РАДИОФОТОННАЯ СИСТЕМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ОТЦЕПОВ НА СОРТИРОВОЧНОЙ ГОРКЕ Российский патент 2025 года по МПК B61L17/00 G01P3/36 B61J3/02 

Изобретение относится к области железнодорожной (ЖД) автоматики и телемеханики, в частности к устройствам автоматического регулирования скорости движения отцепов на сортировочной горке с целью обеспечения безаварийного роспуска ЖД составов, отображения информации о движении отцепов и их расположении на сортировочной горке в процессе роспуска составов, а также документирования процесса роспуска, и основано на использовании локационных датчиков скорости (ЛДС).

В соответствии с концепцией интервально-прицельного регулирования скорости отцепов спускная часть автоматизированных и механизированных сортировочных горок оборудуется тормозными позициями (ТП), которые располагаются, как правило, перед разделительной стрелкой первой ТП, за разделительной стрелкой второй ТП и в начале парковых путей - третьей ТП. Для регулирования скорости отцепов на ТП служат специальные путевые устройства, так называемые горочные и парковые замедлители.

Основной задачей первой и второй ТП, часто называемых горочными или верхними, является торможение свободно скатывающихся отцепов с горба горки. Это необходимо для исключения нагонов попутно скатывающихся отцепов, следующих по заданным маршрутам на пути сортировочного парка. Торможение должно обеспечивать требуемые временные интервалы между скатывающимися с горки вагонными отцепами, достаточные для перевода стрелок по маршруту, и скорости отцепов на выходе из этих позиций, которые при подходе отцепов к третьей ТП не должны превышать 6 м/с. Таким образом, на горочные ТП возлагается главная задача, так называемого, интервального торможения. В задачи парковой ТП входит прицельное торможение вагонных отцепов и установление скоростей, достаточных для того, чтобы они докатились до расчетной точки на сортировочном пути. При этом скорость соударения отцепов в парке не должна превышать 5 км/ч.

Общее количество ТП в зависимости от мощности сортировочной горки составляет от нескольких штук для горок малой мощности до, более чем, сорока для горок большой и повышенной мощности (см. стр. 9, [1]). Для управления процессом торможением на ТП в качестве бесконтактных датчиков скорости используются радиолокационные скоростемеры [2,3]. В зависимости от типа замедлителей и их количества, а также мощности сортировочной горки первая и вторая ТП оборудуются одним или двумя, а в некоторых случаях большим числом скоростемеров. При этом общее число скоростемеров на автоматизированных сортировочных горках большой и повышенной мощности может достигать пятидесяти и более штук.

Принцип действия радиолокационных скоростемеров, контролирующих параметры движения отцепов на ТП, основан на использовании эффекта Доплера (см. стр. 33-40, [2]). Частота F_д доплеровского сигнала прямо пропорциональна скорости отцепа:

где

V - скорость движения отцепа;

α - текущий угол между вектором скорости отцепа и направлением его облучения;

λ и ϕ₀ - длина волны и частота излучения ЛДС соответственно;

с - скорость распространения радиоволн.

Достоинствами радиолокационных скоростемеров являются малая инерционность, бесконтактность и непрерывность процесса измерения в зоне контроля. Дальность действия по вагону в условиях прямой видимости достигает 250 м. Однако в реальности рабочая зона на ТП, в которой должен обеспечиваться процесс измерения, обычно составляет не более 30…35 м.

Самыми простыми радиолокационными скоростемерами являются автодинные устройства (см. рис. 2.1, [2]), в которых функции передатчика зондирующего и приемника отраженного от отцепа излучения одновременно совмещает СВЧ-генератор, называемый в отечественной литературе автодином. Принцип действия этих устройств основан на автодинном эффекте, который состоит в изменениях с частотой Доплера амплитуды и частоты колебаний СВЧ-генератора, а также тока и/или напряжения смещения в цепи его питания [3]. Регистрация указанных изменений в виде автодинных сигналов и их обработка обеспечивают возможность определения параметров относительного перемещения отцепов. Благодаря совмещению функций передатчика и приемника автодинные измерители скорости имеют минимальные габаритные размеры и массу, при этом они обладают достаточно высокой чувствительностью для применения в качестве датчиков скорости отцепов на сортировочной горке [4].

Пример выполнения измерителя скорости на основе автодина (generator mixer) описан в патенте [5]. Измеритель содержит СВЧ-генератор, который связан с приемопередающей антенной через регулируемый трансформатор сопротивлений (tuner). В цепь питания СВЧ-генератора включен резистор, с которого снимается автодинный сигнал, поступающий в блок обработки сигнала через усилитель.

Более совершенный автодинный датчик, который может использоваться как универсальный прибор определения занятости стрелочного перевода или измеритель скорости отцепов, описан в статье [6]. В случае его использования в качестве датчика занятости он работает в режиме излучения с частотной модуляцией (ЧМ). При этом цифровая обработка сигнальным процессором преобразованного автодином сигнала обеспечивает решение задачи обнаружения свободности или занятости стрелочного перевода. В случае использования датчика как измерителя скорости вагонов программа его работы изменяется. В этом режиме ЧМ излучения отсутствует, и датчик излучает в направлении отцепа немодулированные колебания. Для получения информации о скорости отцепов в предложенном датчике используются временные и спектральные методы обработки доплеровских сигналов.

Недостатком известных автодинных измерителей скорости являются наличие ангармонических искажений сигналов и периодической нестационарности уровня шума в условиях сильного отраженного от отцепа излучения [7]. Данные явления нарушают нормальную работу автодинного скоростемера на малых дальностях и требуют принятия дополнительных мер, усложняющих известные устройства.

Известны радиолокационные измерители скорости движения вагонов, содержащие «датчик доплеровского сигнала» (ДДС) и блок измерительного преобразователя сигнала (БИПС) [8, 9]. При этом ДДС состоит из передающей и приемной антенн, которые подключены соответственно к СВЧ-генератору и диодному смесителю. Выход диодного смесителя через усилитель сигнала доплеровской частоты подключен к входу БИПС. Доплеровский сигнал в ДДС получают в результате преобразования частоты в диодном смесителе принятого от движущегося отцепа излучения и части опорного излучения СВЧ-генератора, проходящего через щелевое сочленение. Антенны ДДС устанавливают внутри колеи, а остальные устройства - в междупутье.

Недостатком устройств [8, 9] является наличие двух антенн, значительно усложняющих их конструкцию, а также увеличивающих габаритные размеры и стоимость изготовления.

В патенте [10] предложено радиолокационное устройство для определения скорости отцепов, которое содержит приемопередатчик с частотной модуляцией по пилообразному закону. Отраженный от отцепа радиосигнал принимают и смешивают с излучаемым радиосигналом в смесителе. Преобразованный сигнал подают в блок обработки сигналов для получения данных о параметрах движения отцепа.

Недостатком предложенного устройства является значительное расширение спектра излучения СВЧ-генератора вследствие частотной модуляции. Это может создать проблему электромагнитной совместимости работе других радиосредств.

Кроме того, установка известных устройств внутри колеи не является удачным решением, поскольку их обслуживание вызывает проблемы - в зимнее время они часто выходит из строя при прохождении снегоочистителей, а весной и в дождливую погоду скоростемер заливает водой [11].

Известны радиолокационные измерители скорости движения вагонов, приемопередатчик которых выполнен по схеме с прямым (гомодинным) преобразованием доплеровского сигнала (см. стр. 33-37, рис. 2.5, [2]; [11-20]). Эти устройства используют одну антенну, которая работает как на передачу, так и на прием. Непрерывное излучение с выхода СВЧ-генератора, пройдя по пути первый - второй порты циркулятора, поступает в антенну и излучается в направлении движущегося отцепа. Отраженное от отцепа излучение сдвинуто по частоте на величину доплеровского смещения, пропорционального скорости движения отцепа. Это излучение через антенну и по пути второй - третий порты циркулятора поступает на одно из плеч смесителя, на другое плечо которого подаются опорные колебания СВЧ-генератора. В результате преобразования частоты колебаний на выходе смесителя выделяется сигнал разностной (доплеровской) частоты, который далее после усиления и предварительной фильтрации поступает в блок обработки сигналов для получения информации о параметрах движения отцепов.

На сегодня наиболее совершенным и широко применяемым на сети сортировочных станций РЖД является скоростемер РИС-ВЗМ, разработанный на рубеже двадцатого и двадцать первого веков [19]. Его наиболее полное описание представлено в учебном пособии: Шелухин В.И. Автоматизация и механизация сортировочных горок: Учебник для техникумов и колледжей ж.-д. транспорта. - М: Маршрут, 2005. - 240 с., (см. стр. 108-116, рис. 3.26, [20]).

Радиолокационный скоростемер содержит (см. рис. 3.26, [20]) СВЧ приемопередающий блок, усилитель-фильтр и блок обработки сигналов, причем СВЧ приемопередающий блок состоит из антенны, СВЧ-генератора, циркулятора и смесителя. При этом выход СВЧ-генератора подключен к первому порту циркулятора, ко второму порту которого подключена антенна, к третьему порту циркулятора присоединен вход смесителя. К выходу последнего через усилитель-фильтр и цифро-аналоговой преобразователь (ЦДЛ) подключен блок обработки сигналов (БОС). В свою очередь БОС содержит кодек, состоящий из последовательно соединенных упомянутого АЦП и цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), процессор, приемопередатчик интерфейса в стандарте протокола RS-485 для связи по двухпроводной линии с компьютером системы горочной автоматической централизации (ГАЦ), преобразователь напряжение-частота сигнала импульсной последовательности типа меандр, частота которого соответствует частоте принятого доплеровского сигнала.

Из представленного описания, очевидно, что данный скоростемер - это сложный радиоэлектронный прибор. Он состоит из аналоговой части, включающей СВЧ приемопередатчик и усилитель-фильтр, цифровой части в составе БОС для получения данных о скорости отцепа в цифровом и аналоговом виде, а также выходного измерительного преобразователя. Последнее также является аналоговым узлом, выполняющим операцию преобразования напряжения, пропорционального скорости отцепа, в частоту (меандр). Кроме того, каждый скоростемер оснащен блоком питания от сети 220 В, 50 Гц. Производство таких приборов предполагает изготовление перечисленных блоков и узлов, а также сборку и настройку устройства в целом. При этом особенно трудоемкой является настройка ключевого узла устройства - СВЧ приемопередающего блока, для выполнения которой требуются специалисты высокой квалификации по технике СВЧ. Вследствие недостаточной надежности СВЧ приемопередатчика в комплект ЗИП к скоростемеру, как правило, входит запасной модуль, содержащий СВЧ-генератор, циркулятор и смеситель.

При эксплуатации скоростемеров на автоматизированной сортировочной горке их выход из строя в зависимости от условий, в лучшем случае, может на некоторое время нарушить процесс роспуска составов, а в худшем, - вызвать сход и опрокидывание отцепа. Поэтому требования к функциональной надежности скоростемеров достаточно высокие и для ее поддержания входящие в устройство аналоговые узлы и компоненты требуют периодической проверки и корректировки. Перечисленные операции поверки, а также ремонт, как правило, выполняются в специализированных мастерских на специальных стендах с участием подготовленных специалистов, в том числе, по технике СВЧ.

Таким образом, скоростемер РИС-ВЗМ и его модификации [11-18] имеют высокую трудоемкость и стоимость при производстве вследствие сложности и являются затратными в условиях эксплуатации на сортировочных горках из-за низкой надежности и наличия аналоговых блоков и узлов в своем составе.

Еще одним недостатком известных устройств-аналогов является низкая эффективность использования как самих скоростемеров, так и входящих в них блоков и узлов. Время, в течение которого производится измерение скорости, составляет в среднем порядка 15 секунд на вагон. Если перерабатывающая способность горки равна N_ваг тысяч вагонов в сутки, то общее производительное время, ушедшее на измерения, равно Т_изм=15 × N_ваг × 10³. При оснащении сортировочной горки скоростемерами в количестве М_ск их общее время наработки за сутки равно T_нар=86,4 × 10³ × М_ск. Отношение Т_изм/Т_нар - коэффициент, характеризующий эффективность использования скоростемеров:

Например, для горки большой мощности при числе N_ваг=5,5 тысяч вагонов в сутки и использовании М_ск=50 скоростемеров получим эффективность η_эфф=1,87%. Это означает, что 98,13% времени скоростемеры бездействуют, потребляя электроэнергию и вырабатывая свой ресурс.

Одним из путей повышения эффективности и устранения отмеченных выше недостатков является сокращение количества блоков и узлов скоростемеров, функции которых может выполнить меньшее их число. Именно такая идея предложена в устройстве, принятом нами в качестве прототипа, которое заявлено в авторском свидетельстве SU 265170 A, опубл. 09.03.1970, бюл. 10, МПК B61L 3/12, «Устройство для измерения скорости движения отцепов на автоматизированной сортировочной горке» [21].

Устройство-прототип для измерения скорости движения отцепов на автоматизированной сортировочной горке, содержит (см. фиг.1, [21]) блок сверхвысокочастотных (СВЧ) колебаний, матричный переключатель, измерительные преобразователи и множество локационных датчиков скорости (ЛДС). Блок СВЧ колебаний, устанавливаемый на пути, содержит общий для всех ЛДС СВЧ-генератор, соединенный с множеством ЛДС волноводной линией передачи. Матричный переключатель, размещаемый в стационарном помещении, своими входами подключен к выходам усилителей сигналов доплеровской частоты ЛДС, а выходами - к измерительным преобразователям, число которых соответствует максимальному числу отцепов, одновременно находящихся на тормозных позициях. Каждый ЛДС, устанавливаемый на тормозных позициях, содержит щелевой мост, приемную и передающую антенны, детекторную секцию и усилитель сигналов доплеровской частоты. При этом к входу первого плеча щелевого моста подключена волноводная линия, к выходу первого плеча моста подключена передающая антенна, к входу второго плеча моста подключена приемная антенна, а к выходу второго плеча моста подключено последовательное соединение детекторной секции и усилителя сигналов доплеровской частоты соответственно.

Однако устройство-прототип для измерения скорости движения отцепов на автоматизированной сортировочной горке имеет существенные недостатки, состоящие в следующем.

Связь СВЧ-генератора с ЛДС выполнена с использованием протяженных волноводных линий передачи, проходящих под сортировочными путями. При прохождении отцепов по этим путям на волноводную линию неизбежно воздействуют вибрации и шумы, которые, в свою очередь, вызывают амплитудно-фазовую модуляцию СВЧ излучения и являются причиной формирования на выходе детекторной секции ЛДС помех. Эти помехи могут нарушать нормальную работу измерительных преобразователей и ограничивать дальность действия ЛДС (см. стр. 393-396, [22]). Кроме того, при передаче излучения СВЧ-генератора по волноводным линиям неизбежны потери мощности в линиях передачи и в местах сочленения волноводов, что снижает потенциал приемопередатчиков и общий КПД системы. Потери в обычных волноводах прямоугольного сечения, выполненных из латуни, например, в 8-мм диапазоне составляют от 0,8 дБ/м и выше в зависимости от их качества (см. стр. 429, [23]).

Кроме того, волноводы имеют высокую стоимость, подвержены коррозии, особенно в условиях агрессивной среды сортировочной горки, что изменяет их параметры, сокращает срок службы, и требуют периодического обслуживания. Наличие поблизости волноводных линий рельсовых цепей с блуждающими токами способствует не только ускорению коррозии, но и является причиной возникновения в цепях устройства электромагнитных помех, которые могут нарушать нормальную работу измерительных преобразователей и быть причиной выхода из строя некоторых узлов и блоков.

На точность измерения скорости отцепов, как видно из выражения (1), влияют не только погрешности измерительного преобразователя и определения угла α установки ЛДС относительно пути, но и температурная, а также временная нестабильности частоты ƒ₀ СВЧ-генератора. Нахождение СВЧ-генератора на путях, как это указано в прототипе, создает проблему стабилизации частоты в широком диапазоне температур (от минус 50 до плюс 50°) и его обслуживания, что также относится к недостаткам устройства-прототипа.

Дополнительным недостатком прототипа является сложность и громоздкость ЛДС из-за использования двух антенн, смесителя, щелевого моста и усилителя сигналов доплеровской частоты.

Недостатком прототипа является также использование сложных аналоговых измерительных преобразователей «доплеровская частота-напряжение». Они также подвержены температурным и временным уходам параметров и характеристик, что являются причиной погрешности измерения скорости отцепов. При этом для получения бесперебойной информации о параметрах движения отцепов требуется достаточно большое количество преобразователей, определяемое из числа отцепов, одновременно находящихся на тормозных позициях. Это дополнительно усложняет аппаратную часть устройства и увеличивает трудозатраты на изготовление и их обслуживание.

Общим недостатком известных радиолокационных измерителей скорости отцепов является высокая погрешность измерения скорости, обусловленная кратковременной нестабильностью частоты передатчика за время распространения излучения до отцепа и обратно (см. стр. 394-396, [22]). Эта нестабильность характеризуется уровнем амплитудных и фазовых шумов СВЧ-генератора, используемого в передатчике ЛДС. Шумы СВЧ-генератора в приемопередатчике трансформируются в шум, который сопутствует выходной доплеровский сигнал. Этот шум при обработке сигнала ограничивает точность измерения скорости и предельную дальность действия скоростемера.

Таким образом, техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в необходимости снижения погрешности измерения скорости отцепов, повышения надежности, помехозащищенности и эффективности скоростемера, а также упрощения конструкции и снижения его стоимости при изготовлении и затрат на обслуживание при сохранении функциональных возможностей прототипа.

Для решения указанной проблемы предложена радиофотонная система определения скорости отцепов на сортировочной горке, состоящая из находящихся в аппаратном боксе блока многоканальной обработки сигналов, радиофотонного генератора СВЧ с выходом излучения на N каналов, а также множества из N радиофотонных локаторов, устанавливаемых на тормозных позициях, при этом радиофотонный генератор СВЧ с выходом излучения на N каналов содержит полупроводниковый лазерный модуль, электрооптический модулятор, волоконно-оптическую линию задержки (ВОЛЗ), делитель оптического излучения на N+1 каналов, фотодетекторный модуль и резонансный СВЧ-усилитель, причем полупроводниковый лазерный модуль подключен к последовательному соединению электрооптического модулятора, ВОЛЗ и делителя оптического излучения на N+1 каналов, один из выходов канала делителя подключен к последовательному соединению фотодетекторного модуля и резонансного СВЧ-усилителя, который своим выходом подключен к управляющему входу электрооптического модулятора, при этом остальные N выходов делителя оптического излучения на N+1 каналов посредством первой N-канальной волоконно-оптической линии передачи (ВОЛП) связаны с оптическими входами множества из N радиофотонных локаторов, сигнальные выходы которых посредством второй N-канальной ВОЛП подключены к сигнальным входам блока многоканальной обработки сигналов, при этом каждый радиофотонный локатор содержит оптический делитель излучения на два канала, фотодетекторный модуль, антенну, блок выделения автодинного сигнала и электрооптический модулятор, причем оптический вход радиофотонного локатора подключен к входу оптического делителя излучения на два канала, выход первого канала которого подключен к входу фотодетекторного модуля, СВЧ выход которого подключен к антенне, а к цепи смещения фотодетекторного модуля подключен блок выделения автодинного сигнала, выход которого подключен к управляющему входу электрооптического модулятора, оптический вход которого соединен с выходом второго канала делителя мощности, а выход электрооптического модулятора - к сигнальному выходу радиофотонного локатора, при этом блок многоканальной обработки сигналов содержит цифровой сигнальный процессор и множество из N приемников сигналов второй N-канальной ВОЛП, причем каждый из N приемников содержит последовательно соединенные фотодетекторный модуль, усилитель сигналов доплеровской частоты и аналого-цифровой преобразователь, при этом выходы аналого-цифровых преобразователей соответственно подключены к сигнальным входам цифрового сигнального процессора, а входы фотодетекторных модулей являются сигнальными входами блока многоканальной обработки сигналов.

В результате поиска информации в источниках, связанных с применением радиолокационных систем на сортировочных горках ЖД транспорта, факта использования предлагаемых технических решений не обнаружено (см., например, литературу: [1,2,20,24]). В литературе по радиолокации также не найдены источники информации, раскрывающие сущность предлагаемого изобретения (см., например, литературу: [25,26]). На основании изложенного можно утверждать, что предлагаемое техническое решение обладает существенными отличиями от прототипа и соответствует критерию «Новизна».

Изобретение направлено на удовлетворение потребностей улучшения параметров и характеристик средств измерения скорости движения отцепов, что необходимо для повышения качества систем управления замедлителями на спускной части сортировочной горки. Этим достигается, в конечном счете, увеличение перерабатывающей способности и уменьшение потенциальных убытков от схода вагонов при отказе напольного оборудования. Поэтому предлагаемая система востребована на сети РЖД и может выпускаться промышленностью. Таким образом, заявляемое изобретение соответствует критерию «Промышленная применимость».

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена структурная схема радиофотонной системы определения скорости отцепов на сортировочной горке, на фиг.2 - структурная схема выполнения радиофотонного локатора, а на фиг.3 - функциональная схема фотодетекторного модуля, поясняющая его устройство и принцип подключения блока выделения автодинного сигнала в цепь смещения: 1 - фотодетекторный модуль; 2 - блок выделения автодинного сигнала; 3 - фотодиод; 4 - копланарная линия; 5 - оптический соединитель; 6 - отрезок оптоволокна; 7 - СВЧ соединитель.

Радиофотонная система определения скорости отцепов на сортировочной горке содержит (см. фиг.1) блок многоканальной обработки сигналов БМОС, радиофотонный генератор РФГ-СВЧ с выходом оптического излучения на N каналов, первую ВОЛГИ и вторую ВОЛП-2 волоконно-оптические линии передачи и множество из N радиофотонных локаторов РФЛ от единицы до N.

При этом радиофотонный генератор РФГ-СВЧ с выходом излучения на N канала содержит полупроводниковый лазерный модуль ПЛМ, электрооптический модулятор ЭОМ, волоконно-оптическую линию задержки ВОЛЗ, делитель оптического излучения ДОИ-N+1 на N+1 канал, фотодетекторный модуль ФДМ и резонансный СВЧ-усилитель СВЧ-У. Полупроводниковый лазерный модуль ПЛМ подключен к последовательному соединению электрооптического модулятора ЭОМ, волоконно-оптической линии задержки ВОЛЗ и делителя оптического излучения ДОИ-N+l на N+1 канал, один из выходов канала, например, N+1-й, делителя ДОИ-N+l подключен к последовательному соединению фотодетекторного модуля ФДМ и резонансного СВЧ-усилителя СВЧ-У, который своим выходом подключен к управляющему входу электрооптического модулятора ЭОМ.

Выходы остальных N каналов делителя оптического излучения ДОИ-N+1 посредством первой N-канальной волоконно-оптической линии передачи ВОЛП-1 связаны с соответствующими оптическими входами множества из N радиофотонных локаторов РФЛ, сигнальные выходы которых посредством второй N -канальной волоконно-оптической линии передачи ВОЛП-2 подключены к соответствующим сигнальным входам блока многоканальной обработки сигналов БМОС.

Радиофотонные локаторы РФЛ устанавливаются на ТП сортировочной горки на высоте вагонной автосцепки, диаграмма направленности ориентируется по диагонали контролируемого участка в соответствие с рекомендациями, изложенными на стр. 116-124 в [20]. При этом каждый радиофотонный локатор РФЛ содержит делитель оптического излучения ДОИ на два канала, фотодетекторный модуль ФДМ, антенну А, блок выделения автодинного сигнала БВАС и электрооптический модулятор ЭОМ. При этом оптический вход радиофотонного локатора РФЛ подключен к входу делителя оптического излучения ДОИ-2 на два канала, выход первого канала которого подключен к оптическому входу фотодетекторного модуля ФДМ. Выход СВЧ ФДМ подключен к антенне А, а к цепи смещения фотодетекторного модуля ФДМ подключен блок выделения автодинного сигнала БВАС, выход которого подключен к управляющему входу электрооптического модулятора ЭОМ, оптический вход которого подключен к выходу второго канала делителя оптического излучения ДОИ-2, а выход электрооптического модулятора ЭОМ - к сигнальному выходу радиофотонного локатора РФЛ.

Блок многоканальной обработки сигналов БМОС содержит цифровой сигнальный процессор ЦСП и множество из N оптических приемников N-канальной ВОЛП-2. Каждый из оптических приемников содержит последовательно соединенные фотодетекторный модуль ФДМ, усилитель сигналов доплеровской частоты УСДЧ и аналого-цифровой преобразователь АЦП, выходы последних подключены к соответствующим входам цифрового сигнального процессора ЦСП, а входы фотодетекторных модулей ФДМ являются сигнальными входами блока многоканальной обработки сигналов БМОС.

Цифровой сигнальный процессор ЦСП содержит постоянное ПЗУ и оперативное ОЗУ запоминающие устройства, вычислительное ядро, первый ПП-1 и второй ПП-2 универсальные асинхронные приемопередатчики шины передачи данных. Посредством приемопередатчика ПП-1 блок многоканальной обработки сигналов БМОС связан с системой горочной автоматической централизации ГАЦ, отслеживающей отцепы на спускной части горки и управляющей работой замедлителей. Приемопередатчик ПП-2 обеспечивает связь с персональным компьютером ПК, который используется для программирования ЦСП и контроля работоспособности системы при выполнении ремонтных и регламентных работ. Взаимные связи внутри цифрового сигнального процессора ЦСП ввиду их виртуальности показаны на фиг.1 условно.

Блок многоканальной обработки сигналов БМОС и радиофотонный генератор РФГ-СВЧ могут быть помещены в аппаратный бокс или стойку и находиться на большом удалении от радиофотонных локаторов РФЛ, например, в кроссовом помещении горочного поста.

Антенна А (см. фиг.1, 2) радиофотонных локаторов РФЛ может иметь различные варианты исполнения, например, в виде рупорно-линзовой антенны, используемой в скоростемере РИС-В3М (см. стр. 110, 111, рис. 3.26, [20]). Эта антенна представляет собой гладкий конический рупор, в раскрыве которого установлена фокусирующая диэлектрическая линза. Коэффициент усиления антенны более 30 дБ. Ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощности около 6° в обеих плоскостях. Линза выполнена из радиопрозрачного материала - фторопласта 4.

Резонансный СВЧ-усилитель СВЧ-У, может быть выполнен, например, с применением малошумящего СВЧ-модуля АС180400-12/25-1-2 (см. каталог «СВЧ электроника», фирмы АО «Скард-Электроникс», г. Курск, стр. 19, [27]) или на кристалле CGY2122XUH/C2 для микросхем малошумящих усилителей (см. пдф-файл [28]) на выбранный рабочий диапазон частот системы, например, 37,5 ГГц.

Полупроводниковый лазерный модуль ПЛМ может быть выполнен на основе InGaAsP/InP лазерного диода с распределенной обратной связью. Для регулировки и стабилизации мощности излучения лазерного модуля обычно применяется плата управления, использующая фотодиод обратной связи, установленный внутри корпуса лазерного диода (см. рис. 1 статьи [29]).

В качестве электрооптического модулятора ЭОМ может использоваться модулятор бегущей волны на основе интегрального интерферометра Маха-Цендера, обладающего на сегодня наилучшими характеристиками по сравнению с иными типами модуляторов. Он выполнен на кристалле ниобата лития (LiNbO3), в котором коэффициенты пропускания плеч интерферометра одинаковые, а коэффициенты деления мощности в Y-разветвителях равны 0,5 (см. раздел 2.2 «Принцип работы электрооптического модулятора Маха-Цендера» статьи: [30]). На подложке устанавливаются управляющие электроды, подача напряжения на которые, создает электрическое поле, изменяющее оптическую длину пути волноводов. Варьирование управляющего напряжения приводит к модуляции интенсивности излучения, проходящего от лазерного модуля ПЛМ на выход электрооптического модулятора ЭОМ. На рабочую частоту 37,5 ГГц может быть использован электрооптический модулятор MXAN-LN-40, рассчитанный на диапазон длин волн излучения 1530…1625 нм и частоту амплитудной модуляции излучения до 40 ГГц. Вносимые потери 4 дБ. Полуволновое напряжение модуляционной характеристики 6,4 В. (см. каталог фирмы ООО «СПЕЦИАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ. ФОТОНИКА» на сайте: https://sphotonics.ru/catalog/amplitude-eo-modulator/.

Каждый из N каналов волоконно-оптических линий передачи ВОЛП-1 и ВОЛП-2 (см. фиг.1) представляют собой оптический тракт, выполненный на основе отрезка одномодового оптического волокна (см. стр. 194-198, рис. 91 в, [31]). Оптические волокна могут быть объединены в оптический кабель, состоящий из N волокон (см. стр. 137-160, [32]).

В качестве волоконно-оптической линии задержки ВОЛЗ используется отрезок одномодового оптического волокна, длина которого может достигать нескольких километров [33-35].

Фотодетекторные модули ФДМ в радиофотонных локаторах РФЛ и модули с первого ФДМ-1 по N-й ФДМ-N, входящие в состав блока многоканальной обработки сигналов БМОС, представляют собой узел волоконно-оптической линии передачи СВЧ сигналов. На вход этого модуля подается модулированный по интенсивности оптический сигнал, поступающий по ОВЛП с выхода электрооптического модулятора ЭОМ. Оптический сигнал через оптический соединитель модуля и отрезок оптического волокна поступает на фотодиод Шоттки, который выполнен, например, на основе гетероструктуры InAlAs/InGaAs/InP. Фотодиод Шоттки включен в копланарную линию передачи, согласующую его с радиочастотным соединителем, с которого снимается детектированный сигнал (см. рис. 2, [29]).

Делители оптического излучения ДОИ-2 и ДОИ-N позволяют распределять подводимое излучение на требуемое число волоконных каналов и могут быть изготовлены из дешевых материалов: стекла, полимеров, оптической керамики. Сплавные биконические делители, основанные на взаимодействии полей сплавляемых волокон, обеспечивают вносимые потери 0,1 дБ в делителе на два канала (см. стр. 475-476, [36]). Эти делители простые в изготовлении и могут использоваться в качестве ДОИ-2. Они позволяют с высокой точностью регистрировать коэффициент деления непосредственно в процессе сплавления волокон.

Два варианта изготовления звездообразного делителя 1×N с линейно изменяющимся зазором приведены на рис. 15.15 а и 6, стр. 476, [36]. Еще один вариант делителя (см. стр. 477, рис. 15.16, [36]) состоит из оптического интегратора - диэлектрического цилиндра большого диаметра. К его равномерно освещенному торцу пристыкован волоконный жгут. Такая структура обеспечивает высокую однородность оптической мощности в каждом из N каналов.

Блок многоканальной обработки сигналов БМОС (см. фиг.1) выполняет одновременно функции обработки доплеровских сигналов с целью получения информации о скорости отцепов, преобразования результатов обработки в цифровой код и обмена цифровыми данными с системой ГАЦ. Основным элементом блока является цифровой сигнальный процессор ЦСП, который может быть реализован на основе микросхемы сигнального процессора, например, типа TMS320F2808 фирмы Texas Instrument [37]. В состав ЦСП входят блоки, выполняющие следующие функции: универсальный асинхронный приемопередатчик шины первого порта 1111-1, который осуществляет обмен информацией с системой ГАЦ посредством интерфейса RS-485; приемопередатчик шины второго последовательного порта ПП-2 для связи с персональным компьютером ПК; постоянное запоминающее устройство ПЗУ, хранящее программу обработки сигналов, управления и константы, необходимые для обработки сигналов; высокоскоростное вычислительное ядро, выполняющее все функции цифровой обработки сигнала (спектральный анализ, цифровую фильтрацию сигнала и формирование выходных данных для передачи в систему ГАЦ и отображения информации в персональном компьютере ПК); оперативное запоминающее устройство ОЗУ, выполняющее функции запоминания текущих значений и результатов отработки сигналов.

Аналого-цифровые преобразователи с АЦП-1 по АЦП-N блока многоканальной обработки сигнала БМОС предназначены для преобразования мгновенных значений доплеровских сигналов в последовательности цифровых данных, поступающих далее на соответствующие сигнальные порты ЦСП. Принципы построения АЦП широко известны, причем промышленностью выпускается обширная номенклатура этих микросхем (см., например, [38]), из которых можно выбрать АЦП с нужными параметрами.

Блок выделения автодинного сигнала БВАС (см. фиг.2), предназначенный для выделения автодинного сигнала в цепи смещения фотодетекторного модуля ФДМ, по своей сути представляет собой датчик тока, в качестве которого могут использоваться подключенные в цепь смещения фотодетектора резистор, индуктивность или трансформатор тока (см. рис. 14 в статье [3]). Кроме того, для выделения автодинного сигнала могут применяться электронные схемы, выполненные на микросхемах операционных усилителей, предназначенные для преобразования тока цепи смещения в напряжение при обеспечении стабильности значения напряжения смещения на фотодиоде (см. рис. 17-20 статьи [3]).

Усилители сигналов доплеровской частоты с УСДЧ-1 по УСДЧ-N блока многоканальной обработки сигнала БМОС служат для увеличения уровня полученных с выходов фотодетекторных модулей сигналов. Данные усилители могут быть выполнены на операционных усилителях (см. стр. 31-33, рис. 2.1, рис. 2.2, [39]).

В состав радиофотонной системы могут входить дополнительные элементы, не изменяющие суть изобретения. Например, перед входом фотодетекторного модуля в радиофотонных локаторах РФЛ (см. фиг.2) могут быть установлены оптические усилители мощности. Усилители сигналов доплеровской частоты УСДЧ блока многоканальной обработки сигнала БМОС могут быть выполнены с элементами фильтрации сигналов, ограничивающими полосу пропускания, например, от 105 до 2450 Гц, как в скоростемере РИС-ВЗМ [20].

Радиофотонная система определения скорости отцепов на сортировочной горке работает следующим образом.

После подачи на систему напряжения от источника питания (на фиг.1 не показан) в цифровом сигнальном процессоре ЦСП блока многоканальной обработки сигналов БМОС вычислительным ядром в соответствие с подпрограммой «Установка» [37] производится сначала настройка периферийных устройств, распределение внутренней памяти, установка значений внутренних переменных, копирование исполняемого кода команд из ПЗУ с низкой производительностью в высокопроизводительное ОЗУ и подача команды «Выборка из АЦП и сохранение результатов в памяти», по которой ЦСП переходит в режим готовности приема оцифрованных сигналов от АЦП с последующим формированием массива данных в памяти ОЗУ.

Одновременно с подачей питания на активные элементы в полупроводниковом лазерном модуле ПЛМ возникает оптическое когерентное излучение, которое поступает на вход электрооптического модулятора ЭОМ и является основным источником энергии для возбуждения СВЧ колебаний в системе радиофотонного генератора РФГ-СВЧ.

В системе радиофотонного генератора РФГ-СВЧ последовательное соединение (см. фиг.1): выход электрооптического модулятора ЭОМ, волоконно-оптическая линия задержки ВОЛЗ, делитель оптического излучения ДОИ-N+l и резонансный СВЧ-усилитель СВЧ-У, подключенный к управляющему входу упомянутого электрооптического модулятора ЭОМ, образует систему кольцевого автогенератора с запаздывающей обратной связью. При условии, что модуль контурного коэффициента передачи этого кольца в режиме малых колебаний больше единицы, неизбежно возникают нарастающие по амплитуде автоколебания.

Присутствующие в цепи кольцевого генератора тепловые шумы усиливаются и сдвигаются по фазе таким образом, что в полосе пропускания резонансного СВЧ-усилителя СВЧ-У возникают автоколебания на множестве частот, которые по оси частот располагаются эквидистантно. Интервал между соседними частотами колебаний обратно пропорционален времени запаздывания радиосигнала в волоконно-оптической линии задержки ВОЛЗ (см. описание принципа действия генераторов с запаздыванием в разделе 9.9, стр. 293-295 в книге: [40]).

Эти колебания при их циклическом обходе по замкнутому контуру генератора достигают по амплитуде своего стационарного значения А₀.

Дальнейший рост их ограничен раствором периодической модуляционной характеристики электрооптического модулятора ЭОМ в режиме большого сигнала [30]. После достижения этого уровня соотношение между амплитудами колебаний на разных частотах изменяется в пользу колебания на частоте ω₀, близкой к центральной частоте резонансного СВЧ-усилителя СВЧ-У. В итоге колебания на прочих частотах практически полностью подавляются, и в системе остается лишь одно колебание. Для этого колебания начальные условия при запуске генератора наиболее благоприятны, чем для колебаний на иных частотах.

Поэтому полагаем, что в режиме установившихся колебаний выходное напряжение резонансного СВЧ-усилителя СВЧ-У является практически гармоническим:

где

А₀, ω₀, ϕ - амплитуда, частота и начальная фаза колебаний в текущий момент времени t.

Эти колебания (3) на частоте ω₀, поступающие на управляющий вход электрооптического модулятора ЭОМ, в соответствие с принципом его действия (см. раздел 2.2 статьи [30]) вызывают амплитудную модуляцию (AM) интенсивности светолучевого потока Ф_эом(t). Выражение для светолучевого потока Ф_эом(t) имеет вид:

где

Ф₀ - интенсивность потока излучения при отсутствии СВЧ модуляции;

т_свч - коэффициент AM лучевого потока;

ω₀ - частота модуляции сигналом СВЧ-генератора;

ϕ - начальная фаза модулирующего сигнала.

Выходное излучение (4) электрооптического модулятора ЭОМ, прошедшее через волоконно-оптическую линию задержки ВОЛЗ, поступает на вход делителя оптического излучения ДОИ-N+l и делится на N+1 каналов. После прохождения этого излучения через - канальную волоконно-оптическую линию передачи ОВЛП-1 оно поступает на оптические входы N радиофотонных локаторов РФЛ.

Поступающее на оптические входы радиофотонных локаторов РФЛ излучение в делителе оптического излучения ДОИ-2 делится на два канала (см. фиг.2). С выхода первого канала излучение поступает на вход фотодетекторного модуля ФДМ. Этот модуль преобразует модулированный по интенсивности оптический поток (4) в электрические колебания СВЧ тока, которые на сопротивлении Z₀ нагрузки фотодиода преобразуются в колебания электрического поля е_фдм (t). Выражение для этих колебаний без учета задержка излучения в волоконно-оптической линии передачи ОВЛП-1 имеет вид:

где

Е₀=Ф₀m_свчS₀Z₀ - амплитуда напряженности электрического поля СВЧ;

Ф₀ - интенсивность потока излучения при отсутствии модуляции;

S₀ - интегральная токовая чувствительность фотодетектора [38];

Z₀ - сопротивление нагрузки фотодетектора;

m_свч - коэффициент глубины AM лучевого потока;

ω₀ - частота модуляции оптического излучения;

ϕ - начальная фаза модулирующего сигнала.

С выхода фотодетекторного модуля ФДМ колебания (5) в виде зондирующего радиосигнала поступают в антенну А и излучаются в контролируемое пространство ТП, определяемое диаграммой направленности антенны А. Выражение для зондирующего радиосигнала e_зонд(t) имеет вид:

где Е_зонд - амплитуда зондирующего радиосигнала, причем можно принять: Е_зонд=Е₀.

При наличии в контролируемом пространстве ТП движущегося отцепа часть мощности излучения отражается от его поверхности и возвращается обратно в антенну А, где преобразуется в СВЧ-колебания е_отр(t) отраженного радиосигнала, выражение для которого имеет вид:

где

Е_отр - Г_отцЕ_зонд - амплитуда отраженного радиосигнала;

- безразмерный коэффициент ослабления амплитуды излучаемого сигнала по пути распространения до поверхности отцепа и обратно, приведенный к порту антенны А, полученный из известного уравнения дальности радиолокации (см. стр. 146-149, [22]);

Ω_д=2(V_р/с)ω₀ - частота Доплера;

δ₀ - начальный фазовый сдвиг, который определяется положением отцепа в момент времени t=0 начала регистрации доплеровского сигнала;

V_p - относительная радиальная скорость движения отцепа относительно радиофотонного локатора РФЛ;

R_отц - текущее расстояние от РФЛ до отцепа;

с - скорость распространения радиоволн;

Р_зотд - средняя мощность зондирующего радиосигнала;

P_min - минимальная обнаруживаемая (пороговая) мощность отраженного радиосигнала;

G_A - коэффициент усиления антенны А;

δ₀=2πс/ω₀ - длина волны СВЧ излучения;

ω₀ - частота СВЧ излучения;

σ_отц - эффективная площадь рассеяний облучаемой поверхности отцепа;

ϕ - начальная фаза колебаний СВЧ-генератора СВЧ-Г.

Колебания отраженного радиосигнала (7) далее поступают через СВЧ соединитель 7 (см. фиг.3) и копланарную линию 4 на выход фотодиода 3. На выходе этого фотодиода колебания (6) и (7) образуют суперпозицию вида: e_Σ(t)=е_зонд(t)+e_отр(t). При этом выражение для результирующего колебания e_Σ(t) имеет вид:

где

E_Σ(t) и Θ_Σ(t) - амплитуда и фаза результирующего колебания на выходе фотодиода 3:

Г_отц - приведенный к порту антенны А коэффициент отражения,

характеризующий затухание излучения по амплитуде при его распространении до отцепа и обратно.

Обычно амплитуда отраженного радиосигнала даже при малой дальности до отцепа более чем на 20 дБ меньше амплитуды зондирующего радиосигнала: Е_отр<<Е_зонд. Поэтому Г_отц<<1 и выражения (9) и (10) значительно упрощаются:

где

- изменения амплитуды колебаний, обусловленные воздействием на фотодиод 3 отраженного сигнала.

Необходимо отметить, что изменения фазы (12) пренебрежимо малы (Г_отц<<1) и, кроме того, «теряются» при детектировании автодинного сигнала.

Известно, что фотодиод является существенно нелинейным электрическим элементом (см. стр. 104, [41]), который для воздействующих светолучевого потока Ф_эом(t) выходных колебаний е_зонд(t) и отраженного радиосигнала е_отр(t) можно считать безынерционным. Ток i_фд(t) через нелинейный элемент фотодиода 3 в каждый момент времени определяется мгновенными значениями этих воздействий:

Поскольку E_отр<<E_зонд, то выражение (13) можно разложить в ряд Тейлора в точке, задаваемой мгновенными значениями Ф_эом(t) и e_зонд(t). Учитывая только первые два члена ряда, получим выражение

где индексы «0» около скобок указывают, что соответствующие функции определяются в рабочей точке, задаваемой совместным действием постоянного напряжения смещения на фотодиоде 3 и интенсивностью потока излучения Ф₀ при отсутствии модуляции.

Поскольку функция Ф_эом(t) является периодической, то входящие в правую часть (14) параметры могут быть разложены в ряд Фурье:

где

I₀ - постоянная составляющая тока фотодиода 3;

S₀ - интегральная токовая чувствительность фотодиода [38];

G₀ - выходная проводимость фотодиода 3;

I_n, S_n, G_n - амплитуды n-х гармоник указанных величин.

После подстановки первых членов разложений (15)-(17) в (14) и учетом записанных выше выражений для приращений ΔФ(t) и ΔE_отр(t) получим выражения для СВЧ колебаний u_свч(t) на выходной нагрузке Z_н фотодиода, а также для переменной составляющей напряжения доплеровского сигнала u_дс(t) на выходе блока выделения автодинного сигнала БВАС в виде:

где

S₀ - интегральная токовая чувствительность фотодиода;

Z_н - входное сопротивление нагрузки фотодиода;

Ф_эом(t) - интенсивность светолучевого потока Ф_эом(t) на выходе электрооптического модулятора ЭОМ;

u_свч(t) - мгновенное напряжение СВЧ колебаний на выходе ФДМ:

u_дс(t) - мгновенное напряжение доплеровского сигнала на выходе БВАС:

U_свч=S₀Ф₀Z_нm_свч - амплитуда СВЧ колебаний;

U_дс=Г_отцФ₀m_свчS₀Z_бвас - амплитуда доплеровского сигнала на выходе блока выделения автодинного сигнала БВАС;

Г_отц - приведенный к порту антенны А коэффициент отражения, характеризующий затухание излучения по амплитуде при его распространении до отцепа и обратно;

Z_6вас - размерный коэффициент преобразования автодинных изменений тока фотодиода в напряжение;

Ф₀ - интенсивность потока излучения при отсутствии его модуляции;

т_свч - коэффициент глубины AM лучевого потока СВЧ колебаниями;

Ω_д - частота Доплера;

δ₀ - начальный фазовый сдвиг доплеровского сигнала;

ω₀ - частота модуляции лазерного излучения сигналом СВЧ-генератора;

ϕ - начальная фаза модулирующего сигнала СВЧ-генератора;

u_ш(t) - мгновенные значения шумов на выходе блока выделения автодинного сигнала БВАС, обусловленные шумами радиофотонного генератора РФГ-СВЧ.

Здесь выражение (19) характеризует процесс детектирования (5) амплитудно-модулированного оптического излучения, а (20) - процесс, так называемого, «автодетектирования» автодинного сигнала [7].

С выхода блока выделения автодинного сигнала БВАС сигнал вместе с шумом u_ш(t) поступает на управляющий вход электрооптического модулятора ЭОМ, на оптический вход которого со второго выхода делителя оптического излучения ДОИ-2 поступает часть излучения (6), которое подвергается дополнительной амплитудной модуляции доплеровским сигналом (20). Обычно амплитуда отраженного радиосигнала, как отмечалось, даже при малой дальности до отцепа более чем на 20 дБ меньше амплитуды зондирующего радиосигнала, т.е. Г_отц<<1. При таком условии интенсивность светолучевого потока Ф_рфл(t) на выходе электрооптического модулятора ЭОМ радиофотонного локатора РФЛ описывается следующим выражением:

где

Ф_дои-2 - интенсивность потока излучения при отсутствии отраженного радиосигнала;

m_свч - коэффициент глубины амплитудной модуляции лучевого потока;

Г_отц - приведенный к порту антенны А коэффициент отражения, характеризующий затухание излучения по амплитуде при его распространении до отцепа и обратно;

S_м - крутизна модуляционной характеристики в рабочей точке электрооптического модулятора ЭОМ;

Ω_д - частота Доплера;

δ₀ - начальный фазовый сдвиг доплеровского сигнала;

ω₀ - частота модуляции сигналом СВЧ-генератора;

ϕ - начальная фаза модулирующего радиосигнала.

Излучение (21) с выхода электрооптического модулятора ЭОМ через сигнальный выход радиофотонного локатора РФЛ, соответствующий канал второй N-канальной волоконно-оптической линии передачи ВОЛП-2 и соответствующий сигнальный вход блока многоканальной обработки сигналов БМОС поступает на вход соответствующего фотодетекторного модуля ФДМ.

Ток i_фд(t) через нелинейный элемент фотодиода соответствующего фотодетекторного модуля ФДМ в каждый момент времени определяется мгновенными значениями воздействия (21):

В результате детектирования светолучевого потока Ф_рфл(t) на нелинейности (22) фотодиода на его выходной нагрузке Z_н кроме постоянной составляющей выделяется напряжение u_фд(t), имеющее две переменные составляющие:

где

S₀ - интегральная токовая чувствительность фотодиода;

Z_н - входное сопротивление нагрузки фотодиода;

a _свч(t) - мгновенное напряжение СВЧ колебаний:

a _дс(t) - мгновенное напряжение доплеровского сигнала:

А_свч=S₀Ф_дои-2Z_нm_свч - амплитуда СВЧ колебаний;

А_дс=Г_отцS₀S_мФ_дои-2Z_нm_свч - амплитуда доплеровского сигнала;

Г_отц - приведенный к порту антенны А коэффициент отражения, характеризующий затухание излучения по амплитуде при его распространении до отцепа и обратно;

S_м - крутизна модуляционной характеристики в рабочей точке электрооптического модулятора ЭОМ;

Ф_дои-2 - интенсивность потока излучения при отсутствии отраженного радиосигнала;

m_свч - коэффициент глубины AM лучевого потока СВЧ колебаниями;

Ω_д - частота Доплера;

δ₀ - начальный фазовый сдвиг доплеровского сигнала;

ω₀ - частота модуляции лазерного излучения сигналом СВЧ-генератора;

a _ш(t) - мгновенные значения шумов на выходе фотодетекторного модуля ФДМ, обусловленные шумами полупроводникового лазерного модуля ПЛМ и внутренними шумами радиофотонного генератора РФГ-СВЧ.

Сигнал СВЧ (24) на выходе фотодетекторного модуля ФДМ подавляется параллельным подключением конденсатора с емкостью в несколько десятков пФ. Фотодиод допускает работу в режиме короткого замыкания в, так называемом, вентильном режиме. При этом доплеровский сигнал (25) вместе с шумовой составляющей a_ш(t) с выхода модуля ФДМ (см. фиг.1) соответствующего канала после усиления и фильтрации усилителем сигнала доплеровской частоты УСДЧ поступает на сигнальный вход АЦП. В АЦП сначала выполняется операция дискретизации сигнала по времени с частотой выборки F_выб, причем F_выб >> F_д(max), где F_д(max) - частота доплеровского сигнала при максимальной ожидаемой скорости отцепа. Затем во время действия очередных тактовых импульсов в АЦП происходит выборка и запоминание мгновенных значений сигнала (25) в виде импульсов, амплитуда которых равна мгновенным значениям этих сигналов. Уровни этих импульсов далее в АЦП преобразуются в цифровые значения, которые в виде параллельного кода через сигнальный порт ЦСП многоканального блока обработки сигналов МБОС поступают в ОЗУ ЦСП в качестве массива данных, полученных для принятого сигнала k-го отсчета:

где - цифровые отсчеты мгновенных значений доплеровского сигнала, полученные от k -го тактового импульса.

Шумовая составляющая a_ш(t) на выходе модуля ФДМ в результате дискретизации и оцифровки мгновенных значений отсчетов вследствие эргодичности процессов в среднем по реализациям k отсчетов сохраняет свое среднеквадратическое значение σ_ш уровня шума. Значение уровня шума σ_ш может быть рассчитано или измерено экспериментально при отсутствии отцепа в поле излучения антенны А и учтено в программе работы ЦСП.

По полученным значениям массива данных а_дс,k (26), используя достаточное множество отсчетов по k, вычислительным ядром ЦСП выполняется операция быстрого преобразования Фурье (БПФ) по алгоритму, например, «Radix2» с применением оконной функции Хеннинга, при этом для доплеровского сигнала находится спектр [42]. Для этого спектра вычислительным ядром ЦСП определяется текущее значение амплитуды А_отц и частоты Ω_отц первой гармоники доплеровского сигнала от контролируемого отцепа, движущегося по ТП в поле излучения антенны А соответствующего радиофотонного локатора.

Далее для полученных отсчетов амплитуды А_отц вычислительным ядром ЦСП вычисляют текущие значения отношений сигнал-шум q_отц=А_отц/σ_ш, где σ_ш - среднеквадратическое значение уровня шумов на выходе модуля ФДМ, хранящееся в ПЗУ ЦСП как константа. Полученные значения отношений сигнал-шум q_отц вычислительным ядром ЦСП сравниваются с хранящимся в ПЗУ ЦСП пороговым значением отношения сигнал-шум q^пор_. Данная операция в радиолокации называется решением задачи обнаружения сигнала от объекта локации [22]. В случае выполнения неравенства q_отц≥q_пор эта операция означает наличие отцепа на контролируемом участке ТП. При этом значениям частоты σ_отц первой гармоники после обнаружения наличия отцепа вычислительным ядром ЦСП присваиваются номера т для последующих отсчетов. При этом множество значений частот Ω_m для обнаруженного отцепа на контролируемом участке ТП заносятся в память ОЗУ ЦСП в виде массива данных:

где

Ω_m - частота спектра доплеровского сигнала, полученная от m-го отсчета движущегося отцепа (здесь m=1, 2,…М).

По полученным значениям доплеровских частот Ω_m (27) с учетом значений констант l_рфл и b, хранящихся в памяти ОЗУ ЦСП, вычислительным ядром ЦСП рассчитывается путевая скорость V_m движения т-го отсчета контролируемого отцепа, по следующей формуле:

где

V_m - путевая скорость движения контролируемого отцепа в момент m -го отсчета;

с - скорость распространения радиоволн;

Ω_m - значение круговой доплеровской частоты m-го отсчета;

ϕ₀ - циклическая частота излучения РФЛ;

R₀ - расстояние от места установки РФЛ до точки пересечения оси диаграммы направленности антенны с осью ЖД пути на контролируемом участке ТП;

l_рфл - расстояние от места установки РФЛ в междупутье до оси ЖД колеи;

b - ширина вагона (см. рис. 3.28, [20]).

Результаты расчета скорости V_отц отцепа вычислительным ядром ЦСП последовательно при изменении номера отсчета m сглаживаются, например, применением операции «скользящее среднее» или алгоритма фильтрации Калмана и вносятся в память ОЗУ ЦСП в виде массива данных скорости контролируемого отцепа.

Результаты вычисления текущих значений скорости отцепа, рассчитанные согласно (28) для каждой сглаженной реализации, поступают в память ОЗУ и ПЗУ ЦСП, а также передаются через шинный приемопередатчик ПП-1 ЦСП в компьютер системы ГАЦ. Системой ГАЦ производится управление замедлителями, контроль текущего положения отцепов, передача команд радиофотонной системе о появлении отцепов в зоне контроля соответствующего радиофотонного локатора РФЛ, отображение информации о движении отцепов и их расположении на сортировочной горке, а также документирование процесса роспуска.

При работе радиофотонной системы из-за флуктуаций отраженного от отцепов радиосигналов, вызванных интерференцией волн от отдельных «блестящих» точек отцепов, которые вызывают замирания и пропадания отраженного сигнала, возможна кратковременная потеря информации об отцепе. Для исключения этого явления при пропаданиях доплеровского сигнала цифровой сигнальный процессор ЦСП переходит в режим памяти предыдущего значения до тех пор, пока не произойдет новое обнаружение сигнала (но не более двух секунд).

Применение в предлагаемом устройстве волоконно-оптических линий передачи ВОЛП, которые на сегодня обладают наилучшими параметрами и характеристиками по величине погонных потерь и пр., увеличило КПД линии передачи излучения от радиофотонного генератора РФГ-СВЧ к радиофотонным локаторам РФЛ. Например, потери ВОЛП, выполненной из кварца, при длине волны λ=1,3 мкм, составляют 0,36 дБ/км (см. стр. 231, [43]), а в волноводной линии передачи, как отмечалось, в 8-мм диапазоне в лучшем случае 0,8 дБ/м [23]. Поэтому в условиях сортировочной горки блоки многоканальной обработки сигналов БМОС и радиофотонного СВЧ-генератора могут располагаться на значительном удалении от радиофотонных локаторов, например, в кроссовом помещении в стойке или аппаратном боксе центрального поста управления сортировочной горки.

Волоконные линии изготовлены из диэлектрика, поэтому они устойчивы к действию электромагнитных наводок и помех. Оптическое волокно не подвержено коррозии и разрушению в агрессивной среде сортировочной станции. Вибрационные воздействия на оптический кабель не вызывают изменения фазы передаваемых СВЧ колебаний, и, тем самым, не создают помехи в каналах сигналов доплеровской частоты. Кроме того, оптические линии передачи массово выпускаются промышленностью и имеют низкую стоимость. Срок службы волоконных линий передачи более 25 лет, в чем по сравнению с волноводными линиями передачи из металлических труб они имеют дополнительное преимущество.

Цифровая обработка доплеровских сигналов в предлагаемом устройстве без использования аналоговой операции преобразования «доплеровская частота-напряжение» позволяет исключить погрешность, обусловленную температурной и временной нестабильностью параметров измерительных преобразователей. Использование вместо матричного переключающего устройства и нескольких измерительных преобразователей в устройстве-прототипе одного блока многоканальной обработки в предлагаемой системе обеспечивает упрощение конструкции и снижение трудозатрат на их изготовление и обслуживание. Этим достигается также повышение эффективности использования локационной системы на сортировочной горке.

Нахождение источника СВЧ колебаний не на путях, а в боксе, в котором есть возможность создать нормальные условия эксплуатации аппаратуры, облегчает стабилизацию его частоты, что способствует повышению точности определения скорости отцепов. Такое размещение аппаратуры также способствует улучшению качества обслуживания блоков и узлов системы, что также относится к достоинствам предлагаемого устройства. Кроме того, его достоинством является упрощение конструкции и уменьшение габаритных размеров локационных датчиков из-за использования в нем одной антенны.

Необходимо отметить, что выполненные на основе ВОЛЗ генераторы, которые в отечественной литературе принято называть оптоэлектронными (ОЭГ) или радиофотонными (РФГ) СВЧ-генераторами, а в зарубежной - Optoelectronic Oscillator (ОБО), обеспечивают для современных СВЧ-генераторов рекордно низкие значения шумовых параметров. Например, на расстоянии 10 кГц от несущей РФГ с частотой генерации 10 ГГц получен уровень частотных шумов минус 140…160 дБн/Гц [44]. При этом уровень паразитных составляющих в спектре сигнала генерации не превышает минус 91 дБн [45]. На частоте 100 ГГц уровень фазовых шумов для РФГ при той же величине отстройки от несущей получен минус 70 дБн/Гц [46].

В отношении амплитудных шумов в литературе отмечено, что они во всем диапазоне отстроек от несущей оказываются ниже фазового шума. Так, для отстроек от 1 кГц до 1 МГц спектральная плотность мощности амплитудного шума не превышает минус 130 дБн/Гц, а минимальный уровень спектральных составляющих в области «шумовой полки» составляет величину порядка минус 150 дБн/Гц [47].

Сравнение шумовых характеристик РФГ и генераторов КВЧ и СВЧ диапазонов на полупроводниковых приборах со стабилизацией и без стабилизации частоты показывает, что РФГ обеспечивают преимущество примерно на 40 дБ (см. статьи: [7,48]; стр. 58, рис. 5 [49]).

Поскольку предельный потенциал автодинных приемопередатчиков определяется как отношение его выходной мощности к мощности собственных шумов генератора (см. раздел 1.4 статьи [7]), то применение РФГ вместо известных генераторов обеспечивает выигрыш в потенциале и дополнительном расширении динамического диапазона на эту же величину, т.е. примерно 40 дБ. Эта величина соответствует увеличению предельной дальности действия РФЛ предлагаемой системы при прочих равных условиях на порядок. Улучшение данных параметров РФЛ позволит значительно увеличить дальность действия, что является важным при использовании системы на третей ТП горки, или увеличить отношение сигнал-шум, что обеспечивает повышение точности определения скорости отцепов на сортировочной горке.

Таким образом, заявляемое изобретение обеспечивает повышение точности определения скорости отцепов, надежности, помехозащищенности и эффективности системы определения скорости отцепов, а также упрощение конструкции и снижение ее стоимости при изготовлении и затрат на обслуживание при сохранении функциональных возможностей прототипа.

Литература

1. Проектирование сортировочных устройств: учеб. пособие / Под ред. Е.Э. Червотенко. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2014. - 75 с.

2. Григорин-Рябов В.В., Вериго В.М., Шелухин О.И., Шелухин В.И. Радиотехнические железнодорожные устройства. - М.: Транспорт, 1986. - 161 с.

3. Носков В.Я., Смольский С.М., Игнатков К.А. и др. Современные гибридно-интегральные автодинные генераторы микроволнового и миллиметрового диапазонов и их применение. Часть 11. Основы реализации автодинов // Успехи современной радиоэлектроники. 2019. №2. С. 5-33.

4. Носков В.Я., Игнатков К.А. Применение стабилизированного двухдиодного автодина в радиолокационном датчике для сортировочных горок // 22-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо'2012). Севастополь, 2012. С. 893-896.

5. Патент US 3710385 A, опубл. 09.01.1973. Vehicle initial speed and stopping distance indicator / Howard et al.

6. Ермак Г.П., Варавин A.B., Попов И.В. и др. Радиолокационный датчик контроля наличия и скорости подвижного состава на территориях сортировочных горок // Наука и инновации. 2009. Т. 5. №5. С. 9-16. (укр) Интернет: http://dspace.nbuv.gov.ua/xmlui/handle/123456789/27893.

7. Носков В.Я., Смольский С.М., Игнатков К.А. и др. Современные гибридно-интегральные автодинные генераторы микроволнового и миллиметрового диапазонов и их применение. Часть 10. Основы анализа и расчета параметров автодинов с учетом шумов // Успехи современной радиоэлектроники. 2018. №3. С. 18-52.

8. Уманский Г.М. Электронный измеритель скорости ЭС-ЦНИИ // Автоматика, телемеханика и связь. 1962. №5. С. 13-19.

9. АС SU 305414 A, опубл. 04.06.1971, бюл. 18. МПК G01P3/42. Радиолокационный измеритель скорости движения вагонов / Ю.В. Ваванов и др.

10. Патент DE 2126663 А, опубл. 07.12.1971. МПК В61K7/12, G01S9/44, G01S13/583(EP). Verfahren zum Ermitteln der Geschwindigkeit von Fahrzeugen / Graflnger

11. Шелухин В.И. Датчики измерения и контроля устройств железнодорожного транспорта. - М.: Транспорт, 1990. - 119 с.

12. Ваванов Ю.В., Вериго A.M., Дагаева Н.Х. и др. Радиолокационный измеритель скорости движения отцепов для сортировочных горок // Автоматика, телемеханика и связь. 1977. №9. С. 3-5.

13. Патент US 4172256 A, опубл. 23.10.1979. МПК G01S13/92 (ЕР), G01S9/44. Circuit for speed measurement of vehicles according to the Doppler-radar principle / Pacozzi.

14. Радиолокационный измеритель скорости железнодорожных вагонов на сортировочной горке / Ю.Н. Кузнецов, Л.Ф. Михайлов, В.А. Парилов и др. // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. 1982. №7. С. 56-58.

15. Вериго A.M., Ваванов Ю.В., Тенн Ф.А. и др. Радиолокационный измеритель скорости движения вагонов // Автоматика, телемеханика и связь. 1983. №3. С. 7-9.

16. Шелухин В.И., Колесниченко Н.Н., Пыжьянов В.Г. Модифицированный радиолокационный измеритель скорости отцепов // Автоматика, телемеханика и связь. 1988. №8. С. 8-10.

17. Шелухин В.И., Шелухин О.И. Многофункциональный горочный датчик параметров движения // Автоматика, телемеханика и связь. 1991. №4. С. 10-14.

18. Патент RU 2003543 C1, опубл. 30.11.1993, бюл. 43-44. МПК B61L17/00. Устройство для измерения параметров движения отцепов на сортировочной горке / В.И. Шелухин и др.

19. Патент RU 2229404 C2, опубл. 27.05.2004, бюл. 15. МПК B61L17/00. Способ измерения скорости движения отцепов на сортировочной горке и устройство, его реализующее / П.В. Чернов и др.

20. Шелухин В.И. Автоматизация и механизация сортировочных горок: Учебник для техникумов и колледжей ж.-д. транспорта. - М.: Маршрут, 2005.-240 с.

21. АС SU 265170 A, опубл. 09.03.1970, бюл. 10. МПК B61L3/12. Устройство для измерения скорости движения отцепов на автоматизированной сортировочной горке / Ю.В. Ваванов и др.

22. Радиолокационные устройства (теория и принципы построения) / Под ред. Григорина-Рябова В.В. - М.: Советское радио, 1970. - 680 с.

23. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. - М.: Высшая школа, 1970. - 440 с.

24. Марюхненко B.C. Радиолокационные системы на железнодорожном транспорте. Перспективы применения. - Иркутск: ИрГУПС, 2017. - 146 с.

25. Справочник по радиолокации / Под ред. М.И. Сколника. В 2 книгах. Книга 1. Москва: Техносфера, 2014.

26. Костенко А.А., Хлопов Г.И. Когерентные системы ближней и сверхближней радиолокации миллиметрового диапазона. - Харьков: ИПЦ «Контраст», 2015. - 352 с.

27. Каталог «СВЧ электроника», фирмы АО «Скард-Электроникс», г. Курск. Интернет, сайт: https://skard.ru.

28. Каталог «Электронные компоненты ВЧ и СВЧ диапазонов», OMMIC Ltd. https://m-projects.ru/about/Datasheets/CGY2122XUH_PDS20141223.pdf.

29. Малышев C.A., Чиж А.Л., Микитчук К.Б. Волоконно-оптические лазерные и фотодиодные модули СВЧ-диапазона и системы радиофотоники на их основе // Материалы 4-й Всероссийской конференции «Электроника и микроэлектроника СВЧ», Санкт-Петербург, Россия, 2015. С. 10-18.

30. Щербаков В.В., Солодков А.Ф., Задерновский А.А. Генерация оптических сигналов, устойчивых к дисперсионной деградации мощности // Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии. 2019. Т. 11. №2. С. 161-176.

31. Самохвалов М.К. Элементы и устройства оптоэлектроники. - Ульяновск: УлГТУ, 2015.-223 с.

32. Скляров O.K. Волоконно-оптические сети и системы связи. - М.: СОЛОН-Пресс, 2016. - 272 с.

33. Lute Maleki. The optoelectronic oscillator. Nature Photonics. 2011. V. 5. No. 12. P. 728-730.

34. Патент RU 2436141 C1, опубл. 10.12.2011, бюл. 34. МПК G02F1/03. Оптоэлектронный генератор сигналов СВЧ-диапазона / М.Е. Белкин и др.

35. Борцов А.А. Лазерный опто-электронный автогенератор с малым уровнем спектральной плотности мощности фазового шума. Нелинейный мир. 2011. Т. 9. №6. С. 359-368.

36. Активные фазированные антенные решетки / Под ред. Д.И. Воскресенского и А.И. Канащенкова. - М.: Радиотехника, 2004. - 488 с.

37. Руководство пользователя: Семейство микроконтроллеров MSP430X1XX. Пер. с англ. - М.: ЗАО «Компэл», 2004. - 368 с.

38. Лебедев О.Н., Марцинкявичюс А.-Й.К., Багданскис Э.-А.К. и др. Микросхемы памяти, ЦАП и АЦП: Справочник. - М.: КУбК, 1996. 384 с.

39. Щербаков В.И., Грездов Г.И. Электронные схемы на операционных усилителях: Справочник. - К.: Техника, 1983, 213 с.

40. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Радио и связь, 1986. - 512 с.

41. Гречишников В.М. Схемотехника волоконно-оптических устройств: учеб. пособие. - Самара: Изд-во Самарского университета, 2018. - 172 с.

42. Носков В.Я., Богатырев Е.В., Игнатков К.А., Черных О.А., Шайдуров К.Д. Метод повышения помехоустойчивости радиолокационных датчиков с переключением частоты. Ural Radio Engineering Journal. 2021. Т. 5. №3. С. 284-304.

43. Кауфман М., Сидман А.Г. Практическое руководство по расчетам схем в электронике: Справочник. Том 2. - М.: Энергоатомиздат, 1993. - 288 с.

44. Khanna A.P.S. Microwave Oscillators: The State of the Technology. Microwave Journal. 2006. V. 49. No 4. P. 22-26.

45. Микитчук К.Б., Чиж А.Л., Малышев С.А. Двухконтурный оптоэлектронный генератор СВЧ с низким уровнем дискретных составляющих в спектре генерации и сверхнизким фазовым шумом. Сборник статей VII Всероссийской конференции: «Электроника и микроэлектроника СВЧ». 2018. Т. 1. С. 296-301. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2018. 728 с.

46. Fedderwitz S. et all. Ultra-broadband and low phase noise photonic millimeter-wave generation. International Topical Meeting on Microwave Photonics jointly held with the Asia-Pacific Microwave Photonics Conference. 2008. No. 10384675. P. 283-286.

47. Микитчук К.Б., Чиж А.Л. и др. Оптоэлектронный гетеродин Х-диапазона со сверхнизким фазовым шумом. Электроника и микроэлектроника СВЧ. 2019. Т. 1. №1. С. 204-208.

48. Носков В.Я., Игнатков К.А. Шумовые характеристики автодинов со стабилизацией частоты внешним высокодобротным резонатором. Радиотехника и электроника. 2016. Т. 61. №9. С. 905-918.

49. Белов Л., Хилькевич В. Генераторы с диэлектрическими резонаторами для стабилизации частоты. Электроника: Наука, Технологии, Бизнес. 2006. №7. С. 54-59.

Изобретение относится к области железнодорожной автоматики и телемеханики. Радиофотонная система определения скорости отцепов на сортировочной горке содержит блок сверхвысокочастотных (СВЧ) колебаний, блок многоканальной обработки сигналов (БМОС), множество локационных датчиков скорости (ЛДС). Блок СВЧ колебаний содержит полупроводниковый лазерный модуль, электрооптический модулятор, волоконно-оптическую линию задержки, делитель оптического излучения, фотодетекторный модуль и резонансный СВЧ-усилитель. ЛДС включает в себя антенну, оптический делитель излучения на два канала, фотодетекторный модуль, блок выделения автодинного сигнала и электрооптический модулятор. БМОС содержит цифровой сигнальный процессор и множество приемников сигналов второй многоканальной линии передачи, каждый из которых содержит последовательно соединенные фотодетекторный модуль, усилитель сигналов доплеровской частоты и аналого-цифровой преобразователь. Блок СВЧ колебаний связан с ЛДС, и ЛДС связаны с БМОС посредством N-канальных волоконно-оптических линий передачи. Технический результат заключается в повышении точности определения скорости, надежности, помехозащищенности и эффективности. 3 ил.

Радиофотонная система определения скорости отцепов на сортировочной горке, содержащая блок сверхвысокочастотных (СВЧ) колебаний, блок многоканальной обработки сигналов (БМОС), множество из N устанавливаемых на тормозных позициях локационных датчиков скорости (ЛДС), при этом каждый из N ЛДС включает в себя антенну, а блок СВЧ колебаний связан посредством первой многоканальной линии передачи с входами ЛДС, сигнальные выходы которых посредством второй многоканальной линии передачи связаны с сигнальными входами БМОС, отличающаяся тем, что в блок СВЧ колебаний введены полупроводниковый лазерный модуль, электрооптический модулятор, волоконно-оптическая линия задержки (ВОЛЗ), делитель оптического излучения на N+1 каналов, фотодетекторный модуль и резонансный СВЧ-усилитель, причем полупроводниковый лазерный модуль подключен к последовательному соединению электрооптического модулятора, ВОЛЗ и делителя оптического излучения на N+1 каналов, один из выходов канала делителя подключен к последовательному соединению фотодетекторного модуля и резонансного СВЧ-усилителя, который своим выходом подключен к управляющему входу электрооптического модулятора, в каждый из ЛДС дополнительно введены оптический делитель излучения на два канала, фотодетекторный модуль, блок выделения автодинного сигнала и электрооптический модулятор, причем вход ЛДС подключен к входу оптического делителя излучения на два канала, выход первого канала которого подключен к входу фотодетекторного модуля, выход которого подключен к антенне, а к цепи смещения фотодетекторного модуля подключен блок выделения автодинного сигнала, выход которого подключен к управляющему входу электрооптического модулятора, к оптическому входу которого присоединен выход второго канала делителя излучения, а выход электрооптического модулятора – к сигнальному выходу ЛДС, БМОС содержит цифровой сигнальный процессор (ЦСП) и множество из N приемников сигналов второй многоканальной линии передачи, причем каждый из N приемников содержит последовательно соединенные фотодетекторный модуль, усилитель сигналов доплеровской частоты и аналого-цифровой преобразователь, при этом выходы аналого-цифровых преобразователей соответственно подключены к сигнальным входам ЦСП, а входы фотодетекторных модулей являются сигнальными входами БМОС, при этом первая и вторая многоканальные линии передачи выполнены в виде N-канальных волоконно-оптических линий передачи, а блоки СВЧ колебаний и БМОС помещены в бокс.