CN219245760U - 车载多普勒雷达检测器及检测器阵列 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种车载多普勒雷达检测器及其组成的检测器阵列。所述检测器包括外壳和内部元件，外壳用于安装固定及保护其内部元件，且能够固定于有轨车辆并随该有轨车辆沿着轨道移动。内部元件包括多普勒雷达发射接收控制主板组件（13）和多普勒雷达天线组件（15）。控制主板组件（13）用于通过多普勒雷达天线组件（15）向所述轨道发射雷达波束并接收雷达波束反射信号，生成雷达数据。该雷达数据包含多普勒特征信息，该多普勒特征信息用于判断检测目标的状态。本实用新型能够检测机车、轨道和路基当前健康状态及其长期变化趋势。

Description

车载多普勒雷达检测器及检测器阵列

技术领域

本实用新型涉及轨道交通检测领域，具体涉及车载多普勒雷达检测器和车载多普勒雷达检测器阵列，用于检测有轨车辆的运行状态，或者轨道及路基健康状态。

背景技术

现有的用于交通检测领域的多普勒雷达检测器一般用于车辆测速。例如，授权公告号为CN213935186U的中国实用新型公开了一种便携式移动雷达测速仪，其包括支架以及安装在支架上的测速仪壳体，测速仪壳体内设置有主板以及与主板连接的雷达，测速仪壳体上设置与主板连接的液晶触摸屏和开关电源，测速仪壳体的顶部安装有与主板通讯连接的高清相机和与高清相机通讯连接的无线网卡，雷达能够对车辆进行测速并输出目标车辆速度信息，从而直接驱动高清相机进行抓拍。

然而，该多普勒雷达检测器检测精度低，只能实现了对行驶车辆的超速、占道等交通违法行为进行动态抓拍，无法对交通道路本身的情况进行动态检测。随着高速铁路的建设和城市地铁交通的发展，有轨交通越来越普及。轨道的扣板扣件、螺纹道钉是轨道系统的关键部件之一，关系到整个轨道系统的车辆行车安全。扣板扣件、螺纹螺钉的丢失、移位都会产生行车隐患。此外，地基和轨道上的异动和异物也会造成机车运行的安全隐患。因此，需要一种能够对机车及其线路沿线的轨道和路基的当前健康状态及其长期变化趋势进行监测的多普勒雷达检测装置。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本实用新型旨在解决现有的多普勒雷达检测器无法对机车及其线路沿线的轨道和路基的当前健康状态及其长期变化趋势进行监测的问题。

（二）技术方案

为解决上述技术问题，本实用新型一方面提出一种车载多普勒雷达检测器，包括外壳，其用于安装固定及保护其内部元件，所述外壳能够固定于有轨车辆并随该有轨车辆沿着轨道移动；所述内部元件包括多普勒雷达发射接收控制主板组件和多普勒雷达天线组件；所述多普勒雷达发射接收控制主板组件用于通过多普勒雷达天线组件向所述轨道发射雷达波束并接收雷达波束反射信号，生成雷达数据，该雷达数据包含多普勒特征信息，该多普勒特征信息用于判断检测目标的状态。

根据本实用新型的优选实施方式，所述多普勒雷达发射接收控制主板组件包括一个雷达检测芯片，该雷达检测芯片集成有雷达波束发射和接收功能和雷达数据处理功能。

根据本实用新型的优选实施方式，所述多普勒雷达发射接收控制主板组件包括雷达收发器和数据处理器，该雷达收发器具有雷达波束发射和接收功能，所述数据处理器具有雷达数据处理功能。

根据本实用新型的优选实施方式，所述内部元件还包括多普勒雷达机芯主板组件，该多普勒雷达机芯主板组件包括主控芯片，以用于控制其他各内部元件的操作。

根据本实用新型的优选实施方式，所述主控芯片还用于对所述雷达数据进行处理以生成本地运算数据。

根据本实用新型的优选实施方式，该多普勒雷达机芯主板组件还包括存储器，其用于存储所述雷达数据和/或所述本地运算数据。

根据本实用新型的优选实施方式，所述内部元件还包括通信模块及I/O接口，其用于将雷达数据及本地运算数据通过有线或无线的方式传送到其他装置或服务器。

根据本实用新型的优选实施方式，所述内部元件还包括电源管理模块组件，其用于为其他内部元件提供电能。

根据本实用新型的优选实施方式，所述多普勒雷达天线组件包括支持MIMO 雷达波形的采用DDMA波形下的阵列天线。

本实用新型第二方面提出一种车载多普勒雷达检测器阵列，由安装于同一轨道车辆的多个雷达检测器组成。

（三）有益效果

本实用新型将用于检测轨道状态的多普勒雷达发射接收控制主板组件和多普勒雷达天线组件集成在一个器件中，使得装置外形规整、功能完备且便于安装。

本实用新型的车载多普勒雷达检测器包括有阵列天线，便于多个车载多普勒雷达检测器组成检测器阵列，从而提高检测的范围和精度。

本实用新型利用雷达的多普勒效应，实现了对雷达口径的径向方向运动目标的高速探测。由此结合铁轨的特性，可以但不限于在高速运动的列车上实现监测并定位轨道上扣板扣件、螺母螺钉的丢失、位移、轨道缺失、以及轨道上的异物和异动等轨道健康状态。

附图说明

图1是本实用新型的车载多普勒雷达检测器的实施例的整体结构图。

图2是本实用新型的车载多普勒雷达检测器的实施例的内部结构爆炸图。

图3是本实用新型的车载多普勒雷达检测器阵列的实施例安装在列车底部、铁轨上方的剖视图。

图4是本实用新型的车载多普勒雷达检测器的实施例中铁轨道钉螺母松动引起轨道扣板旋转的故障示意图。

图5是本实用新型的车载多普勒雷达检测阵列的整列安装示意图。

具体实施方式

在下文中，将结合示例性实施例来详细说明本实用新型的车载多普勒雷达检测装置、阵列和方法。在附图中相同的元件用相同的附图标记标注。

在本实用新型中披露详细的说明实施例。但是，为了描述示例实施例的目的，本实用新型中披露的特定的结构和功能细节仅仅是代表性的。然而，本实用新型可以以诸多可替换的形式实施，并且不应当被解释为仅仅局限于本实用新型中陈述的实施例。

因此，虽然示例实施例能够为各种修改和可替换的形式，但是，这些实施例在附图中以示例的方式示出并在这里被详细地描述。但是，应该理解，不应当将示例实施例限制为所披露的特定形式。相反，示例实施例覆盖落入在本公开的范围内的所有的修改、等同物和可替换物。在对附图的整个描述中，相同的标号表示相同的元件。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

虽然在本实用新型中可以使用术语“第一”、“第二”等来描述各种元件，但是这些元件不应当受这些术语的限制。这些术语仅仅用于将一个元件与另一个元件区分开。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，类似地，第二元件可以被称为第一元件。如这里所使用的，术语“和/或”包括相关列举项目中的一个或多个的所有的任何组合。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“结合”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型中使用的术语仅仅出于描述特定实施例的目的，并且不应当是限制性的。如本实用新型中使用的，单数形式“一个”、“一种”和“该”应当也包括复数形式，除非上下文中明确地另有说明。将会进一步理解，术语“包括”、“包含”、“含有”和/或“具有”在本实用新型中使用时指定所述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但是不排除一个或多个其它的特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其集合的存在或添加。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

为了解决现有的车载多普勒雷达检测器无法对机车及其线路沿线的轨道和路基的当前健康状态及其长期变化趋势进行监测的问题，本实用新型提出一种车载多普勒雷达检测器，包括外壳和外壳内部的元件，或称为内部元件。外壳用于安装固定及保护其内部元件，且能够固定于有轨车辆并随该有轨车辆沿着轨道移动。所述内部元件包括多普勒雷达发射接收控制主板组件和多普勒雷达天线组件；所述多普勒雷达发射接收控制主板组件用于通过多普勒雷达天线组件向所述轨道发射雷达波束并接收雷达波束反射信号，生成雷达数据，该雷达数据包含多普勒特征信息，该多普勒特征信息用于判断检测目标的状态。

下面通过图1和图2来描述本实用新型的车载多普勒雷达检测的雷达检测装置的具体实施方式，在下面的实施例中，车载多普勒雷达检测的雷达检测装置实施为一个车载多普勒雷达检测器。图1是本实用新型的车载多普勒雷达检测器的实施例的整体结构图，图2是该实施例的内部结构爆炸图。

如图1所示，该实施例的车载多普勒雷达检测器大致呈长方体，外壳表面上伸出输入输出接口。此外，虽在图1中未示出，该外壳上优选为设置有将其本身固定在其他部件上的固定结构，以便于固定于有轨车辆并随该有轨车辆沿着轨道移动。

如图2所示，在爆炸图中可看出，该车载多普勒雷达检测器前壳11、多普勒雷达机芯主板组件12、多普勒雷达发射接收控制主板组件13、通信模块及I/O接口14、多普勒雷达天线组件15、电源管理模块组件16和后壳17。

前壳11和后壳17组成车载多普勒雷达检测器的外壳，用于安装固定及保护多普勒雷达机芯主板组件12、多普勒雷达发射接收控制主板组件13、通信模块及I/O接口14、多普勒雷达天线组件15、电源管理模块组件16。

该实施例的多普勒雷达机芯主板组件12包含但不限于多普勒雷达装置主板、主控模块及存储模块等。本实施例中，主控模块由主芯片MTK8878微处理器实现，但本实用新型并不排除其他具有数字处理功能的其他器件的实施方式，例如其也可以是FPGA，DSP等。存储模块的存储器空间在多普勒雷达装置主板、主控模块、电源管理模块组件、多普勒雷达天线组件分配，支撑各个功能器件完成其功能。存储模块可以为但不限于NAND FlashMemory、存储器卡或mini-SD/T-Flash/RS-MMC等具有可读写功能的存储器。

该实施例的多普勒雷达发射接收控制主板组件13采用的是单芯片方案，例如采用TI公司的芯片AWR2944，将毫米波雷达的雷达发射接收功能和检测功能集成在一个芯片内。在其他实施例中，单个芯片还可能集成通信功能。但是，本实用新型包含但不限于单芯片方案，也可以雷达波束发射和接收功能和雷达数据处理功能分别设计在不同的芯片及模块内，也可以使用多个单芯片组合FMCW收发器的成像雷达，看产品的具体实施而定。为实现数据处理功能，例如可包含数模转换器（ADC）功能、数字信号处理功能和安全管理功能。ADC将接收到的信号转换化数字信号；数字信号处理功能通常是数字信号处理器（DSP），用于但不限于快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform, FFT）、对数幅度、存储器压缩等操作；数据和设备安全管理功能是在必要的时候产生该处理模块或其服务的设备特定密钥，保障设备和数据的安全。

雷达发射接收模块功能的实现例如包含调频连续波雷达收发器（FrequencyModulated Continuous Wave, FMCW）、收发器集成反馈控制电路（简称：锁相环（PLL,Phase-Locked Loop））、发送器、接收器。本实施例可发送和接收76GHz 至 81GHz 的覆盖范围，具有 5GHz 的可用带宽，同时有多个接收通道和多个发送通道，每个通道带PCB 天线接口及发送移相器，也包含基于分数 N PLL 的超精确线性调频脉冲引擎。

该实施例的通信模块及I/O接口14包括通信模块和I/O接口，通信模块是负责将信号处理中心收集到的雷达数据及本地运算数据通过有线或无线的方式传送到其他装置或服务器，无线的制式包括但不限于NFC（近距离无线通信技术）、BT（蓝牙）、WIFI（无线网路通信技术）、UWB、2G/3G/4G/5G/LTE等移动网络技术、FM（调制通信技术）等。有线的制式包括但不限于光纤通信或其他通信。

I/O接口包括移动网络的I/O接口、光通信网络的I/O接口以及其他方式的I/O接口，设备的I/O接口包含接收数据，发射数据，以及网络层的数据包转发，数据包转发可以支持多种协议（如但不限于TCP/IP、IPX/SPX、AppleTalk）等协议。

该实施例的多普勒雷达天线组件15包含但不限于四组雷达发射天线和四组雷达接收天线组成的阵列。本实施例的雷达天线组件15支持复杂的DDMA(多普勒分集发射)波形，通过DDMA的多天线同时发射，结合毫米波接收/发射模块的检测信号链，获得更高的SNR(信噪比)和更远的探测距离，从而全面提升雷达的性能。

该实施例的多普勒雷达天线组件15包含但不限于四发四收的组合。按照需求，既可以实际增加或减少雷达收发天线的组合数量，也可以通过MIMO(多输入多输出)技术来增加雷达的虚拟通道数，从而提高雷达的角度分辨率。

该实施例的多普勒雷达天线组件15包含但不限于支持MIMO 雷达的波形采用DDMA波形下的阵列天线，也包括其他的高增益阵列天线和宽波束阵列天线等。

该实施例的电源管理模块组件16包含外接电源和内置电池，外接电源口由DC-Jack机械结构件或\USB\Micro USB\USB Type C机械结构件中任意一个。内置电池是负责在装置没有连接外接电源线，或使用的过程中停电的状态下提供不间断的电源。

该实施例的多普勒雷达机芯主板组件12、多普勒雷达发射接收控制主板组件13、通信模块及I/O接口14可以整合成一块主板组件，也可以分离成多块主板组件。

作为优选实施方式，所述多普勒雷达发射接收控制主板组件13还包括惯导传感器，惯导传感器用于检测所述雷达检测装置相对于铁轨的实时位置信息，该实时位置信息用于信号处理子模块实时校准所述雷达数据。例如，机车振动导至的偏差可以通过惯导传感器数据实时矫正，具体可以在一定距离内与铁轨旁的CP III对标校准。CP III为基桩控制网，沿线路布设的三维控制网，平面控制起闭于基础平面控制网（CPⅠ）或线路控制网（CPⅡ），高程控制起闭于沿线路布设的二等水准网，一般在线下工程施工完成后施测，为无砟轨道铺设和运营维护的基准。

本发明的一个实施例的所述车载多普勒雷达检测器可构成车载多普勒雷达检测器阵列，由此，所述天线模块是MIMO天线模块，其通过MIMO(多输入多输出)技术来增加雷达的虚拟通道数，从而提高雷达的角度分辨率。MIMO 雷达的基本概念，对于一个包含NTx根发射天线，NRx根接收天线的雷达系统，可以通过合适的天线布局和波形设计来形成一个NTx×NRx的虚拟天线阵列，增加(虚拟)天线数，从而提高角度分辨率。本实施例使用MIMO 雷达的波形设计技术。简单地说，为了形成虚拟天线阵列，发射端必须能在某个维度将NTx根发射天线的波形复用起来，接收端在接收到这个波形后必须能在相同的维度将NTx根发射天线的波形分离出来。根据波形设计中这个复用/ 分离维度的选择，本实施例MIMO 雷达的波形采用DDMA(Doppler 维多址), DDMA 波形下所有发射天线同时发射，但是每个发射天线的信号都偏移一个特定的频率，通过这个人为偏移的频率使不同发射天线的信号在Doppler 域上能分离开来。在DDMA 波形下，一个目标在不同发射天线的信号照射下所形成的回波中检测到的速度值是不同的，利用这种速度的不同，对一个目标我们可以把不同发射天线的信号在接收端分离出来。

多普勒雷达天线组件15包含但不限于支持MIMO 雷达的波形采用DDMA波形下的阵列天线，也可以由其他的高增益阵列天线和宽波束阵列天线等实现。

此外，本实用新型的雷达检测装置支持独立工作连接联网与不联网两种状态下的数据提取。在不联网状态下，多普勒雷达装置可通过但不限于NFC（近距离无线通信技术）、BT（蓝牙）、红外、WIFI（无线网路通信技术）、UWB等方式实现数据交换。在联网状态下，支持但不限于以2G/3G/4G/5G/LTE等移动网络，或者其他连接Internet方式实现数据交换。通信模块107可以包括光通信。光通信可以为光纤数据传输模块。更具体地，光通信模块可以为两进两出光纤数据传输模块，实现自愈环网络功能。

图3所示是本实用新型的车载多普勒雷达检测器阵列安装在列车底部、铁轨上方的剖视图。该实施例中，在列车底部安装一排7个车载多普勒雷达检测器U11、U12、…、U17。各检测器相对于铁轨的距离是固定的（机车振动的偏差已经通过惯导传感器数据实时矫正）。当车载多普勒雷达检测器随着列车从铁轨上方高速驶过的时候，可以根据各个反射波束的多普勒快速变化探测到枕木C1、铁轨C2、扣件组件C3等相对于雷达径向深度信息的快速变化，产生并获取到相应的多普勒特征信息。

图4是本实用新型的车载多普勒雷达检测器的实施例中铁轨道钉螺母松动引起轨道扣板旋转的故障示意图。结合附图4可以看到，当扣件C3发生异常的时候，会反馈回来不同的多普勒特征信息，从而实现扣件异常状态的定位。

除了图4所述的监测并定位轨道上固定位置固定结构件是否有位移的故障，还可以判断结构件是否缺失，并得到被测异物有关物质定性，尺寸大小等部分信息。

本实用新型实施例的车载多普勒雷达检测器可以单独使用，也可以将多个器件组合作为系统使用，例如在实际应用中，可以采取如图5所示两列雷达检测器阵列并行安装的设计，增加测量冗余度，提高测量准确率。同时为了处理数据的方便，还可以在列车内设置主机（状态分析装置）与上述雷达检测装置（车载多普勒雷达检测器）实时互动，或者使用云端服务器对数据进行处理。

尽管上面已经结合示例性实施例及附图描述了本实用新型，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。

Claims (10)

1.一种车载多普勒雷达检测器，包括外壳，其用于安装固定及保护其内部元件，其特征在于，

所述外壳能够固定于有轨车辆并随该有轨车辆沿着轨道移动；

所述内部元件包括多普勒雷达发射接收控制主板组件（13）和多普勒雷达天线组件（15）；

所述多普勒雷达发射接收控制主板组件（13）用于通过多普勒雷达天线组件（15）向所述轨道发射雷达波束并接收雷达波束反射信号，生成雷达数据，该雷达数据包含多普勒特征信息，该多普勒特征信息用于判断检测目标的状态。

2.如权利要求1所述的车载多普勒雷达检测器，其特征在于，所述多普勒雷达发射接收控制主板组件（13）包括一个雷达检测芯片，该雷达检测芯片集成有雷达波束发射和接收功能和雷达数据处理功能。

3.如权利要求1所述的车载多普勒雷达检测器，其特征在于，所述多普勒雷达发射接收控制主板组件（13）包括雷达收发器和数据处理器，该雷达收发器具有雷达波束发射和接收功能，所述数据处理器具有雷达数据处理功能。

4.如权利要求1所述的车载多普勒雷达检测器，其特征在于，所述内部元件还包括多普勒雷达机芯主板组件（12），该多普勒雷达机芯主板组件（12）包括主控芯片，以用于控制其他各内部元件的操作。

5.如权利要求4所述的车载多普勒雷达检测器，其特征在于，所述主控芯片还用于对所述雷达数据进行处理以生成本地运算数据。

6.如权利要求5所述的车载多普勒雷达检测器，其特征在于，该多普勒雷达机芯主板组件（12）还包括存储器，其用于存储所述雷达数据和/或所述本地运算数据。

7.如权利要求5所述的车载多普勒雷达检测器，其特征在于，所述内部元件还包括通信模块及I/O接口（14），其用于将雷达数据及本地运算数据通过有线或无线的方式传送到其他装置或服务器。

8.如权利要求1至7中任一项所述的车载多普勒雷达检测器，其特征在于，所述内部元件还包括电源管理模块组件（16），其用于为其他内部元件提供电能。

9.如权利要求1至7中任一项所述的车载多普勒雷达检测器，其特征在于，所述多普勒雷达天线组件包括支持MIMO 雷达波形的采用DDMA波形下的阵列天线。

10.一种车载多普勒雷达检测器阵列，其特征在于：由安装于同一轨道车辆的多个车载多普勒雷达检测器组成，所述车载多普勒雷达检测器为权利要求9所述的车载多普勒雷达检测器。

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