（机械设计及理论专业论文）用于斜井人车的多普勒测速系统的研究与开发.pdf

硕士学位论文摘要 摘要 斜井人车是矿山斜井及露天坡道运送人员的重要安全设备之一， 很多国家都有考核其安全性能的相关规定。在这些规定中，斜井人车 的运行速度和制动减速度是非常重要的参数。但目前一般先使用转速 表测量出提升设备滚筒的转速，然后通过减速比和滚筒直径换算出斜 井人车的运行速度，并测量出脱钩后车体本身的缓冲距离，最后计算 出平均制动减速度。上述间接测量的方法准确度较低，难以满足检验 的要求。 本课题首先采用同腔振荡一混频式结构，设计出了体积小和性能 稳定的x 波段多普勒测速传感器。考虑到在用斜井人车恶劣检验环境 对微型热敏打印机和液晶显示器等器件的影响，我们选用了双d s p 系 统。在检验过程中，基于t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 处理器的信号采集及处理电路 与多普勒测速传感器作为一个整体安装在斜井人车上，完成多普勒信 号的采集和现代功率谱估计的算法，得到斜井人车的速度；基于 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 处理器的控制电路作为一个独立的部分通过键盘的选择 来实现速度信号的打印、显示和通讯等功能。 本课题通过实时多任务系统的软件开发，实现了任务调度、信号 量的传输和软硬中断的处理。这不仅提高了系统的可靠性，还缩短了 开发周期。最后在简易速度测试平台上通过试验和分析表明，此多普 勒测速系统基本满足了课题的研究目标，为今后用于斜井人车的现场 检验奠定了基础。 关键字斜井人车，多普勒测速技术，矩形谐振腔，d s p b i o s ，功率 谱估计 硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t i n c l i n e ds h a f tm a nc a ri so n eo fi m p o r t a n ts a f ee q u i p m e n t sw h i c h t r a n s p o r tw o r k e r si ni n c l i n e ds h a f ta n do p e n p i tr a m p m a n yc o u n t r i e s h a v em a n yr e l e v a n tr e g u l a t i o n so nw h i c hm a nc a r ss a f e t yp e r f o r m a n c ei s t e s t e d e s p e c i a l l y , t h ev e l o c i t ya n db r a k i n gd e c e l e r a t i o no fm a nc a ra r e v e r yi m p o r t a n tp a r a m e t e r si nt h e s ep r o v i s i o n s h o w e v e r , a tp r e s e n t p e o p l eu s u a l l ym e a s u r et h es p e e do ft h em o t o rs h a f tu s i n gp h o t o e l e c t r i c t a c h o m e t e r , a n dt h e na r t i f i c i a l l yc o n v e r ti n t ot h eu p g r a d e de q u i p m e n t s l i n es p e e dt h r o u g ht h ew i n c h sr e d u c t i o nr a t i oa n dt h er o l l e rd i a m e t e r m o r eo v e r , m a nc a r s v e l o c i t y c a nb ec o m p u t e da f t e rm e a s u r i n gt h e b u f f e rd i s t a n c ew h i c hi sg e n e r a t e do u to fh o o k t h e s ei n d i r e c tm e t h o d s h a v el o wa c c u r a c ya n da r ed i f f i c u l tt os a t i s f yt h ei n s p e c t i o nr e q u i r e m e n t s f i r s to fa l l ，u s i n gt h es t r u c t u r eo fc o m m o nc a v i t yo s c i l l a t i o n - m i x e r s t y l e ，w ed e s i g nt h ex - b a n dd o p p l e rv e l o c i m e t r ys e n s o rw h i c hh a ss m a l l s i z ea n dg o o ds t a b i l i t yi nt h i sp r o j e c t b e c a u s ei n u s ei n c l i n e ds h a f tm a n c a r ss e v e r ee n v i r o n m e n td a m a g e st h em i c r o t h e r m a lp r i n t e r sa n dl i q u i d c r y s t a ld i s p l a y ，d o u b l ed s ps y s t e mi sa d a p t e d t h ed a t aa c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n gc i r c u i tm o d u l e sb a s e dt m s 3 2 0 c 6 7 13p r o c e s s o ra n dd o p p l e r v e l o c i m e t r ys e n s o ra saw h o l ea r ei n s t a l l e di nt h em a nc a rt oc o m p l e t et h e d o p p l e rs i g n a la c q u i s i t i o na n dm o d e mp o w e rs p e c t r u me s t i m a t i o n a l g o r i t h md u r i n gt h ei n s p e c t i o np r o c e s s ，a n dt h e nm a n c a r sv e l o c i t yc a n b eo b t a i n e d a ni n d e p e n d e n tc o n t r o lc i r c u i tm o d u l eb a s i n go nt h e t m s 3 2 0 f 2 812p r o c e s s o rc h o o s e st h es u i t a b l ek e y b o a r dn u m b e r sw h i c h a c h i e v et h ef u n c t i o no fp r i n t i n g ，d i s p l a y i n ga n dc o m m u n i c a t i n gf o r v e l o c i t y t h et a s ks c h e d u l i n g ，s i g n a lt r a n s m i s s i o na n dt h ei n t e r r u p th a n d l i n g o fs o f t w a r ea n dh a r d w a r ea r er e a l i z e db yd e v e l o p i n gt h er e a l t i m e m u l t i t a s k i n gs o f t w a r ei nt h i sp r o j e c t i tn o to n l yi m p r o v e st h er e l i a b i l i t y o ft h es y s t e m ，b u ta l s os h o r t e n st h ed e v e l o p m e n tc y c l ea n di se a s yt o u p g r a d es y s t e m a tl a s t ，t h r o u g ht h ee x p e r i m e n ta n da n a l y s i s ，t h i s d o p p l e rv e l o c i t ys y s t e mb a s i c l l ym e e t st h eg o a lo f t h ep r o je c ti no r d e rt o e s t a b l i s haf o u n d a t i o nf o rf u t u r ew o r ki nt h i sp a p e r k e yw o r d si n c l i n e ds h a f tm a nc a r ，d o p p l e rv e l o c i t ym e a s u r e m e n t t e c h n i q u e ，r e c t a n g u l a rr e s o n a n tc a v i t y ，d s p b i o s ，p o w e rs p e c t r u m e s t i m a t i o n i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得长沙矿山研究院或其他单位的学位或证书而使用过的材料。 与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的 说明。 作者签名：名蝉日期咀1 年上月三日 关于学位论文使用授权说明 本人了解长沙矿山研究院有关保留、使用学位论文的规定，即： 研究院有权保留学位论文，允许学位论文被查阅或借阅；研究院可以 公开学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保 存学位论文；研究院可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论 文。 作者签名：撕师签名：幽期：4 年上月三日 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源与背景 本课题来自于“十一五”国家科技支撑计划“典型在用设备安全检测检验关 键技术与规范研究( 编号为2 0 0 7 b a k 2 2 8 0 3 ) 中的一个子课题一矿用提升运输系 统安全性能非接触式检测技术、装置与规范研究。本课题主要是针对在用斜井人 车脱钩实验时速度参数的测量，研制出适用于矿山环境下现场使用的测速装置。 多年来，为了解决斜井运输中人行道上事故的发生，缩短矿工往返时间，减 轻员工的体能消耗和提高劳动生产率，在大量的煤矿和金属非金属矿山中都采用 斜井人车作为人员运送的主要方式。为此，g b l 6 4 2 3 - 2 0 0 6 金属非金属矿山安全 规程第4 3 2 1 条规定“供人员上、下的斜井，垂直深度超过5 0 m 的，应设 专用人车运送人员”；2 0 0 6 版的煤矿安全规程位1 第三百六十五条规定“人员 上下的主要倾斜井巷，垂深超过5 0 m 时，应采用机械运送人员”上述规定均对 使用斜井人车或机械设备运送人员提出了强制性的要求。 斜井人车作为矿山斜井及露天坡道运送人员的重要安全设备之一，完全依靠 提升设备和钢丝绳牵引在斜坡道上运行。在提运过程中，一旦发生断绳和路障等 意外事故，安装在斜井人车上的防坠系统可自动或手动地实现制动，可靠平稳地 停在坡道上，从而避免重大人身伤亡和设备损坏事故。在我国普遍推广使用的斜 井人车有两种类型d 1 ：一种是x r c 插爪式斜井人车，这种斜井人车是5 0 年代初 从前苏联引进的马可尼斜井人车，于7 0 年代末又加以改进后形成：另一种是我 国从6 0 年代开始研制的x r b 抱轨式斜井人车。 x r c 插爪式斜井人车防坠原理b 1 ：斜井人车在斜坡道上运行中，如果突然发 生断绳，在每节车底盘下安装的一对插爪被开动机构打开闭锁装置，插爪靠自重 落下，以枕木作为插进对象，并同时以切割安装在车体底盘内一定长度的缓冲木 来吸收斜井人车的全部动能，达到稳定停车的目的。 x r b 抱轨式斜井人车防坠原理口1 ：以预定的弹性能量作为防坠系统的动力， 发生意外断绳后，定点抓捕钢轨，即抱爪牢固地夹住钢轨头的侧面，同时利用楔 形自锁原理，以钢丝绳缓冲器吸收斜井人车的巨大动能，使乘人的车厢沿底盘滑 行一定距离后平稳地停止运行，实现了人车安全可靠的制动。通过大量试验及现 场的长期使用结果表明，x r b 抱轨式斜井人车制动的可靠性及稳定性均比x r c 插 爪式斜井人车要好得多，所以从第六个五年计划至今，该人车均被列为国家重点 科技成果推广项目之一。 斜井人车是人员集中运送工具，类似于竖井罐笼运送人员，如果其性能不能 满足要求，旦发生断绳事故，就极易造成群死群伤事故或特大事故的发生。所 硕士学位论文第一章绪论 以，世界各国也都非常重视矿山在用斜井人车性能的安全要求，中国、德国、俄 罗斯、日本等都有考核在用斜井人车安全性能的详细规定。 在我国，对于斜井人车的运行速度有如下几个规定：( 1 ) g b 2 1 0 1 1 2 0 0 7 矿 用人车技术条件h 1 第4 2 2 条规定“人车组列后的运行速度：斜井人车不应超 过5 m s ，平巷人车不应超过3 m s ；( 2 ) g b l 6 4 2 3 - 2 0 0 6 金属非金属矿山安全 规程第6 3 2 7 条规定“斜井运输的最高速度，不应超过下列规定：运 输人员或用矿车运输物料斜井长度不大于3 0 0 m 时，3 5 m s ；斜井长度大于 3 0 0 m 时，5 m s ”；( 3 ) 煤矿安全规程( 2 0 0 6 版) 位1 第四百二十六条规定斜井 提升容器的最大速度“升降人员时的速度，不得超过5 r i g s ，并不得超过人车设 计的最大允许速度 。对于斜井人车的加速度或减速度规定如下：( 1 ) 煤矿安 全规程( 2 0 0 6 版) 叫第四百二十六条规定斜井提升容器的最大加、减速度：“升 降人员时的加速度和减速度，不得超过0 5 m s 2 ”：( 2 ) g b 2 1 0 1 1 - 2 0 0 7 矿用人 车技术条件h 3 第4 2 8 条和m t 3 8 8 - 2 0 0 7 矿用斜井人车技术条件璐1 第5 3 2 0 条均规定“斜井人车在同一制动阻力下的平均制动减速度：空载不应大于3 0 m s 2 ，满载为1 0m s 2 - 1 3m s 2 通过上面讨论可知，无论是斜井人车的运行速度还是减速度在国家标准中都 有严格的要求，是反映斜井人车安全运行的重要指标。并且g b 2 1 0 11 - 2 0 0 7 矿 用人车技术条件h 1 第5 1 0 条定义了“平均制动减速度按式( 2 ) 计算：a = ，2 ( 2 鼠) 式中：a 平均制动减速度，单位为米每二次方秒( m s 2 ) ； ，一制动开始时人车 的运行速度，单位为米每秒( m s ) ；& 一人车缓冲距离，单位为米( m ) 。”，因 此平均制动减速度的求解必须要先测量出制动开始时人车的运行速度。 1 2 课题的研究意义和目标 在国内，目前对于斜井人车的速度测量，一般先使用光电转速表测量出提升 设备滚筒的转速，然后通过减速比和滚筒直径换算出斜井人车的运行速度；对于 斜井人车的平均制动减速度测量，除了得到斜井人车的运行速度外，还要测量出 脱钩后车体本身的缓冲距离，然后通过g b 2 1 0 1 1 - 2 0 0 7 矿用人车技术条件中 规定的公式计算出平均制动减速度。上述测量方法准确度较低，难以满足检验的 要求，因此研究一种适用于矿山斜井人车使用的测速装置可以完善斜井人车的现 场检验，具有很大的应用价值。并且，对于微波多普勒测速传感器的研究状况， 国内与世界领先水平差距很大，并且国外将微波多普勒测速传感器的研究已经对 我国进行了技术封锁，我们只能从己经公开的一些宣传资料上和产品说明书中来 进行了解。在这种情况下，我们所做的研究工作是非常及时的，也是非常必要的。 本课题的目标是将微波多普勒测速技术和数字信号处理技术相结合，成功地 研制出适用于矿山在用斜井人车的便携式测速装置，并能实现速度和减速度数据 2 硕士学位论文第一章绪论 的显示、打印和存储等功能。此测速装置的技术指标为：速度测量范围为0 5 m s ， 分辨率为0 i m s 。 1 3 课题的国内外现状 1 3 1 微波多普勒测速仪的综述 微波多普勒( 雷达) 测速仪是一种非接触式测速装置，较光电转速表等传 统的测速装置具有抗干扰性强、照射面大和可移动测速等优点，广泛用于军事、 船舶和交通等场合。 到目前为止，国内研制的雷达测速仪主要有：八十年代中期，国防科技大 学与南昌八一无线电厂仿制的d r - 8 1 0 型雷达是导弹防御计划与反卫星战计划 中的重要设备之一，主要用于测量炮口的初速度；八十年代中期，信息产业部 五十四所研制的m v r _ l 型火炮初速测定雷达将收发共用单天线技术与微机终端 技术等综合起来的一种新型测试设备，其最大的优点在于小型化、可靠性高、 和数据获取率高；上海船舶运输科学研究所研制的m c d l - i a 型多普勒计程仪具 有理想的精度、简便的操作和齐全的功能，可用于远洋、近海和内河的各种船 舶速度的测量；西安安速科技实业有限公司所研制的l s - i 型雷达测速仪是一种 新型的微波测速传感器，它采用了毫米波和数字信号处理技术，具有体积小、 重量轻和操作方便等特点，用于车辆速度的检测。 国外的雷达测速仪主要有：俄罗斯奥利维亚( o l v i a ) 公司研制的金雕型机 动车雷达测速仪，主要用于车流中的最高速度或者最强回波信号的目标车速度 的测量；美国a c i ( a p p l i e dc o n c e p t si n c ) 公司研制的s 3 型斯德克车载固 定移动式雷达测速仪采用d s p ( 数字信号处理) 处理系统，具有了更强大的功 能和更精确的测量精度；俄罗斯军用的“火花”m 型车载定点雷达测速仪是一 种移动式雷达，具有功能多，性能较优和操作灵活性强的特点；德国b + s m u l t i d a t a 公司的d r s - 3 d r s - 6 型多普勒雷达测速传感器，内置一对雷达天线， 并采用数字信号处理器对两路雷达信号进行运算，提高了传感器的精度和分辨 率，广泛应用于在公路、铁路、砂石和冰雪等复杂地形上车辆的速度测量。 上述微波多普勒( 雷达) 测速仪主要用于运行速度较高的场合中，在低速 时分辨率较差、精度较低，无法满足斜井人车的现场检验。 1 3 2 信号处理技术 在信号处理的硬件模块中，以往基本上用模拟电路来实现多普勒频率测量； 或者将多普勒测速传感器的信号通过一个比较电路，形成方波信号，然后通过 单片机等处理器对用数周期算法求出信号的频率。由于多普勒测速传感器输出 信号的幅值受反射平面的粗糙程度和距离的影响比较大，因此这些方法应用到 此多普勒测速传感器中有很大的困难。 硕士学位论文第一章绪论 近年来随着数字信号处理技术的发展，用数字方法对多普勒信号进行滤波、 估计、识别等处理，具有速度快、精度高、可靠性好和容易大规模集成等特点。 其中，基于傅立叶变换的多普勒信号处理算法容易受到多径效应和其它物体的 影响，当信号中的噪声成分增加时，效果明显下降；以a r 模型为基础的现代功 率谱估计算法，较前者抗干扰性强，特别适用于随机信号的处理。在本课题中 我们分别讨论了基于a r 模型的y u l e - w a l k e r 算法、b u r g 算法和协方差算法。 1 4 课题的研究内容及论文章节安排 本文结合微波多普勒测速技术和d s p 技术，将本文分为六个部分，安排如下： 第一章，绪论。介绍了国内斜井人车的类型和对斜井人车的规范标准，叙述 了课题研究的意义和国内外的现状等； 第二章，多普勒测速系统基本理论分析。讲述了微波多普勒测速原理、微波 振荡原理、微波混频原理、f i r 滤波器算法和现代功率谱估计算法等； 第三章，基于d s p 的多普勒测速系统的硬件设计与实现。考虑到在用斜井人 车恶劣检验环境对微型热敏打印机和液晶显示器等器件的损坏，我们采用双d s p 系统。在检验过程中，基于t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 处理器的信号采集及处理电路与多普勒 测速传感器作为一个整体放在斜井人车上，完成多普勒信号采集和现代功率谱估 计算法，从而得到斜井人车的速度和平均制动减速度等数据；基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 处理器的控制电路作为一个独立部分通过键盘选择来实现速度信号的打印、显示 和通讯等功能； 第四章，基于d s p b i o s 的多普勒测速系统的软件设计。采用高效的d s p b i o s 实时多任务操作系统进行软件设计，并讨论了d s p 系统的自举引导和f l a s h 烧写 等； 第五章，多普勒测速系统测试及试验结果的分析； 第六章，结论与展望。 4 硕士学位论文第二章多普勒测速系统基本理论分析 第二章多普勒测速系统基本理论分析 本章主要针对多普勒测速系统，分别从软件和硬件两个角度全面介绍了系统 中用到的基本理论，主要包括多普勒测速测速原理、微波振荡器的设计原理、微 波混频器的设计原理、f i r 滤波器算法和现代功率谱估计算法等。 2 1 多普勒的测速原理 2 1 i 多普勒效应 在日常生活中，我们都会有这种经验：当一列鸣着汽笛的火车经过某观测 者时，就发现火车汽笛的声调由高变低。这是因为声调的高低是由声波振动频 率的不同决定的，如果频率高，声调听起来就高；反之声调听起来就低，这种 现象称为多普勒效应。多普勒效应是为纪念奥地利物理学家和数学家c h r i s t i a n d o p p l e r 而命名的，他于1 9 8 4 年首先提出了这一理论陋1 。为了理解这一现象， 就需要研究火车汽笛发出的声波在传播时的规律。当火车以恒定速度驶近时， 其声波的波长缩短，好象被压缩了，所以在一定时间间隔内传播的波数就增加 了，观察者感受到声调变高；相反，当火车以恒定速度驶向远方时，声波的波 长变大，就像被拉伸了，声音听起来就显得低沉。 多普勒效应不仅适用于上面介绍的声波，还适用于所有类型的波，包括光 波和微波等。在本课题中多普勒测速传感器发射的微波在斜井人车行进的过程 中碰到地面时被反射，反射的回波信号频率及振幅会随着斜井人车的运动状态 而改变：若斜井人车是静止不动的，那么所反射的回波信号频率与发射的波源 信号频率相同；若斜井人车是向前运行，此时反射的回波信号会被压缩，其频 率也会随之升高；反之，若斜井人车是向后运行，则反射的回波信号频率较发 射的波源信号降低。上面提到的频率升高或降低的数值称为多普勒频率，本课 题就是根据从地面反射的回波信号频率变化而测出斜井人车速度的。 2 1 2 多普勒测速公式 在本课题中将多普勒测速传感器安装在运行的斜井人车上，天线的口径与运 动方向成0 角度，如图2 - 1 所示。根据多普勒测速原理，由斜井人车( 多普勒测 速传感器) 的运动产生的多普勒频移为 厶= 磐c o s 口c 十y 式中厶是多普勒测速传感器发射的波源频率取值为i 0 5 g h z ：v 是斜井人车运动 的速度取值为o 5 m s ；c 是微波传输速率为3 1 0 8m s ；口是天线的l j 径与运动方 。 ，i 向所成的角度h 1 。由于y “c ，可以忽略分母中的v ，得到尼= 竺盟c o s o ，从而 一 c 可推导出多普勒测速传感器的测速公式为 硕士学位论文 第二章多普勒测速系统基本理论分析 y = 上厶2 f oc o s o ( 2 1 ) 由此可见只要测得多普勒频移以，即可由式( 2 1 ) 求得斜井人车的速度。 图2 一l 斜井人车试验安装示意图 2 2 微波振荡器的设计原理 微波振荡器( 也称为固态源) 是产生微波正弦信号的装置，是微波设备和系 统中不可缺少的组成部分，常被称为微波系统的“心脏 。随着微波技术的迅速 发展，对微波电路小型化，集成化，固态化和高可靠性等性能要求越来越高，因 而要求微波振荡器具有频率稳定度高，体积小，重量轻和可靠性高等特点。特别 是七十年代以来，随着微波半导体技术和微波集成电路技术的不断发展，人们无 需使用微波倍频器，而采用覆盖微波频段的各种有源微波固态器件，便可以在 1 g h z 到几十g h z 频率范围内直接产生所需的微波正弦信号。本课题就是利用耿 氏二极管的负阻特性做成了微波振荡器哺1 。 v d d 莨1 二z c 丰l c 皇；d 3 耿氏= 掇警r l 、 h 寻纠 强凶 r ( ” 图2 - 2 电压控制型负阻振荡器 ( a ) 实用电路( b ) 高频等效电路( c ) 伏安特性 6 硕士学位论文第二章多普勒测速系统基本理论分析 图2 2 ( a ) 所示是电压控制型负阻振荡器的实用电路阳1 。图中，、墨， 足组成耿氏二极管的直流供电电路，提供合适的静态工作点q ；c 1 是高频旁路 电容，用来避免直流供电电路对回路q 的影响，l 和c 是谐振回路的电感和电容， 为负载电阻。图2 2 ( b ) 是高频等效电路，和e 为耿氏二极管的等效负电 阻和电容，砬= r 为等效负载，其中为回路的固有谐振电阻。在上述电 路中，冠，足取值应保证直流负载线与耿氏二极管伏安特性的交点( 静态工作 点q ) 处于负阻区，如图2 - 2 ( c ) 中的直线i ，图中： 2 焘， 如果足，足取值过大，则直流负载线( 图中所示直线i i ) 与伏安特性有三个交 点，会引起静态工作点的不稳定：若原先工作在q 点，由于偶然因素使厶增大， 工作点就会迅速地移到q ；反之乇稍有减小，工作点就会迅速地移到q 。，它们 都处于伏安特性的正阻区，从而导致振荡器停振。 此振荡回路的电压有效值为，在砬上消耗的功率为 吲= 孚 1 、 而耿氏二极管提供的交流功率为 t 2 2 俐= 堑眨 在起振时，耿氏二极管供给的功率必须大约正阻消耗的功率，故要求l 昱i = 1 只i ， 从而得到该振荡电路的起振条件为 砭 川 ( 2 2 ) 与振荡强弱有关，由于耿氏二极管特性的非线性，：l 随振幅增强而加大，直 到满足 砭= 川 ( 2 3 ) 达到平衡状态，即满足平衡条件位置，这表示正阻与负阻的作用相互抵消。此振 荡电路等效于l c 并联回路，其振荡频率近似为 一 ，： !( 2 - 4 ) 。“ 2 万( c + c ：) 2 3 微波混频器的设计原理 微波混频器是微波接收机和很多微波测量设备不可或缺的组成部分，它将微 弱的微波回波信号和振源信号同时加到肖特基势垒二极管( s c h o t t k yb a r r i e r d i o d e ) 上，从而变换出所需的输出信号n 们。肖特基势垒二极管是利用金属和n 型半导体相接触所形成的金属一半导体结的原理而制成的，虽然不可避免有混频 损耗，但它结构简单，便于集成，工作频带宽，而且工作稳定，动态范围大，所 7 硕士学位论文第二章多普勒测速系统基本理论分析 以非常适用于便携式的设备中1 。 肖特基势垒二极管利用非线性原理进行混频n 副。 假设二极管的伏安特性为 i = 厂( d ( 2 5 ) 在二极管上加较小的直流偏压( 或零偏压) ，得到 v = v o + 吃( f ) + 吩( f ) ， 其中= v 0 是直流偏压，屹( f ) = v l c 幻s w l t 是振源信号电压，v s ( t ) = v s c o s o t s t 是回波 信号的电压。嘶和国。分别表示振源信号频率和回波信号频率。通常回波信号是 微弱信号，功率电平在微瓦以下，电压幅度很小，在它的变化范围内可以认为伏 安特性是线性的。振源信号功率应取较大的数值，通常在1 毫瓦以上，所以 v ； k ，由此可以认为二极管的工作点随着振源信号电压而变化。各工作点将i 展开为泰勒级数，可得 i = 厂( d = 厂( + v l c o s r o l t + v s c o s r o s t ) = f ( v o + v l c o s r o l t ) + f 。( v 0 + v l c o s r o l t ) v s c o s c o s t ( 2 6 ) + 毫厂( v o + v l c o s r o l t ) ( v s c o s r o s t ) 2 + 上式右边第一项表示直流偏置和振源信号及其谐波的电流；第三项及其以后各项 由于v 。很小，可以略去不计；在第二项中，令 g = ( + v l c 。s c o l t ) v s c o s c o s t = ( 焉i ，“。吮。) k c 。s r o s t ( 2 7 ) g 为二极管电导。如果二极管是线性元件，则g 等于常数，在这种情况下，它和 回波信号电压相乘的结果，不产生新的频率分量；但如果二极管是非线性元件， 其电导g = f 。( v o + v l c o s r o l t ) v s c o s r o s t 是一个随时间作周期变化的偶函数，它展开 为傅立叶级数 g ( f ) = g o + 2 g 。c o s n w l t ( 2 8 ) 一基中，g o = 去r 8 9 ( f ) d ( 吃哆= 去r ”g ( f ) c 。s n 吼留( 吃f ) 。g o 称为二极管的平 均混频电导；矗是对应振源信号的第n 次谐波的混频电导。将式( 2 - 8 ) 代入式 ( 2 - 6 ) ，略去高次项，得到混频电流的表达式 i = f ( v o + v l c o s r o l t ) + ( g o + 2 g 。c o sn r o l t ) v s c o s t o s t 冈 ( 2 9 ) = f ( v o + v l c o s 吼t ) + g o k c o s 啦什2 邑kc o s ( n c o l 略) t 在上式中，刀= l ，2 ，3 ，可以得到无穷多个不同频率的电流。根据式( 2 - 9 ) 可绘出混频电流的主要谱线图( 只绘出其中一部分) ，如图2 - 3 所示。 8 硕士学位论文第二章多普勒测速系统基本理论分析 图2 - 3 混频器电流的主要频谱 混频过程中，振源是强信号，它产生了无数的谐波，但其谐波功率大约随 1 n 2 而变化( n 是谐波次数) ，因此混频电流的组合分量强度随n 增加而很快地 减少。通常振源信号的基波劬和二次谐波2 q 等分量较强，对混频才有重要影 响。因此下面我们分别讨论几个特殊的频率分量：回波信号频率和振源信号频率 产生的和频= 吼+ 、差频= 吼一略( 当吼 略时) 或= 略一吼( 当 吼时) ，略和2 吼产生镜像频率q = 2 铣一= 一略分量。由图2 3 可以 看出，钆是信号相对于振源基频缈，的“镜像”，故称之为“镜频”，其幅度由g ，攻 决定。在纯中包含部分有用信号功率，如果不让它们浪费掉，而在输入电路中 使镜频能量反射回二极管，使其重新与振源信号混频，再次产生中频信号 织，= 劬一缺，如果相位合适，就能“回收”信号能量，减小混频的损耗哺1 。 通过上面的分析可知，肖特基势垒二极管完全可将微弱的微波发射信号和振 源信号混频，变换出所需的多普勒频率信号。 2 4 数字滤波器 2 4 1 数字滤波器 数字滤波器的作用是滤除信号中某一部分的频率分量，是数字信号处理中的 基本算法，占有很重要的地位。在时域里，它就是将信号与滤波器的冲激响应进 行卷积。数字滤波器与模拟滤波比较起来具有具有重复性好、适应性强和稳定性 高等优点，并且可以有效地避免模拟滤波器固有的电压漂移、温度漂移和噪声大 等缺点。 数字滤波器的实现方法主要有i i r ( i n f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e ) 滤波器和 f i r ( f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e ) 滤波器两种。其中，i i r 滤波器需要借助于通用 模拟滤波器来进行设计，它虽能得到较好的幅度特性，但不易实现线性相位j 必 须外加相位校正网络，这会使滤波器的设计变得很复杂。f i r 滤波器是由有限个 采样值组成，它可在保证幅度响应满足指标要求的同时，具有严格的线性相位特 9 硕士学位论文 第二章多普勒测速系统基本理论分析 性”。由于在数据通讯和数据处理等过程中对线性相位的要求很高，在本课题中 我们选用了f i 列受宇滤波器对多普勒信号进行处理。 242f i r 数字滤波器的原理 数字滤波器一般可用式( 21 0 ) 来表述“： “h ) = 唧x ( 月一i ) + 以y ( ”一t ) o ，o 式中，z ( n ) 为输入序列，( 月) 为输出序列，q 和“为滤波器参数 阶数。若式( 2 1 0 ) 中所有的n 均为零，可以得到： y ( n ) = d t z ( ”一t ) 这就是f i r 数字滤波器的差分方程，其一般形式为： y ( n ) - h ( k ) x ( n - k ) ( 2 - 1 0 ) n 是滤波器的 ( 2 - 1 1 ) 对式( 2 - 1 1 ) 两边进行z 变换得到f i r 滤波器的传递函数为： 比，= 器= 薹悱。( 2 - 1 2 ) 从式( 21 2 ) 可以看出，系统的输出只是输入的函数，与过去的输出没有直接 关系，因此它的网络结构中不会有反馈支路，非常窖易地就可以实现线性相位“”。 但f i r 数字滤波器只有零点，所以不像i i r 数字滤波器那样容易得到较好的通带 与阻带衰减特性，若要取得好的衰减特性，一般要求h ( z ) 的阶次n 要很大。 ( b 1 目m “瞄 田2 - 4 多瞢勒测逮传感嚣信号的波形 ( a ) 埠信号的波形( b ) 薅波后的波形 圈2 4 ( a ) 为采集到多普勒测速传感器信号的波形。为了消除多普勒信号中 的直流分量，鼗们使用f d a t o o l 工具设计了一个f i r 高通数字滤波器“，其具体 指标是：信号采样频率为1 0 k ，阻带截止频率为7 0 h z ，通带截止频率为1 2 0 h z 。 硕士学位论文第二章多普勒测速系统基本理论分析 通过仿真实验表明，f i r 数字滤波器的阶数越高，通带与阻带的衰减就越好，但 算法的运算量越大。经过反复验证，最后选定阶数为5 0 次，滤波后多普勒信号 的波形如图2 - 4 ( b ) 所示。f i r 数字滤波器的c 语言程序代码见附录l 。 2 5 多普勒信号处理算法 目前，对于多普勒信号处理的方法有以下几类： 第一类是在时域中直接对信号频率进行测量，主要有过零点检测法和数周期 法引。由于多普勒信号时常会受到周围环境的影响，导致反射的回波信号电压值 存在起伏不定的变化，因此过零点检测法存在明显的弊端。数周期法要将被测信 号转变成方波信号或者看做一个方波信号，然后对方波计数得到速度信号，然而 采集到的多普勒信号波形的幅值无规律变化( 如图2 - 4 ( a ) 所示) ，难以选择合适 的阀值电压。另外，我们在p i c l 6 f 8 7 7 单片机上的试验结果表明：用数周期法所 得到的速度数据很不稳定。 第二类是一些特殊方法在多普勒信号处理的应用，例如小波变换方法和时域 分析方法等n 引。这类方法主要用于图像信号的处理，特别适用于分析非平稳的信 号，可提高广义非平稳信号的时间、频率分析精度等。但是因为它的计算量一般 很大，在嵌入式系统中实现实时运算非常困难，一般常用于离线信号的分析。 第三类是利用功率谱估计算法分析出多普勒信号的功率谱，然后找出最大的 功率谱及其对应的频率一多普勒信号的频率n 副。功率谱估计算法有经典谱估计和 现代谱估计两种实现方式。由于经典谱估计算法是利用加窗的数据和加窗的自相 关函数估计值的傅里叶变换来计算的，其方差性能较差，分辨率较低。并且在进 行数据加窗和自相关函数加窗时都隐含假定在窗外未观测到的数据和自相关函 数值a c f ( a u t o c o r r e l a t i o nf u n c t i o n ) 为零，这显然是一个不切合实际的假定， 无法根本解决频率分辨率低和谱估计稳定性之间的矛盾，特别是在数据记录很短 的情况下，这一矛盾尤其突出n 引。 因此为了解决这一矛盾，在本课题实施过程中，主要研究了以随机过程的 参数模型为基础的现代功率谱估计算法，主要包括y u l e - w a l k e r 谱估计算法、 b u r g 谱估计算法、协方差谱估计算法和修正的协方差谱估计算法。这种算法足 建立在参数模型基础上，可靠性较高，并且运算量较小，非常适合于便携式测 速设备。 2 5 1 现代功率谱估计 ， 模型法在现代功率谱估计方法中越来越重要，主要是人们对于观测区间之外 的观测过程特性可以做出合理的假设，而不是必须将区间以外的数据假设为零或 者周期性的，因此不需要窗函数，消除其畸变的影响，这样可以超过常规的f f t 谱估计而取得相当可观的改进，尤其是对短记录的数据，用这种方法要比经典谱 硕士学位论文 第二章多普勒测速系统基本理论分析 估计得到更高的分辨率。现代功率谱估计就是利用先验信息( 或假设) 为数据样 本的随机过程选择一个准确的模型，或者至少是一个与实际过程非常接近的模 型，以这个模型为基础，从数据样本中估计出模型的参数带入相应的功率谱公式 中，从而得到谱估计值n 引。 按照模型化的思路，现代功率谱参数估计分为三步进行n5 1 ： 第一步是选择模型。首先为被估计的随机过程选择一个合理的模型，需要借 助对随机过程的理论分析和实验研究。如图2 5 所示，假定一个线性系统的模型 为h ( z ) ，它的输入为序列u ( n ) ，它的输出为我们所研究的过程x ( n ) ； 一兰厂i h - - - - i( 墨 1 一j 图2 - 5 线性系统模型 第二步是根据已知观测数据估计出模型h ( z ) 的参数，这涉及到对各种功率 谱估计算法的研究。通常，模型参数的数据量比观测数据的数据量少很多，为数 据压缩创造了条件； 第三步是将估计出的参数带入模型对应的理论功率谱密度p s d ( p o w e r s p e c t r a ld e n s i t y ) 公式中，从而得到谱估计值。 在图2 5 中，假定h ( z ) 是一个因果的线性移不变且稳定的离散时间系统， 则单位抽样相应h ( n ) 为确定性的。若x ( n ) 是确定性的，那么u ( n ) 是一个冲击序 列；如果x ( n ) 随机的，那么u ( n ) 是一个白噪声序列。无论x ( n ) 是确定性的信号 还是随机信号，对于图2 5 的线性系统，x ( n ) 和u ( n ) 之间总是有如下的输入输 出关系： x ( ，1 ) = 一a k x ( 刀- k ) + 窆b k “( 聆一尼) ( 2 一1 3 ) k f f i lk = o 及 x ( 刀) = h ( k ) u ( n - k ) ( 2 1 4 ) 对式( 2 一1 3 ) 和( 式2 1 4 ) 两边分别进行z 变换，并假设b o = 0 ，可得： 酢) = 豢 式中 彳( z ) ：1 + 圭印一t k = l 曰( z ) ：圭z t k = l 硕士学位论文 第_ 章多普勒测速系统基本理论分析 日( z ) = h ( k ) z t k = 0 为了保证h ( z ) 是一个稳定的最小相位系统，a ( z ) 和b ( z ) 的零点都应在单位圆内。 假定u ( n ) 是一个方差为万2 的白噪声系统，由随机信号经过线性系统的理论 可知，输出序列x ( n ) 的功率谱为： 只( p ) =82b(eyw)b*(e一)：85 b ( e 加) 1 2 a + ( 口加) 么( 口p )la ( p 归) 1 2 这样，如果激励白噪声的方差万2 及模型的口。，口：，口，6 i ，6 2 ，已知，那么由 式( 2 - 1 4 ) 可求出输出序列x ( n ) 的功率谱n 引。在式( 2 - 1 3 ) 中，如果： ( 1 ) j 5 i ，吃，岛全为零，那么可以得到： x ( 刀) = 一a k x ( n - k ) + u ( n ) ( 2 1 6 ) 聊2 丽1 2 忑1 石 q 。7 7 驰个锱= 篙并 & ( ) = ，一一 ( 2 一1 8 ) i l + a k e - m1 2 式( 2 - 1 6 ) 式( 2 - 1 8 ) 给出的模型就是自回归( a a u t o - r r e g r e s s i v e ) 模型简称 a r 模型。“自回归的含义是：该模型现在的输出是现在输入和过去的p 个输出 的加权和。 ( 2 ) a i , 口2 ，口p 全为零，那么可以得到： x ( 玎) = “o 一七) = “o ) + 仇“( n - k ) ，其中b 。= l ( 2 1 9 ) 日( z ) = 曰( z ) = l + 玩z 。 ( 2 2 0 ) k = l b ( ) = 万2l l + 2 , b k e - m1 2 ( 2 2 1 ) 式( 2 - 1 9 ) ( 2 - 2 1 ) 给出的模型称为移动平均模型，简称m a ( m o v i n g a v e r