты производится нахождение "центра тяжести" спектра по формуле

Здесь A_i - значение отсчета фильтра на частоте f_di. Окончательно скорость отцепа определяется по формуле

где V - скорость отцепа, м/с;

λ - длина волны высокочастотного сигнала радиолокатора;

F_доп - оценка доплеровской частоты в (5);

α - угол между вектором скорости и линией визирования антенны.

Итак, алгоритм обработки сигнала после гомодинного преобразования следующий:

- вычисляется первое пробное преобразование Фурье во всех N фильтрах с привлечением алгоритма Герцеля, например, по 512 отсчетам при выдаче данных через 1 м пути или по 256 отсчетам при выдаче данных через 0,5 м пути;

- по первой грубой оценке частоты Доплера f_доп определяется число М возможных участков суммирования в формуле (4), производится суммирование входных данных (4) и далее производятся вычисления в соответствии с формулой (1) алгоритма Герцеля после каждой выборки только в тех 16 частотных фильтрах вокруг f_доп, где расположена эта грубая оценка f_доп. После каждого уточнения f_доп оценка эта корректируется (сдвигается) в сторону максимального отсчета в частотных фильтрах, чем обеспечивается слежение за скоростью выбранного отцепа. Как видно из приведенного алгоритма, возможно слежение и за несколькими отцепами с разрешением по скорости, определяемым обратной величиной времени накопления;

- после последней выборки при n=N по формуле (2) вычисляются все 16 отсчетов

- при М=1 или 2 делается "скачущее" Фурье преобразование с перекрытием 2:1 для улучшения разрешения при большой скорости движения отцепа;

- находится "центр тяжести" спектра (5), что является окончательной оценкой частоты F_доп, а затем оно переводится в значение скорости отцепа по формуле (6).

Источники информации

1. Патент Российской Федерации №2003543 от 8 октября 1991 г., МКИ 5 В 61 L 17/00 "Устройство для измерения параметров движения отцепов на сортировочной горке". Авторы: Шелухин В.И., Фомин А.Ф., Малышев И.Н., Бахарев В.А. и Смычек М.А.

2. Digital signal processing applications using the ADSP-2100 family. Volume 1 Prentice hall, Englewood Cliffs, Nj 07632 фирмы Analog Devices.

3. Л.Рабинер, Б.Гоуд. Теория и применение цифровой обработки сигналов. - М.: Мир, 1978 г.

Изобретение относится к способам и устройствам автоматического регулирования скорости отцепов на сортировочной горке. Осуществляется непрерывное излучение СВЧ-сигнала, прием отраженного от отцепа сигнала и его последующая обработка после гомодинного преобразования. Последующую обработку осуществляют путем обработки выборок сигнала с помощью дискретного преобразования Фурье с использованием алгоритма Герцеля, при этом в промежутках между выборками определяют значение промежуточного преобразования выборки сигнала. Основная часть вычислений производится в промежутках между выборками. Применяют весовую обработку входных данных, суммирование входных данных с наложением во времени, “скачущее” дискретное преобразование Фурье. Технический результат - повышение точности и надежности измерений. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ измерения скорости движения отцепов на сортировочной горке, использующий непрерывное излучение СВЧ-сигнала, прием отраженного от отцепа сигнала и его последующую обработку после гомодинного преобразования, отличающийся тем, что последующую обработку осуществляют путем обработки выборок сигнала с помощью дискретного преобразования Фурье с использованием алгоритма Герцеля, при этом в промежутках между выборками определяют значение промежуточного преобразования выборки сигнала - Q_k(n) - по формуле

где

k - номер частотного фильтра, где k=1, 2,..., N;

N - размер дискретного преобразования Фурье;

n=0, 1, 2,..., N-1;

Q_k(-1)=Q_k(-2)=0;

x(n) - выборка из сигнала после гомодинного преобразования,

окончательное определение значений отсчетов для оценки значений доплеровской частоты, при n=N производят по формуле

где - значение отсчета в k-м частотном фильтре;

А=Q_k(N-1) - значение отсчета при n=N-1 в k-м частотном фильтре;

B=Q_k(N-2) - значение отсчета при n=N-2 в k-м частотном фильтре;

k=1, 2,..., N;

N - размер преобразования Фурье,

причем при обработке сигнала после гомодинного преобразования вначале грубо оценивают значение доплеровской частоты, производя вычисления во всех N частотных фильтрах, а затем уточняют, осуществляя аналогичные вычисления в 16 частотных фильтрах вокруг этого значения доплеровской частоты и производя сдвиг вычислений в сторону его максимального значения в частотных фильтрах, а скорость движения отцепа определяют при окончательной оценке значения доплеровской частоты.

где M=L/N, целое число, показывающее во сколько раз число отсчетов L, определяемое темпом выдачи данных, больше размера преобразования N,

и применяют "скачущее" дискретное преобразование Фурье с перекрытием 2:1.

Q_k(n)=coef_k·Q_k(n-1)-Q_k(n-2)+x(n),

где

k - номер частотного фильтра, где k=1, 2,..., N;

N - размер дискретного преобразования Фурье,

n=0, 1, 2,..., N-1;

Q_k(-1)=Q_k(-2)=0;

x(n) - выборка из сигнала после гомодинного преобразования,

и определяя окончательные значения отсчетов для оценки значений доплеровской частоты при n=N по формуле

где - значение отсчета в k-м частотном фильтре;

А=Q_k(N-1) - значение отсчета при n=N-1 в k-м частотном фильтре;

B=Q_k(N-2) - значение отсчета при n=N-2 в k-м частотном фильтре;

k=1, 2,..., N;

N - размер преобразования Фурье;

а также с возможностью первоначальной грубой оценки значения доплеровской частоты по результатам вычислений во всех N частотных фильтрах, и последующего его уточнения по результатам аналогичных вычислений в 16 частотных фильтрах вокруг этого значения доплеровской частоты со сдвигом вычислений в сторону максимального значения в частотных фильтрах, и определения скорости движения отцепа при окончательной оценке значения доплеровской частоты.