Радиолокационная система предупреждения проезда поездом светофора

 

Изобретение относится к области радиолокации, приборостроению и может быть использовано в железнодорожном транспорте. Изобретение направлено на упрощение аппаратуры и повышение точности. Радиолокационная система предупреждения проезда поездом светофора включает запросное и ответное радиолокационные устройства (полуРЛС), каждое из которых содержит антенну, приемопередатчик, пороговый блок с регистратором и ключом торможения на локомотиве поезда и ключ включения и выключения полуРЛС на светофоре. Запросная и ответная полуРЛС выполнены идентичными, при этом приемопередатчики выполнены на усилителе СВЧ отражательного типа, например на диоде Ганна, к анодной цепи которого последовательно подключены узкополосный низкочастотный фильтр, например, на поверхностно-акустических волнах (ПАВ), причем ПАВ-фильтр настроен на частоту , где τ_з - величина запаздывания электромагнитной волны (С_о) между поездом и светофором на дальности l_о при предупреждении (торможении), к выходу низкочастотного фильтра приемопередатчика подключены соответственно на светофоре тракт исполнения команды, а на поезде пороговый блок с регистратором и ключом торможения. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области управления железнодорожным транспортом.

Необходимость в автоматизированных средствах регулирования движения железнодорожных поездов вызвана значительной длиной тормозного пути поезда - 1000 м и более.

В настоящее время в железнодорожном транспорте регулирование движения поездов осуществляется светосигнальной системой (светофоры) и системой автоблокировки, связанной с светосигнальной системой и диспетчерскими пунктами рельсовыми путями [1] И тем не менее обе эти системы не в полной мере обеспечивают безопасность движения в неблагоприятных метеоусловиях и при различных факторах выключения внимания машиниста (усталость, обморок, сон и др.), и, как показывает практика, требование светофора (красный свет) по отмеченным причинам зачастую не выполняется, что чревато либо приводит к серьезным последствиям.

Настоящее развитие радиоэлектроники и в первую очередь радиолокации позволяет создать полностью автоматическую систему предупреждения проезда и даже автоматизированного торможения поезда. Имеется информация о зарубежном внимании к подобной проблеме [2, 3] Подобная система, использующая традиционно импульсную радиолокацию и включающая активный локатор, устанавливаемый на локомотиве поезда, и ответное радиолокационное устройство на светофоре (или наоборот), широко известна в навигации (судоходстве, авиации) и в дальнейшем принята прототипом предложению.

Однако в известном виде подобная радиолокационная запросно-ответная радиолокационная система (РЛС) малоприемлема в железнодорожном транспорте из-за ее большой функциональной сложности, а также большой мощности вредного сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения передатчиков подобных РЛС (единицы кВт), не позволяющих их использование в густонаселенных местностях.

Для железнодорожного транспорта требуется создание функционально простой, недорогой, надежной, высокоточной и постоянно не излучающей в пространство радиолокационной системы предупреждения проезда поездом светофора.

Отвечающие указанным требованиям запросно-ответные системы в настоящее время отсутствуют как у нас, так и за рубежом и необходимо их создание на совершенно новой основе.

Целью настоящего предложения является упрощение, повышение точности и снижение вредного излучения РЛС.

Для реализации этой цели предложена радиолокационная система предупреждения (РСП) проезда поездом светофора, включающая запросное и ответное радиолокационные устройства (полуРЛС), каждое из которых содержит антенну, приемопередатчик. Согласно предложению запросная и ответная полуРЛС выполнены идентичными, при этом приемопередатчики выполнены на усилителе СВЧ, например, отражательного типа, например на диоде Ганна, к анодной цепи которого подключен узкополосный низкочастотный фильтр, например, на поверхностно-акустических волнах (ПАВ) на частоте , где τ_з величина запаздывания электромагнитной волны между поездом и светофором на дальности l₀ предупреждения (торможения), к выходу низкочастотного фильтра приемопередатчика подключены соответственно на светофоре тракт обратного контроля, а на поезде пороговый блок с регистратором и ключом торможения.

Наличие отличительных признаков обусловливает соответствие заявляемого технического решения критерию "новизна". Сочетание отличительных признаков и свойств предлагаемой системы из литературы неизвестно, поэтому она соответствует критериям новизны и изобретательного уровня.

На фиг. 1 приведена обобщенная схема предлагаемой системы; на фиг. 2 - детальная схема предложения; на фиг. 3 теоретическая модель СПС; на фиг. 4 - фото макета системы и результаты эксперимента.

Радиолокационная система предупреждения проезда светофора поездом, приведенная на фиг. 1, 2, содержит одинаковые по функциональному построению запросное и ответное радиолокационные устройства (полуРЛС), одно из которых установлено на светофоре и включается ключом включения красного света, а другое установлено на сближающемся со светофором поезде. Оба устройства создают пространственную (разнесенную) радиолокационную станцию. Каждая полуРЛС содержит одинаковые приемопередающую антенну 1, приемопередатчики, включающие усилитель СВЧ отражательного типа 2, например, на диоде Ганна, установленном на удалении четверти длины волны от короткозамыкателя 3 волновода 4 антенно-волноводного тракта (АВТ) приемопередающей антенны 1. Катод усилителя СВЧ 2 соединен с волноводом 4 АВТ, а к аноду через разделительный по питанию конденсатор С подключен узкополосный фильтр 5. К выходу фильтра 5 на светофоре подключен тракт контроля исполнения команды 6₁, а на локомотиве поезда пороговый блок 6₂ c регистратором и ключом торможения. Фильтр 5 на поверхностно-акустических волнах (ПАВ) имеет центральную частоту Ω_o, пропорциональную величине запаздывания Т_з электромагнитной энергии между поездом и светофором на дальности предупреждения (торможения): где c_o скорость света в свободном пространстве.

Полоса пропускания фильтра 5 ΔΩ определяется требуемой точностью определения дальности торможения l_o. Теоретической основой предложения является то, что обе полуРЛС, каждая из которых является одновременно и запросной и ответной РЛС (полуРЛС), составляют пространственную систему с задержанной обратной связью (ЗОС), в которой оба ретранслятора (обе полуРЛС) представляют, как показано на фиг. 3а (распределенная схема), элементы усиления (собственно усилителя 6₁, антенны 6_A), а пространство между ретрансляторами (светофором и поездом) представляют собой линию задержки t_з (туда и обратно) с затуханием сигнала 2P. В обобщенном виде система с ЗОС приведена на фиг. 3б. Теория систем с ЗОС [4] показывает, что они обладают многочастотностью ("гребенчатый фильтр"), а автогенераторы с ЗОС способны генерировать на частотах, эквидистантно расположенных через частотные интервалы . Экспериментально подтверждено, что подобный автогенератор с ЗОС на диоде Ганна генерирует многочастотный линейный спектр с разносом частотных составляющих через и что в анодной цепи диода Ганна присутствует видеочастота Ω_o,, которая возможно выделить низкочастотным фильтром 5, а затем видеосигналом с помощью порогового устройства 6 включить на поезде регистратор и ключ торможения, а на светофоре передать сигнал обратного контроля об исполнении команды "красного" света. Каждая полуРЛС имеет маломощный усилитель СВЧ 2 с выходной мощностью десятки или сотни милливатт и относительно небольшим усилением (6₁ ≈ 20-30 дБ), что с учетом усиления антенны на прием и передачу (6_A ≈ 30 дБ) имеет относительно невысокий энергетический потенциал и не излучает в пространство, за исключением собственных шумов усилителя, пока поезд не достигнет требуемой дальности l_o. Система предупреждения и торможения излучает в пространство радиосигнал малой мощности только при достижении требуемой дальности l_o, а после торможения снова выключается. Это снижает уровень вредных излучений.

Предлагаемая система работает следующим образом.

При сближении поезда и светофора до дистанции предупреждения и торможения l_o происходит самовозбуждение через пространство пространственной РЛС (автогенератора с ЗОС) от многократной циркуляции собственных шумов между обеими полуРЛС и они совместно генерируют линейчатый СВЧ-спектр с отстоянием частот генерации через Ω.

По мере сближения W _→ Ω_o и в момент соответствия дальности предупреждения l _→ l_o фильтром 5 выделяется частота , которая в пороговом устройстве регистрируется и включает ключ торможения, после чего поезд останавливается автоматически перед светофором. На светофоре частота Ω_o преобразуется в сигнал обратного контроля, который передается на диспетчерские пункты как сигнал исполнения команды остановки поезда.

Указанная последовательность работы приемопередатчика и выделения частоты Ω_o одновременно выполняется на поезде и светофоре.

Предлагаемая система предупреждения по отношению к прототипу (светосигнальному светофору) обладает следующими технико-экономическими преимуществами: повышает эффективность, так как практически не зависит от метеоусловий и снижения внимания машиниста; позволяет без участия машиниста остановить в опасной ситуации движение.

По отношению к традиционным запросно-ответным РЛС предлагаемая радиолокационная система обладает следующими преимуществами. Она имеет более простую схему, а следовательно, большую надежность и меньшую стоимость, так как в ней отсутствуют сложные и различные по построению запросная и ответная РЛС, а в каждой РЛС отсутствуют раздельный приемник и передатчик и ряд сложных элементов. В предложении передача, прием, детектирование осуществляются на одном кристалле диода Ганна. Т.е. предложена однокристальная РЛС. Она имеет существенно более простую организацию работы, так как предлагаемая система самоорганизующаяся и при приближении к наперед заданной дальности вырабатывается одинаковый для обоих абонентов сигнал в одно и то же время. Она имеет существенно более высокую (на один два порядка) точность измерения дальности.

В Ростовском НИИ радиосвязи и Ростовском институте железнодорожного транспорта разработано техническое предложение, причем на первом создан и испытан принципиальный макет разнесенной РЛС по данной схеме в диапазоне 40 ГГц (см. фиг. 4а), на котором с использованием ПАВ-фильтра проверена возможность определения команд заданной дальности. На фиг. 4б показана зависимость l = f(Ω). На этом макете получена точность измерения дальности Δl лучше, чем 10^-4 от дальности l.

Подобная однокристальная РЛС должна быть очень простой и недорогой в серийном производстве, причем наибольшую в ней долю стоимости составляет антенная система, которая при массовом серийном производстве должна быть недорогой.

Литература 1. А. А.Леонов и др. Техническое содержание устройств автоблоктровки. М. Транспорт. 1972 г.

2. Комаров В.М. и др. Системы предупреждения столкновения наземных транспортных средств. Ж. Зарубежная радиоэлектроника. 1980 г. N 4, стр. 54-74.

3. Шелухин О.И. Радиосистемы ближнего действия. М. Радио и связь. 1989 г. стр. 221-226.

4. Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы. М. Сов. радио. 1967. т.2.

Формула изобретения

1. Радиолокационная система предупреждения проезда поездом светофора, включающая запросное и ответное радиолокационные устройства, каждое из которых содержит антенну и приемопередатчик, отличающаяся тем, что запросное и ответное радиолокационные устройства выполнены идентичными, при этом приемопередатчики выполнены на усилителе сверхвысоких частот отражательного типа на диоде Ганна, к анодной цепи которого последовательно подключен узкополосный низкочастотный фильтр, настроенный на частоту где τ_з- величина запаздывания электромагнитной волны между поездом и светофором на дальности l₀ при торможении, к выходу низкочастотного фильтра приемопередатчика подключены соответственно на светофоре тракт контроля исполнения команды, а на поезде пороговый блок с регистратором и ключом торможения.

2. Радиолокационная система предупреждения проезда поездом светофора по п. 1, отличающаяся тем, что узкополосный низкочастотный фильтр выполнен в виде фильтра на поверхностно-акустических волнах.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4