本發(fā)明涉及軌道交通技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種鐵道測長信號數(shù)字處理測量設(shè)備。

背景技術(shù)：

鐵道測長設(shè)備用于測量調(diào)車線的空余長度?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)此長度控制車輛進(jìn)入調(diào)車線的速度，使車輛能夠在調(diào)車線內(nèi)安全連掛。鐵道測長設(shè)備也是編組站調(diào)度信息管理系統(tǒng)的一種信息采集設(shè)備，用于掌握編組線的應(yīng)用情況。

隨著鐵路建設(shè)的不斷發(fā)展，電力機(jī)車及電化區(qū)段應(yīng)用越來越普遍，電氣化牽引變電設(shè)備已經(jīng)廣泛安裝到了鐵路站場內(nèi)。電氣化干擾對鐵道測長設(shè)備影響也越來越嚴(yán)重，造成測長設(shè)備測量不準(zhǔn)。

目前的測長設(shè)備主要有以測量阻抗電抗為基本原理的變換頻率法測長設(shè)備和以測量阻抗模值為基本原理的電壓幅值法測長設(shè)備。前者信號功率小，在電化區(qū)段應(yīng)用越來越普遍的電磁環(huán)境下無法正常工作，后者在信號處理過程中不能有效地區(qū)分有用信號和干擾噪聲，造成測量不準(zhǔn)確。另外，以上設(shè)備共同存在以下問題：當(dāng)電氣化干擾嚴(yán)重時甚至?xí)斐蓽y長設(shè)備被損壞的情況。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種鐵道測長信號數(shù)字處理測量設(shè)備，可以減少外部干擾對測量過程的干擾，從而提高測量性能。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種鐵路鐵道測長信號數(shù)字處理測量設(shè)備，包括：信號激勵源、電源防雷器、信號變換與傳感電路、信號防雷保安器、信號隔離與調(diào)理電路、多路模擬信號轉(zhuǎn)換器、信號采樣保持與A/D轉(zhuǎn)換電路，以及微處理單元；其中：

所述信號激勵源，用于將輸入電源轉(zhuǎn)換成鐵道測長工作的電源；

所述電源防雷器，用于阻止雷電對信號激勵源電子設(shè)備的損壞，并將信號激勵源的輸出信號向外傳輸；

所述信號變換與傳感電路，用于隔離信號激勵源與測長軌道電路以及均衡測長軌道電路的電流，還用于隔離測長軌道電路與測量設(shè)備，并將獲得的鐵道測長信號向外傳輸；

所述信號防雷保安器，用于阻止雷電對測量設(shè)備的損壞，并將所述鐵道測長信號向外傳輸；

所述信號隔離與調(diào)理電路，用于防止外部包括直流的電氣化干擾進(jìn)入測量設(shè)備、防止瞬間外部高電壓的干擾可能造成測量設(shè)備的損壞，以及對所述鐵道測長信號進(jìn)行濾波處理，以抑制各種干擾信號的影響；

所述多路模擬信號轉(zhuǎn)換器，用于將濾波后的多路鐵道測長信號分時輸送到信號采樣保持與A/D轉(zhuǎn)換電路；

所述信號采樣保持與A/D轉(zhuǎn)換電路，用于采集每一路鐵道測長信號瞬時電壓值并保持到A/D轉(zhuǎn)換完成，所述的A/D轉(zhuǎn)換即為將鐵道測長信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號；

所述微處理單元，用于對輸入的數(shù)字信號進(jìn)行頻譜特性分析，獲得相應(yīng)的鐵道測長數(shù)據(jù)。

所述信號變換與傳感電路包括：電源隔離變壓器、電抗器與傳感隔離變壓器；其中：

所述電源隔離變壓器，用于隔離信號激勵源的輸出信號與測長軌道電路直接電氣連接，并輸出安全電壓；

所述電抗器與測長軌道電路連接，用于均衡測長軌道電路的電流，每個測長軌道電路上均設(shè)有一個電源隔離變壓器與一個電抗器；

所述傳感隔離變壓器，用于在獲得鐵道測長信號后隔離鐵道測長信號與軌道電路直接電氣連接，變比為1：1。

所述信號隔離與調(diào)理電路包括：信號隔離變壓器、電涌抑制器與低通濾波器；其中：

信號隔離變壓器，用于防止外部包括直流的電氣化干擾進(jìn)入測量設(shè)備；

所述電涌抑制器，用于防止瞬間外部高電壓的干擾可能造成測量設(shè)備的損壞；

所述低通濾波器，用于對所述鐵道測長信號進(jìn)行濾波處理，以抑制各種干擾信號對采樣處理的影響，其高頻截止頻率為500Hz，增益為1。

所述信號采樣保持與A/D轉(zhuǎn)換電路包括：采樣保持器與模數(shù)轉(zhuǎn)換器；其中：

所述采樣保持器，用于采集每一路鐵道測長信號瞬時電壓值并保持到A/D轉(zhuǎn)換完成；其中，一個采樣保持器對應(yīng)一路鐵道測長信號；

所述A/D轉(zhuǎn)換器，用于將信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號；其中，一個A/D轉(zhuǎn)換器對應(yīng)一個采樣保持器，A/D轉(zhuǎn)換器輸入電壓范圍最大±10V，分辨率至少12BIT，A/D轉(zhuǎn)換速度100KHz以上。

該設(shè)備還包括：

與微處理單元相連的計算機(jī)終端設(shè)備，用于顯示計算到的鐵道測長數(shù)據(jù)，以及實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互；

與微處理單元相連的通信接口，用于實(shí)現(xiàn)測量設(shè)備與控制設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信。

所述微處理單元相連對輸入的數(shù)字信號進(jìn)行頻譜特性分析時，需要進(jìn)行波形采樣；

對于采樣結(jié)果，利用窗函數(shù)方法濾除掉工作頻率外的干擾信號，設(shè)w(n)為窗函數(shù)時域序列值，其中n＝0,1…N-1，N為采樣序列周期；則有：

$w\left(n\right)=\underset{m=0}{\overset{M-1}{\Σ}}{(-1)}^m{\mathrm{\α}}_{m}cos(2\mathrm{\π}nm/N)$

其中，M為窗函數(shù)的項(xiàng)數(shù)，α_m為窗系數(shù)，滿足約束條件

設(shè)x(n)為輸入的數(shù)字信號的時域采樣序列值，則加窗處理后時域采樣序列的第n個值y(n)＝x(n)w(n)；

再對加窗處理后時域采樣序列進(jìn)行離散Fourier變換：

$Y\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}y\left(n\right)e^{-j2\mathrm{\π}nk/N},(k=0,1,...N-1).$

由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，該方案解決了在電化區(qū)段應(yīng)用越來越普遍的電磁環(huán)境下測量不準(zhǔn)確，甚至無法正常工作的問題，通過減少外部干擾對測量過程的影響，從而提高測量設(shè)備的性能。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的鐵道測長信號數(shù)字處理測量設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

本發(fā)明實(shí)施例提供一種鐵道測長信號數(shù)字處理測量設(shè)備，其主要包括：信號激勵源、電源防雷器、信號變換與傳感電路、信號防雷保安器、信號隔離與調(diào)理電路、多路模擬信號轉(zhuǎn)換器、信號采樣保持與A/D轉(zhuǎn)換電路，以及微處理單元；

此外，還包括：計算機(jī)終端設(shè)備，以及通信接口。

上述各個單元之間的連接關(guān)系如圖1所示，信號激勵源、電源防雷器、信號變換與傳感電路、信號防雷保安器、信號隔離與調(diào)理電路、多路模擬信號轉(zhuǎn)換器、信號采樣保持與A/D轉(zhuǎn)換電路，以及微處理單元依次連接，而計算機(jī)終端設(shè)備與通信接口均分別與微處理單元連接。

為了便于理解，下面針對各個器件的功能及用途進(jìn)行詳細(xì)的說明。

1、信號激勵源，用于將輸入電源轉(zhuǎn)換成鐵道測長工作的電源。示例性的，如果輸入電源為AC220V/50Hz，則轉(zhuǎn)換成AC220V/(175Hz//60HZ/75HZ/25HZ)鐵道測長工作電源；信號激勵源在整個設(shè)備中僅設(shè)置一個。

2、電源防雷器，用于阻止雷電對信號激勵源電子設(shè)備的損壞，并將信號激勵源的輸出信號向外傳輸。同時，設(shè)備中也僅設(shè)置一個電源防雷器。

3、信號變換與傳感電路，用于隔離信號激勵源與測長軌道電路以及均衡測長軌道電路電流，還用于隔離測長軌道電路與測量設(shè)備，并將獲得的鐵道測長信號向外傳輸。

具體來說：所述信號變換與傳感電路包括：電源隔離變壓器、電抗器與傳感隔離變壓器；其中：

所述電源隔離變壓器，用于隔離信號激勵源的輸出信號與測長軌道電路直接電氣連接，并輸出安全電壓；

所述電抗器與測長軌道電路連接，用于均衡測長軌道電路的電流，在軌道測量區(qū)段長度變化范圍內(nèi)，輸送到軌道電路的電流變化小于10％，近似恒流輸出，每個測長軌道電路上均設(shè)有一個電源隔離變壓器與一個電抗器。

所述傳感隔離變壓器，用于在獲得鐵道測長信號后隔離鐵道測長信號與軌道電路直接電氣連接，變比為1：1。

4、所述信號防雷保安器，用于阻止雷電對測量設(shè)備的損壞，鐵道測長信號向外傳輸。

5、所述信號隔離與調(diào)理電路，用于防止外部包括直流的電氣化干擾通過傳輸線路進(jìn)入測量設(shè)備、防止瞬間外部高電壓的干擾可能造成測量設(shè)備的損壞，以及對所述鐵道測長信號進(jìn)行濾波處理，以抑制各種干擾信號的影響。

具體來說：所述信號隔離與調(diào)理電路包括：信號隔離變壓器、電涌抑制器與低通濾波器；其中：

信號隔離變壓器，用于防止外部包括直流的電氣化干擾進(jìn)入測量設(shè)備；

所述電涌抑制器，用于防止瞬間外部高電壓的干擾可能造成測量設(shè)備的損壞；

所述低通濾波器，用于對所述鐵道測長信號進(jìn)行濾波處理，以抑制各種干擾信號對采樣處理的影響；其高頻截止頻率為500Hz，增益為1。

6、多路模擬信號轉(zhuǎn)換器，用于將濾波后的多路鐵道測長信號分時輸送到信號采樣保持與A/D轉(zhuǎn)換電路。示例性的，本實(shí)施例中，可設(shè)置32路模擬信號轉(zhuǎn)換器，則可對應(yīng)32個測長軌道電路區(qū)段。

7、所述信號采樣保持與A/D轉(zhuǎn)換電路，用于采集每一路鐵道測長信號瞬時電壓值并保持到A/D轉(zhuǎn)換完成，所述的A/D轉(zhuǎn)換即為將鐵道測長信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號。

具體來說：所述信號采樣保持與A/D轉(zhuǎn)換電路包括：采樣保持器與模數(shù)轉(zhuǎn)換器；其中：

所述采樣保持器，用于采集每一路鐵道測長信號瞬時電壓值并保持到A/D轉(zhuǎn)換完成；其中，一個采樣保持器對應(yīng)一路鐵道測長信號；

所述A/D轉(zhuǎn)換器，用于將鐵道測長信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號；其中，一個A/D轉(zhuǎn)換器對應(yīng)一個采樣保持器，A/D轉(zhuǎn)換器輸入電壓范圍最大±10V，分辨率至少12BIT，A/D轉(zhuǎn)換速度100KHz以上。

8、微處理單元，用于對輸入的數(shù)字信號進(jìn)行頻譜特性分析，獲得相應(yīng)的鐵道測長數(shù)據(jù)。

本實(shí)施例中，所述微處理單元相連對輸入的數(shù)字信號進(jìn)行頻譜特性分析時，需要進(jìn)行波形采樣；采樣頻率fs應(yīng)當(dāng)大于Nyquist頻率。設(shè)計每個通道采樣率為fs≥1024Hz。

由于信號激勵電源頻率和計算機(jī)晶體振蕩頻率可能產(chǎn)生漂移，造成時域截斷引起的頻譜泄露和頻域離散化引起的柵欄效應(yīng)，使得測量精度變差。因此，對于采樣結(jié)果，利用窗函數(shù)方法濾除掉工作頻率外的干擾信號，設(shè)w(n)為窗函數(shù)時域序列值，其中n＝0,1…N-1，N為采樣序列周期；則有：

$w\left(n\right)=\underset{m=0}{\overset{M-1}{\Σ}}{(-1)}^m{\mathrm{\α}}_{m}cos(2\mathrm{\π}nm/N)$

其中，M為窗函數(shù)的項(xiàng)數(shù)，α_m為窗系數(shù)，滿足約束條件

設(shè)x(n)為輸入的數(shù)字信號的時域采樣序列值，則加窗處理后時域采樣序列的第n個值y(n)＝x(n)w(n)；

為了達(dá)到消除非信號頻率干擾信號的目的，再對加窗處理后的時域采樣序列進(jìn)行離散Fourier變換：

$Y\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}y\left(n\right)e^{-j2\mathrm{\π}nk/N},(k=0,1,...N-1).$

示例性的，測量信號175Hz的電壓有效值為此值即為徹底濾除掉非工作頻率干擾后的測長信號電壓值。

9、計算機(jī)終端設(shè)備，用于顯示計算到的鐵道測長數(shù)據(jù)，以及實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互；可以包括：機(jī)鍵盤、鼠標(biāo)和顯示器等。

10、通信接口，用于實(shí)現(xiàn)測量設(shè)備與控制設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信。

本發(fā)明實(shí)施例的上述方案中，通過多個器件隔離、濾除干擾信號；并且，通過頻譜分析技術(shù)來徹底濾除工作頻率外的所有干擾信號，從而提高了測量性能；可以為鐵道控制系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的調(diào)車線空閑長度，減少“天窗”和超速連掛的情況發(fā)生。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。