New Methods for the Analysis of Doppler-Radar-Signals in Train Speed Measurement

To measure the speed of a vehicle, the revolution of a wheel or a rigid axle is traditionally used. Therefore non corrigible systematic errors occur which are caused by slip, spin and by the change of wheel diameter due to fretting. Train control and traction systems require new robust as well as precise methods of speed measurement. Because of their physical properties, Doppler-radar-sensors attached to the vehicle and measuring ground speed are first choice for this range of applications. Currently used sensors cannot fulfil the high demands under all operating conditions, because they are unable to completely compensate the various interferences and systematic deviations. This is the starting point of this dissertation. Two independent diverse methods with optimised reliability and accuracy must be used to meet all requirements. Limited resources of the embedded digital signal processor system under real-time conditions have to be taken into account. According to the boundary conditions, the introductory chapters critically discuss the frequency analysis methods currently used and describe starting points for further development. This leads to the design of a new, robust, wideband spectral analysis which combines techniques of the dyadic wavelet transformation with the fast Fourier transformation. At the same time a new frame procedure and general model for the estimation of motion parameters is developed which features short delays. The disadvantages of the block-based discrete spectral analysis applied over continuous approaches are extensively compensated. The block structure of spectral data enables the selective use of new knowledge-based spectral filters for the compensation of the remaining intense interferences which are typical of this kind of application. Die Fahrzeuggeschwindigkeitsmessung ueber die Drehzahl eines Rades weist in Schlupf- und Schleuderzustaenden erhebliche systematische Abweichungen auf. Deshalb erfordern Zugbeeinflussungs- und Antriebssysteme neue gleichzeitig robuste und praezise Geschwindigkeitsmessmethoden. Die Mikrowellensensorik unter Nutzung des Dopplereffekts zwischen Fahrzeug und Gleisbett wird wegen ihrer physikalischen Eigenschaften fuer dieses Einsatzgebiet favorisiert. Bisherige Sensorapplikationen erfuellen aber die hohen Ansprueche nicht in allen Betriebszustaenden. Hier setzt die in dieser Arbeit beschriebene Sensorentwicklung auf. Zwei getrennt hergeleitete und nach Zuverlaessigkeit und Genauigkeit optimierte neue Verfahren koennen bei gleichzeitiger Anwendung die gestellten Anforderungen erfuellen. Dabei muessen auch die beschraenkten Ressourcen des eingebetteten digitalen Signalverarbeitungssystems unter Echtzeitbedingungen beruecksichtigt werden. Entsprechend dieser Randbedingungen findet einleitend eine kritische Betrachtung bestehender Frequenzanalysemethoden statt und Ansaetze fuer die Weiterentwicklung werden herausgearbeitet. Einerseits fuehrt dies zur Konstruktion einer neuen stoerunempfindlichen Weitbereichsspektralzerlegung, welche Ansaetze der dyadischen Wavelettransformation mit der Diskreten Fourier-Transformation verbindet. Andererseits wird ein neues Rahmenverfahren fuer die verzoegerungsarme Schaetzung der Bewegungsparameter des Fahrzeuges aufgrund seines physikalischen Bewegungsmodells hergeleitet und mit einem hochgenauen Frequenzauswerteverfahren kombiniert. Beide Verfahren basieren auf blockweisen diskreten Spektralzerlegungen, deren prinzipielle Nachteile gegenueber kontinuierlichen Ansaetzen weitgehend kompensiert werden koennen. Durch die Blockorganisation lassen sich neuartige wissensbasierte Spektralfilter selektiv zur Unterdrueckung starker bahnanwendungstypischer Stoereinfluesse einsetzen.