双信道应答器多天线间的互耦分析及降耦研究

双信道应答器内部4个不同频率的天线间的互耦,破坏天线的调谐状态,影响天线的正常工作。基于天线的串、并联等效电路,推导天线带宽的计算公式;建立双信道应答器多天线的三维仿真模型,对串联等效电路进行仿真分析。结果表明:多天线间的互耦使损耗电阻增加,等效电感和自谐振频率减小,同时使天线间产生转移阻抗,进而导致调谐频率偏移;4.234 MHz FSK发射天线至27.095 MHz接收天线、9.032 MHz PSK发射天线至27.095 MHz接收天线、9.032 MHz PSK发射天线至4.234 MHz FSK发射天线、4.234 MHz FSK发射天线至9.032 MHz PSK发射天线的传输系数均大于-10dB。在4.234 MHz FSK发射天线和9.032MHz PSK发射天线的信号输出端增加低通滤波器后,天线间的传输系数均降低到-10dB以下,表明加载低通滤波器可有效降低多天线间的传输系数,从而实现了多天线间的降耦。     

应答器传输系统作用过程分析

应答器传输系统由地面应答器、车载天线单元和车载应答器接收单元组成。列车高速移动时,车载天线单元相对应答器产生时空变化,传输信道形成时变特性。基于电磁场理论,解释应答器传输系统的工作原理,阐述其电感耦合的本质。通过研究应答器输入输出随空间变化关系、输出随时间变化关系,分析应答器输入输出特性,得到在系统射频能量传输过程中,应答器和车载天线单元在不同空间位置时的作用过程。通过模拟仿真,反映出应答器传输系统的时变非恒参过程,以及相对距离的变化对传输效能的影响。并以耦合系数S_(21)为研究对象,探讨空间位置对S_(21)的影响。     

安装高度及角度偏差对应答器作用距离影响研究

应答器报文传输的准确性直接影响行车安全，针对应答器传输系统作用过程，分析其工作原理，研究安装高度与角度偏差对应答器作用距离的影响。以应答器上行链路信息传输为研究对象，建立矩形天线空间磁场分布、BTM接收上行链路信号幅度及应答器角度偏差理论模型，仿真不同安装高度、角度偏差下车载天线接收上行链路信号幅度曲线，计算分析上述条件下应答器作用距离变化情况。研究表明：(1)车载天线与应答器间垂直距离为360 mm时，作用距离达到最大，为737.6 mm;(2)应答器发生倾斜对其作用距离影响较小，俯仰角越大，应答器两侧作用距离、磁场强度呈相反变化越明显，作用距离随偏转角增大呈线性递减，相比纵向安装，应答器横向安装平均作用距离减小114.4 mm;(3)车载天线与应答器间垂直距离越大，容许偏转角偏差越大。     

应答器传输系统的电磁耦合机理及工程安装优化研究

应答器传输系统是一种基于电磁耦合机理的自动识别系统,目前已广泛应用于国内外的高速铁路及城市轨道交通系统。为了解决应答器传输系统在工程应用中存在的问题(如安装模式优化、系统可靠性等),有必要对该系统的电磁耦合机理做深入的研究,探究其蕴含磁现象的物理本质。本文深入分析了车载天线与地面应答器之间能量和数据的传输过程,建立了应答器I/O特性、射频磁场分布、信号辐射模式等理论模型,给出了计算应答器作用距离的一般步骤;并在此基础上,研究了地面应答器横向、纵向2种安装模式的本质差异,评估了2种安装模式对不同安装高度、横向偏移的适应性,给出了2种安装模式的优化参数。实测数据与理论分析相符,表明该理论分析方法能够有效地分析应答器系统的物理本质,对于应答器系统的优化、工程安装模式的选择具有一定的指导意义。     

车载BTM天线电磁干扰耦合规律研究

在地面应答器与车载BTM天线进行信号传输的过程中,车载设备很容易受到电磁干扰,其中以瞬态脉冲干扰最为频繁也最为严重,开展车载BTM天线的电磁干扰耦合规律研究,掌握其干扰耦合特性,对于保障列车信号正常传输具有重要意义。本文首先从应答器系统的工作原理与传输特性出发,对车载BTM天线进行仿真建模分析;针对典型脉冲干扰信号进行时域、频域以及能量分布分析;基于建立的车载BTM天线模型,仿真计算了车载BTM天线端口耦合电流在不同类型、不同极化角度、不同入射角度干扰信号影响下的大小。研究表明,在水平极化脉冲信号干扰下,其对车载BTM天线造成的电磁干扰影响远大于垂直极化,且当其入射方向与车载BTM天线主瓣方向一致时,对车载BTM天线的影响最大。     

冗余BTM天线最小安装距离研究

针对加载冗余车载设备时列车底部安装空间有限的问题,分别对冷备、热备冗余天线与应答器传输模块BTM天线间的最小安装距离进行研究。利用FEKO软件建立单个BTM天线、安装冷备冗余BTM天线、安装热备冗余BTM天线3种模型。研究冷备、热备冗余天线在不同安装距离条件时BTM天线的有效作用范围,找出冗余天线对BTM天线有效作用范围产生影响的临界点,即冷备、热备冗余BTM天线的最小安装距离。研究结果表明,冷备冗余天线的最小安装距离为1.12m,热备冗余天线的最小安装距离为3m。冗余BTM天线最小安装距离研究压缩了冗余车载设备在列车底部的占用空间,提高了其在机车上安装的灵活性。     

分相区应答器传输系统电磁干扰分析及防护技术研究

应答器传输系统是列车运行控制系统的重要组成部分,其安装位置处的电磁环境复杂,实际运行中因电磁干扰导致的BTM故障频发,给列车安全运行造成隐患。为提高应答器传输系统的电磁兼容性能,研究分相区应答器传输系统的电磁干扰并提出相应的防护方案。对分相区弓网放电的原因进行理论分析,测量过分相时BTM上行链路频段内的电磁辐射骚扰;通过对列车及应答器传输系统建模仿真,研究分相区弓网放电对应答器传输系统车载天线的电磁干扰耦合规律;最后根据电磁干扰空间耦合的特点,提出阻断其能量耦合通路的防护措施,设计CAU天线定向约束屏蔽装置,在实验室测量其屏蔽效果,并在现场进行运行试验。结果表明,CAU天线加装屏蔽板后,BTM工作频带内的3～3.5 MHz处差模骚扰降低幅度可达20 dB左右,同时BTM报文质量由0.83提高到0.91,说明提出的CAU天线定向约束屏蔽方案能够有效提高CAU天线的抗干扰性能,同时也不会影响BTM的正常信号传输,从而保证应答器传输系统的正常通信技术要求,有望降低应答器传输系统的故障率,具有较高的推广应用价值。     

基于电磁感应原理的应答器系统旁瓣成因分析及应用

广泛应用于CTCS-2与CTCS-3的应答器系统在车地信息传输过程中产生的感应电压幅值包络由于存在旁瓣结构,在算法设计时需要设置阈值区分旁瓣与主瓣,避免发生将包络中的多瓣结构识别为多个应答器等故障,还需在安装与维护过程中适当降低安装高度,防止信号衰减到无法识别。针对旁瓣问题,通过建立双线圈电磁感应耦合模型,对列车运行过程中应答器系统电磁耦合的感应电压进行计算,并结合天线的结构分解电磁信号耦合中的磁感应强度,分析天线各部分产生的磁感应强度垂直分量及其在接收天线中形成的感应电压,得出天线垂直于钢轨铺设方向的横向对边和平行于钢轨铺设方向的纵向对边的感应电压瞬时方向相反,且对应的幅值不平衡,产生的激励会导致包络出现旁瓣。通过有限元仿真设计一种调整空间磁场分布以实现削弱旁瓣包络的新型激励天线,并与现有天线的感应电压包络进行对比验证。     

基于电磁感应动态模型的欧标应答器系统定位研究

采用欧标应答器系统获得的列车绝对位置存在不确定性，不确定性的增加会降低列车的停车精度。通过分析欧标应答器位置修正系统的构成及内部信息流，发现欧标应答器系统有效电磁作用时间误差和速度测量误差对其获得的绝对位置不确定性有较大影响。针对有效电磁作用时间问题，采用四边形模拟应答器发送天线、八边形模拟应答器传输模块接收天线建立应答器系统的磁通量分布模型，并引入磁通量随列车运动的变化，得到磁场感应电动势的动态速度模型（电磁感应动态模型）。基于该模型分析动生电动势、感生电动势与电磁作用距离的关系及干扰、旁瓣对电磁作用距离的影响；通过分析现场实测列车定位数据的电磁感应有效区域数值分布，验证电磁感应动态模型计算数据与实测数据的相符性。结果表明：支持向量机SVM从基于电磁感应动态模型标记的现场实测训练数据中学习得到的应答器位置修正异常分类模型可以实时对列车应答器位置修正做出评估，对于偶然性干扰或旁瓣等导致的异常修正可以给出报警；基于电磁感应动态模型对实测电磁作用时间数据进行修正后，可降低时间数据带来的相对平均误差达47.7%，从而获得更为精确的列车绝对位置，提高列车停车精度。     

基于改进CUOWGA算子-Sharpley值的应答器传输系统风险评价方法

应答器传输系统是列车运行控制系统中重要的地-车信息传输子系统。为降低应答器传输系统传统风险评价中专家决策的主观性,并考虑风险事件间的相关性,提出一种基于改进的CUOWGA算子与Sharpley值的应答器传输系统风险模糊综合评价方法。首先建立系统功能分层模型,运用HAZOP辨识系统潜在的风险事件及其影响,构建系统风险评价因素集和评判集,再利用CUOWGA算子对专家评价数据进行集结,利用Sharpley值计算多风险相关下的评价因素权重值,最后通过综合评价得到应答器传输系统的风险等级。结果表明,应答器传输系统的风险等级为"可容许的",其中BTM及天线功能失效对系统安全影响最大。该结果与现场使用情况相符,验证本评价方法有效。     

加装屏蔽板后应答器传输模块天线性能的研究

为了保护应答器传输模块(BTM)天线不被线路上扬起的道砟损伤,以及尽量减少车底复杂电磁环境对BTM天线的干扰,在BTM天线四周加装钢材质的屏蔽板。通过仿真计算,分析屏蔽板取不同高度、距BTM天线不同水平距离时BTM天线的回波损耗以及与频率的关系,确定屏蔽板的高度为150mm,距BTM天线的水平距离为100mm。基于毕奥-萨伐定理计算BTM天线的磁场强度,并仿真BTM天线磁场强度的分布以及对干扰信号的衰减。结果表明:加装屏蔽板后,不仅没有影响BTM天线的信号传输性能,还在一定程度上增加了天线的有效通信范围和对干扰信号的衰减,提高了接收信号的信干噪比,从而降低了误码率。对BTM天线加装屏蔽板的实车试运行结果也表明:所设计加装的屏蔽板,既能保护BTM天线,又能保证BTM天线正常的信号传输。     

高速铁路EMC线天线在低频段近场耦合的研究

天线系数是辐射类的电磁骚扰发射(EMI)检测中主要不确定度来源之一,如果天线没有被准确地校准,会影响到后续所有的测试过程。对于天线校准的方法,至今仍然有一些问题尚未很好地解决,譬如未考虑近场耦合问题以及平衡不平衡转换器(balun)对天线系数测量结果的影响等等。尤其是在低频(30M～180MHz)的情况下,近场耦合的影响相当明显,给测量带来很大的误差。针对这些问题,首先描述了一种能计算已知balun结构和近场耦合的数值仿真方法,然后利用该方法分析了不同的balun结构对EMC线天线的影响,并根据特定的balun结构对近场耦合进行了量值分析,最后重点针对常规EMC测试情况,根据特定的balun结构计算出了近场耦合系数,并且在一个实际的测试场地上尽可能地验证了数值计算的结果。     

石武客运专线地面应答器设置的研究

应答器是CTCS-2及CTCS-3级列控系统重要设备之一,为列车运行安全提供至关重要的地面线路数据,结合目前已经实施的几条客运专线的应答器布置经验,从工程设计的角度,在区间反向应答器的设置、应答器最小组间距、股道中间DW应答器的设置、应答器距离BA最小距离、联络线多个里程系等几个方面对石武客运专线地面应答器的设置进行了研究,对相关部文标准中容易引起误解或没有明确规定的部分进行了阐述和细化,为石武客运专线地面应答器的设置提供了参考。     

STP-yh系统双点应答器问题分析

STP-yh应答器双点设置时,存在偶然性检测不到应答器的情况。通过对现场大量数据的仔细比对分析,发现双点应答器之间的距离对检测准确性存在影响。通过现场实例加以验证确认,对今后双点应答器的设计安装提供实践指导。     

空间环境介质对应答器“A”接口性能的影响研究

针对应答器易受周围复杂空间电磁环境影响的问题,研究铁路现场各类损耗介质、无金属区内金属介质对应答器系统的射频场"A4"接口和上行链路场"A1"接口的影响。基于应答器系统简化电路对精简参考环和BTM天线建立FEKO模型,根据实测数据对模型的适用性进行验证,仿真各类损耗介质下电磁波的穿透特性和金属介质下电磁波的分布特征。基于该特性特征和真实应答器的输入输出特性(IO),得到了各类损耗介质和金属介质影响下应答器和BTM天线的有效作用范围。研究结果表明各类损耗介质不能超过其特定厚度,无金属区内的良导体最大横截面不能超过300mm×300mm。无砟道床钢筋网的绝缘节破损会大幅降低"A"接口的传输性能。     

列车车载雷达测速传感器性能退化监测及测速读数补偿方法

根据车载雷达测速传感器的工作原理和雷达天线夹角的变化规律,建立测速传感器性能退化的数学模型。利用建立的数学模型和轨旁应答器提供的列车运行距离,推导出列车运行距离与雷达天线夹角偏移量之间的关系式,实现了对测速传感器性能退化量的在线监测。提出根据在线监测结果对测速传感器测速读数补偿的方法,保证测速的精度。通过算例对在线监测方法和测速读数补偿方法进行仿真验证。结果表明,采用该方法能够正确地监测车载雷达测速传感器性能退化量并补偿测速读数,保证列车运行的安全。     

有轨电车非接触感应耦合空心线圈的选型研究

针对有轨电车非接触感应耦合电能传输系统的核心部分空心变压器空心线圈的选型进行分析和研究。首先对矩形空心线圈和圆形空心线圈的自感和互感进行计算,根据自感和互感计算出耦合系数。结合Matlab软件编程计算,对比分析2种空心线圈的耦合性能随初、次级线圈间隙、线径、初、次级线圈尺寸、初、次级线圈相同及不同尺寸下偏移量变化的影响。结果表明:在尺寸较大时,随着气隙、导线截面半径、线圈尺寸以及初、次级线圈相同尺寸下偏移量的增大,矩形线圈耦合性能都好于圆形线圈。反之,圆形线圈的耦合性能要好于矩形线圈。虽然随着初、次级线圈不同尺寸下偏移量的增大,圆形线圈耦合性能略好于矩形线圈,但其耦合系数远小于相同尺寸下的耦合系数。结合有轨电车大功率、大尺寸的条件,得出有轨电车适合采用初、次级线圈相同尺寸的矩形线圈。     

应答器安装角度偏差对传输性能的影响研究

应答器安装时的角度偏差影响射频能量信号的接收和上行链路信号的发送,因此有必要研究应答器角度偏差对其传输性能的影响。分析了应答器A接口传输过程,分别建立了应答器倾斜、俯仰和侧转时的上行链路发送模型和射频能量接收模型。确定了上行链路场和射频能量场一致性评估方法,利用模型对应答器角度偏差进行了一致性评估。建立了应答器A接口传输过程,计算出应答器的有效作用范围。研究结果表明,对于标准尺寸,应答器倾斜角在(-2°28′,+2°28′)范围内,俯仰角在(-4°40′,+4°40′)范围内,侧转角(-7°25′,+7°25′)范围内时,满足应答器A接口一致性要求;应答器安装倾斜角、俯仰角越大,应答器的有效作用距离越小。应答器安装侧转角越大,应答器的有效作用距离越大。     

铁路隧道衬砌地质雷达检测影响因素试验研究

通过隧道实尺模型试验和现场试验,研究采用地质雷达非接触式检测隧道衬砌状态时天线类型、天线频率、天线离开衬砌的距离、检测速度等对检测结果的影响。研究结果表明:地质雷达检测衬砌厚度、空洞、回填不密实等具有分辨率高、经济、快速的优点;普通屏蔽天线可以用于非接触式检测衬砌,但离开衬砌表面的距离以不大于20 cm为宜;当天线距离检测目标表面距离超过30 cm时,使用空耦天线检测效果更理想;在扫描速率足够高的前提下,在一定速度范围之内,检测速度不会影响检测结果,但随着检测速度的增加,雷达图的清晰度有所下降,干扰信号有所增加;采用高频和中低频天线组合方式可以达到最佳检测效果,高频天线利于衬砌内钢筋和浅层部位的检测,中低频天线利于深部围岩的检测。     

应答器在线检测分析系统的研究及应用

针对列车运行过程中偶发应答器信息收不到，且缺少有效测试手段的问题，研制了应答器在线检测分析系统。通过在应答器下方安装采集射频信号的检测天线，实现对应答器传输系统上/下行链路信号的实时采集；由安装在轨道旁的检测装置对采集信号解码，解析中心频率、振幅抖动、频率偏移、平均数据速率及最大时间间隔误差等指标；结合数据挖掘技术，采用同类分析法和多点对比法对数据进行处理，准确找出应答器信息丢失的原因及应答器传输系统的故障部位，达到提升应答器传输系统维护质量的目的。