无线电技术在铁路工程中的研究

无线电技术在铁路工程中的研究

摘要：本文通过论述高速铁路无线电干扰本反射、绕射和散射的基本原理，以及通FFT 等算法计算信号失真度并且提出增加接触网面积，提高接触网张力;减少受电弓的重量与数量的防护措施，并且介绍铁路无线电预警装置在铁路运营中的应用。为我国推进高速铁路向现代化、智能化、信息化方向发展提供了参考。

关键词：反射、绕射和散射、FFT 算法、铁路无线电预警装置

随着我国科学技术的迅猛发展，电子信息科学与技术运用在不同的领域中。在我国极力推进我国高速铁路向现代化、智能化、信息化方向发展。现代化高速铁路无时无刻不运用无线电来传递声音信号和图像信号。以保证铁路运输中与车辆调度等部门的沟通与联系，确保铁路运营的安全。无线通信与有线电通信相比，无线通信不需要架设专门的传输线路，不受通信距离的限制，在实际运用中有机动性好并且建立迅速等优点，但是由于高速铁路有速度快并在不停的情况下运动等特点，这就使电磁波在传播过程中产生反射、折射、绕射、散射、多卜勒效应等现象。因此就会导致信号传播延迟和传输质量不稳定，信号易受到干扰并且很容易被截获，从而会导致保密性差等后果。在这种情况下无线电技术的应用在高速铁路运输领域逐渐受到重视，以提高高速铁路无线电通讯的安全性与可靠性。

近几年来，通过对无线电技术的研究，通常将无线电技术运用在铁路无线通讯以及铁路无线报警系统等用途中。下面主要介绍其具体的研究成果。

一、高速铁路无线电干扰

由于近几年来火车不断提速，无线电干扰问题很严重。主要原因是因为当列车的速度提高到一定速度时, 列车在运行过程中因受电弓在空气的作用下收到了强大的压力, 特别是当列车进出隧道口时,高速对流情况下空气所产生的压力突然变化, 迫使受电弓产生剧烈的振动得到一个向上的张力, 从而影响到接触网得正常工作。特别是当无线电波的传播速度与列车运行速度接近的情况下, 受电弓与接触导线的接触范围会受到极大的影响。高速列车实际运用的受电弓数量很多，这种情况加剧了无线电波干扰量。

研究表明影响无线电波传播的三种最基本的机制是反射、绕射和散射[1]。无线电波的反射主要是由于电波遇到波长与其相比比较大的物体，比如铁道附近建筑物和隧道壁面的情况下才会发生反射。同时有效反射区的区域大小是由菲涅尔区所决定的。对无线电反射波的大小有以下公式可以得出：设入射波为 端点为 ，则反射波为 。无线电波的绕射是当电波在传播过程中，入射波的射线遇到散射体边界面时就会绕过障碍物而继续传播，从而产生一种新的绕射射线的现象。研究发现无线电波绕射的规律是频率较高、波长短的通常情况下无线电波绕射能力弱，如超短波、微波。信号质量受到影响的程度通常与建筑物的高度和接收天线与发射基站之间的距离有关，同时还与发射频率有关。无线电波的散射是当电波射入波长小于入射波波长的介质中的情况下，原本被反射的能量发生散射，分布在各个方向，从而会导致接收到的信号要比发生绕射和反射后的模型预测强很多，造成了多径效应。计算散射波的方法如下：

当给定的入射角度为 时，其表面平整度的参考值为 ： ， 为常数。当表面的最大突起高度 小于 的情况下，则认为物体的表面是光滑的，反射系数就要乘以散射损耗系数确定出 ，以得出反射场的减弱大小。

二、高速铁路无线电的防护

由以上所述的高速铁路无线电干扰因素研究，可以看出无线电波的失真度在高速铁路无线电的防护研究中有着举足轻重的地位。近几年通过对无线电波的失真度的研究得出了许多失真度测量方法，各个方法是根据频

率范围、失真度测量范围[2]、测量精度等不同的指标特点来确定的。根据测量原理可以将失真度测量仪器两种方法。即基波剔除法与频谱分析法。这两种仪器是通过无源网络抑制基波的频率选择特征不同，从而利用总电压有效值结合抑制基波后产生的谐波电压有效值计算出失真度的大小。根据利用最小二乘法的回归处理理论我们可以得到无线电干扰值的公式 ，其中H为干扰场估算值，F为发射点位与铁路的距离。然后将估算值利用FFT 法或者曲线拟合法等失真度计算方法进行处理。而近几年发展出的一种DSP 芯片，因为其采用了特殊总线结构与指令使得FFT 算法实现的得到简化[3]，并且有很高的精确度。其原理是利用了傅里叶变换得出信号的基波和各次谐波的电压有效值，再代入以上所提到的公式中求得失真度值。 三、铁路无线电预警装置

在铁路营运过程中，无线电的运用无处不在。铁路无线电预警装置是铁路对无线电的一个重要用途。设计全自动无线预报来车信息主要是利用了磁电传感器来检测列车接近时所发出的信号，此信号是经过列车的信号发送设备进行编码之后由无线电数据传模块向道口的接收设备传输的，一旦道口接受设备收到来车信息后，随即按照铁路道口的列车整体布局调度进行报警和取消报警两种方案[4]。从而能够及时的预报来车信息，提高了铁路道口的安全性，避免了列车调度不合理等问题。为我国修建高速铁路，完成安全运营目标提供有力保障。 [2]孙伟，郭宝龙.一种新的实时码声系统实现方法[J].仪器仪表学报,2008,29(1):195-199.���

[3] 梁志国. 量化误差对周期信号总失真度评价的影响及修正[J]. 仪器仪表学报, 2000(2):640-643.

[4] 任德齐.现代通信技术[M].北京:机械工业出版社，2002.1