列车对列车无线通信中的信道特性分析（英文）

列车对列车(Train-to-train, T2T)通信能为现有车-地专网通信提供保障,其信道特性直接影响上层通信技术的应用。首先,根据铁路运营场景的空间分布结构和菲涅尔带理论提出一种适用于平原和长直隧道场景下追踪列车间直接通信的频率分配方案,并结合由降雨引起电波衰减的估算方法分析多频段无线信道的大尺度衰落。其次,推导T2T通信的最大多普勒频移计算公式,并通过射线跟踪法描述隧道内多径波,以分析小尺度衰落。最后,在同等速度条件下,仿真分析得出T2T通信低频段最大多普勒频移值明显低于车-地通信频移值。     

高速列车隧道会车压力波动问题

高速列车在隧道内会车有可能使列车侧壁上作用比明线会车时大得多的压力波动,原因是隧道入口压力波在隧道内来回传递并与会车形成的压力波叠加在一起形成复杂波系。列车上压力波如何变化,与隧道入口压力波有什么关系,可能达到多大的压力波极值,与会车速度是什么关系,这些一直是未能弄清楚的问题。通过计算流体力学三维数值分析,仿真计算列车在隧道内会车的动态过程,证明入口压力波效应与会车压力波效应的叠加关系,获得隧道内压力波在运动列车上的变化规律,得到隧道内可能的最大负压峰值计算式及其与会车速度的关系式,可为高速铁路隧道和高速列车气动设计提供参考。     

高速列车通过隧道时的压力波动问题

高速列车通过隧道时将会在隧道内引起相当复杂的气体压力波动,这是由于列车进入隧道时在隧道入口产生的压力波在隧道内来回传递并与列车经过时的气体压力扰动相互叠加的结果。从车体强度设计和列车运行安全性角度考虑,希望了解隧道内可能的最大气体正、负压力大小及其发生位置;气体压力波动与列车运行速度的关系。通过流体力学方程三维动态数值计算,仿真分析列车高速通过隧道的过程。计算结果证明了入口压力波效应与列车经过的扰动效应的叠加关系,得到列车通过时隧道内最大正压和最大负压发生的可能位置,以及最大正压值与最大负压值与车速间的关系式。可为高速铁路隧道和高速列车设计提供参考。     

高速地铁列车空气阻力数值模拟研究

针对高速地铁列车空气阻力直接影响列车运行速度、能耗及安全,采用三维数值模拟方法对6编组全尺寸列车运行在设置有通风竖井的区间隧道的列车空气阻力进行研究,对隧道内空气阻力随时间变化、列车各节车厢阻力的分布特性、每节车厢转向架在整车阻力所占的比重情况进行分析.研究结果表明:列车逐渐向竖井靠近的时间段内,阻力系数一直在下降,最小值为1.57;在经过竖井的时间段,阻力系数大大增加,最大值为4.85,是最小值的3.08倍.列车匀速行驶时,尾车空气阻力在整车中占比最大,头车略小,分别为39.6％和24.7％;过竖井正下方时,头车空气阻力占比是整车的一半之多,达到了53.9％.过竖井前,前5节车厢转向架阻力在35％～45％内波动,尾车的仅占12.7％;过竖井时,4车厢转向架阻力占比最大,最大值为52.7％,头车的降到了17.0％;过竖井后,中间4车厢转向架区域占比最大,头车尾车的占比略小.     

隧道内高速列车车内噪声特性及声源识别试验分析

与明线运行相比,隧道内的高速列车车内噪声将明显增加。通过线路试验,对我国某型高速列车以160～350 km/h速度在明线和隧道运行时的车内振动噪声进行测试分析。掌握两种线路下的车内振动和噪声、车身表面气动噪声、转向架区域振动和噪声特性及其随速度的变化规律;采用50通道球形声阵列,识别两种线路下的车内主要噪声源,并分析噪声源的车内区域贡献率,进而在此基础上研究两种线路下的车内声振传递特性。结果表明,两种线路下车内噪声频谱差异主要体现在315～2 000 Hz,各测点不同线路的声压级差值与运行速度相关性较小,车内噪声受轮轨噪声激励影响相对明显。对于客室中部,列车350 km/h匀速运行时,隧道段列车顶板和客室后方贡献率分别增加4.0%和3.0%,地板贡献率降低8.6%,差异频段主要体现在63～160 Hz。对于侧墙区域,明线段车内低频噪声主要来自侧墙的振动,而在隧道时,车内低频噪声则主要来自于侧墙车身表面的气动激励。客室内噪声总值和频谱分布的差异在隧道运行情况下会减小,现有更关注客室端部噪声控制的传统认识,在列车隧道运行下,需要同样重要地关注和对待客室中部区域。     

列车在特殊风工况下的运行品质分析

基于时速400 km中国标准化动车组的动力学参数,利用SIMPACK软件建立动力学模型,模拟列车在无风、“中国帽”横风激扰、列车交会以及通过隧道等状态下的运行平稳性,以便支撑动车组的设计工作。研究表明：在无风、两列车交会运行以及通过隧道的状态下,车速对列车横向平稳性的影响最大;在“中国帽”横风激扰的状态下,车速对列车横向平稳性以及乘坐舒适度的影响较大;在无风、横风激扰以及通过隧道的状态下,随着车速的增大,头车、中间车和尾车的平稳性以及乘坐舒适度都在增大。     

基于一维流动模型的高速列车隧道压力波特性

高速列车通过隧道过程中引起隧道内压力的剧烈波动,会诱发车内压力波动并可能引起车体疲劳破坏等问题。而研究此类问题的基础在于快速准确预测隧道压力波。基于一维可压缩非定常不等熵流动模型和广义黎曼变量特征线法,对单车通过隧道和两列车隧道内交会进行数值模拟。选取京沪高速铁路隧道为研究对象,通过全时间区域下隧道空间中的压力传播的过程图描述压力波的形成过程,给出隧道内交会压力波比单车通过隧道的压力波剧烈的原因,研究列车速度和阻塞比对车外最大压力值和最小压力值的影响特性。结果表明,高速列车通过京沪高铁典型长度隧道时,其车体表面承受的最大压力波动基本与车速的平方成正比,而其与阻塞比基本呈线性关系。     

山区高速列车车体动态气密性阈值特征的数值模拟研究

由于高速列车通过隧道时产生较大压力波动,传入车内引起司乘人员出现耳感不适等问题,使得列车采用气密性车体技术和压力保护装置技术。气密性车体的应用对高速列车的制造和运营成本产生了较大影响,在满足车内压力舒适性标准前提下合理制定车体气密性指标是上述重要手段之一。针对我国山区高速铁路隧道长度特点,基于我国研制的时速350km标准动车组和国内隧道断面面积特点,在应用一维可压缩不等熵非定常流动模型的广义黎曼变量特征线方法获得大量工况列车通过隧道时的车内外压力波动特征前提下,归纳不同时间间隔标准下的编组长度、速度、隧道长度、时间常数对车内压力变化量的最大值影响规律,将车-隧系统进行耦合分析,提出针对不同时间间隔标准下密封列车车内压力的最不利隧道长度。依据中国、德国、UIC、ERRI不同标准的阈值要求计算列车时间常数,拟合出时间常数阈值随隧道长度增加的变化曲线,总结对比四种不同标准下时间常数阈值的理论数学关系式。     

高速列车单车通过隧道压力波的研究

采用计算流体力学的数值计算方法对基于三维、瞬态、可压缩Navier-Stokes方程和κ-ε两方程紊流模型进行求解,模拟高速列车单车通过隧道时列车外流场的特性,分析高速列车单车通过隧道的压力波特性及阻力变化规律。结果表明列车单车通过隧道的压力波最小负压值与速度为二次函数的关系,列车阻力主要由压差阻力构成。研究结果可为解决隧道空气动力学问题提供参考依据。     

地铁列车振动源强离散机理测试分析

为了分析地铁列车振动源强离散特征以及不同频段的控制因素,对某地铁线路的同一区间内2个断面进行现场原位测试。从时域、频域多角度出发,统计分析全天测试样本。结果表明:测试断面振动源强离散超过15dB,且呈现与列车编组相关的周期性;早、晚高峰时段振动源强并没有显著增大;同一列车多次通过固定测试断面引起的振动响应差异主要受6.3Hz以下频段的离散性影响,该频段主要源于列车的准静态激励,与列车的载重直接相关;不同列车间8～250Hz频段内的振动响应由车轮不圆顺状态的差异性控制,该频段内分频振动加速度级差异最大接近20dB,直接导致全天内实测振动源强样本的显著离散。     

旋转机械无线监测中的多普勒效应

由于应用无线通信技术对旋转机械进行状态监测时,无线设备安装在转轴上随轴高速旋转,无线设备之间的相对位置发生变化,因此会产生多普勒效应,影响无线通信。针对这一问题,首先,提出了两种无线设备安装方式;然后,建立了旋转运动中无线设备的多普勒频移理论模型,并分析了影响无线通信的因素;最后,对水润滑轴承水膜压力进行无线监测试验,引入误码率和丢包率研究了其与轴转速之间的关系,并对多普勒频移理论模型进行验证。理论与试验分析结果表明:多普勒频移与无线设备摆动圆直径、轴转速以及电磁波入射角密切相关,尤以转速影响为甚;在433 MHz通信频率下,无线监测方法不能很好地用于转速接近或超过10kr/min的旋转机械;转速对丢包率的影响大于误码率,丢包率为误码率的2~3倍。     

基于非均匀快速傅里叶变换的正交频分复用水声通信多普勒估计与补偿方法

针对正交频分复用水声通信对多普勒频移敏感的问题,提出了一种基于非均匀快速傅里叶变换的正交频分复用水声通信多普勒估计与补偿算法。将第2类非均匀快速傅里叶变换引入正交频分复用水声通信中,利用非均匀快速傅里叶变换对接收信号进行多普勒因子网格补偿,通过稀疏贝叶斯学习获得水声信道估计,以水声信道的稀疏能量最小作为多普勒因子判断准则,从而获得高精度多普勒估计。仿真结果显示,所提出的方法在信噪比大于5 dB时,多普勒估计均方根误差优于1×10~(-5),同时系统误码率随着多普勒估计均方根误差减小而降低。海上试验结果显示,利用本文所给多普勒估计方法获得的两船相对径向速度与实际情况相吻合,系统解码后的平均误码率优于8.33×10~(-4)。仿真和海上试验结果表明,所提出的算法能够对多普勒因子进行有效估计,并且降低系统误码率。     

医学超声内窥镜下的脉冲多普勒血流检测

多普勒超声技术在医学超声成像系统中的应用进一步扩大超声诊断的范围。本文提出一种在超声内窥镜成像系统中用于血流参数定量分析脉冲多普勒信号处理方案,经过编码激励与脉冲压缩、正交解调、低通滤波、FFT等最终显示血流速度频谱图。文中给出电路和仿真结果,输出结果正确,已可以实现对多普勒频率的测量。     

UUV平台OFDM水声通信时变多普勒跟踪与补偿算法

针对传统多普勒估计和补偿算法在基于无人水下航行器(UUV)的正交频分复用(OFDM)水声移动通信中难以准确跟踪时变多普勒因子并对其进行快速实时补偿的缺陷,提出了一种基于时频联合搜索的新的多普勒跟踪与快速补偿算法。利用梳状导频结合频域变采样技术搜索OFDM符号在不同多普勒因子下的信道频域响应,借助匹配追踪技术对信道估计结果进行稀疏度评估,选择稀疏度最佳的信道响应对应的多普勒估计对信号进行快速补偿。经蒙特卡洛仿真及海试试验证明,该方法能够有效实现对基于UUV平台的时变多普勒实时追踪和快速补偿,保证稳健的OFDM水声移动通信。     

煤矿井下RAKE技术的研究

分析了井下无线电波传播特性,指出井下无线通信受阻的根本原因在于存在各种衰落,主要是多径衰落,根据扩频通信、分集接收等理论,论述了CDMA通信系统抗多径衰落及其他干扰的能力,指出多径分集接收技术(RAKE接收技术)特别适用于环境恶劣和复杂的煤矿井下,仿真结果表明,RAKE接收能有效地减小多径衰落的影响.     

深空光通信中光束瞄准技术研究

研究了深空光通信中的光束精确瞄准技术。从航天器和天体的运动规律出发,建立了一种基于航天器和地球星历表的深空光通信的瞄准理论,导出了瞄准矢量在航天器星上坐标系中角度,角速度,角加速度的变化规律,对两终端的相对运动进行分析,导出提前瞄准角和接收光波长多普勒频移的变化规律,进行了计算机仿真。结果表明,瞄准角度、角速度、角加速度、提前瞄准角呈现出周期性变化,在当前的技术水平下,在深空距离下能实现光束的精确对准。接收光波长的多普勒频移也呈现周期性变化,其大小在0.07 nm以内,决定了深空光通信中窄带滤光片的带宽应在0.7 nm以上,也表明在深空光通信中,采用相干探测方法将面临严重挑战。     

基于射频信号的非接触式血压监测系统

提出了一种基于射频信号的非接触式血压检测方法,设计了血压检测系统并进行了数据的测试及分析。主要针对传统袖带式血压计对于特殊人群使用不方便以及现有血压检测主流方法中光信号易受干扰、测量不准确、需要跟身体接触等问题进行了方法探究。系统发射射频信号到身体上的待检测点,然后采集反射回来的信号,由多普勒效应原理可以得到脉搏波传导的波形图,并计算脉搏波传导时间,代入血压计算模型中,得到血压值,从而实现非接触式连续检测、监测。实验结果证明,该装置可以实现对血压的非接触式连续检测和监测,为便携式可穿戴式血压测量及实时监测设备提供了可参考的实施方法。     

太赫兹宽带消色差偏折器设计

偏折器可以调控电磁波的传播方向,在传感、光通信等领域具有重要的地位,但是色差问题使传统偏折器的偏折方向随波长变化,很大程度上限制了偏折器的发展。为了消除偏折器中的色差问题,通过对太赫兹偏折中色差问题的物理机理进行分析,采用几何相位与共振相位结合的设计方法,在全介质超表面上实现宽带消色差偏折的功能。利用有限时域差分法(FDTD)在0.5 THz到1.1 THz的宽带范围内仿真验证设计的方法并实现了超表面消色差偏折的效果。     

Optical method for strength test for general industrial products

A method for evaluating the strength of general industrial products is proposed. In the method, a levitated mass encountering negligible friction is made to collide with a general industrial product under test. During the collision, the frequency Doppler shift of a laser beam reflecting from the mass is accurately measured using an optical interferometer. The velocity, position, acceleration and inertial force of the mass are calculated from the measured time-varying Doppler shift. The mechanical response of general industrial products is accurately determined with this method.     

一种基于瞬时频率的多普勒畸变声信号校正方法

运动声源信号中广泛存在多普勒效应影响,针对其引起的频移、频带扩展问题提出了一种校正方法。信号的频率非平稳性的还原通常使用重采样方法,而建立一组重采样时间序列就是该方法的核心。对于多普勒畸变信号,瞬时频率与原信号频率有着密切的关系。仿真信号和实验信号处理结果显示,多普勒效应带来的频带扩展问题得到了较好的解决,畸变信号得到了有效校正。