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专利名称：基于雷达回波特征的铁路路障探测与告警方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于智能交通管理技术领域，具体涉及一种基于雷达回波特征的铁路路障探测与告警方法及装置，主要由毫米波雷达探测器、GPS及惯性导航装置、数据处理及显控预警平台组成。
背景技术：
随着我国铁路网建设步伐的加大及列车速度的逐年提高，尤其是高铁建设的加快，列车行车安全越来越受到重视。传统上在事故易发地段设置工作人员，利用人工排查隐患的方式随着铁路总里程的增加已不能满足需求，况且还存在一些必须监测而不适合人类工作的地段。现行的铁路路障检测技术主要有两类一类是在关键路段安装监测设备，另一类是在运动平台(即列车)上安装光学传感器。在关键路段安装监测设备，这类技术能有效的监测特殊地段的路况，但对于未安装传感器的非特殊路段的突发状况(如山体滑坡、泥石流等)，这类技术可能失效。因此迫切需要车载探障系统，在行车过程中，对前方路面进行不间断探测，及时反馈路面信息。在运动平台上安装光学传感器，运用图像检测的相关理论来进行障碍物检测。这类技术可实现动、静障碍物的快速检测，但是光学传感器受天气影响较大，无法满足高铁路障探测全天候工作的需求。在平台上安装雷达探测器，一般的技术路线是对路面进行成像，或对障碍物进行目标识别。成像方式由于在速度方向上存在严重的距离方位耦合在技术上难以实现。目标识别方式算法复杂，运算量大，难以实时实现，识别率也较低，技术上还有待机一部突破。除此，成像方式及目标识别方式所需的硬件平台较为复杂，这将导致系统研发制造成本的增加，不利于系统的推广普及。传统上的雷达探障系统，往往会考虑利用雷达的高分辨特性，对路面进行成像，对障碍物进行识别。由于成像区域位于列车正前方，SAR成像方式存在严重的距离-方位耦合而无法成像。另外，采用雷达成像的方式，系统的实时性得不到保证，制造成本也会因系统复杂性的增加而增加。

发明内容
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于雷达回波特征的铁路路障探测与告警方法及装置，通过将实时毫米波雷达回波特征与历史统计回波特征进行比对，实现对铁路路障的全天候探测与告警。技术方案一种基于雷达回波特征的铁路路障探测与告警方法，其特征在于步骤如下步骤1:将雷达安装在列车前部，调整天线波束指向与列车行进方向一致；步骤2 :在列车行进过程中，雷达向列车前进方向发射毫米波段线性调频信号，雷达天线将接收到的射频回波信号进行下变频处理后得到中频信号；步骤3 :将中频信号再次下变频后得到视频信号，对视频信号进行IQ正交采样后，得到和通道I/Q、差通道I/Q四路信号；步骤4 :采用脉冲压缩技术和动目标检测MTD技术，同时对四路信号进行处理；步骤5 :然后利用恒虚警技术CFAR，对步骤4处理得到四路数据中的和I/Q两路数据进行处理，得到一组过恒需警门限的目标幅度amp及其对应的采样点位置m，并由此得到
目标点与雷达间的距离为$ = ^■，式中c为光速，fs为系统采样频率；步骤6 :利用单脉冲测角技术，根据5中得到的采样点位置m，和步骤3中的和通道I/Q、差通道I/Q四路数据，对相应位置的目标进行测角，，得到与步骤5中目标幅度序列、距离序列相对应的一组角误差序列；步骤7 :将步骤5和步骤6中得到的目标特征信息目标幅度、距离、角误差，以及GPS惯导系统上报的当前列车位置数据，计算目标相对列车起点站的距离Rtl = R+RyR为雷达测得的距离，Re为根据GPS数据计算的车头当前位置与起点站的距离，将上述目标特征信息与路面雷达回波特征数据库中Rtl位置的回波统计特征数据进行比对将检测时间内的实时目标幅度与路面雷达回波特征数据库中的目标幅度高出IOdB的次数达到总上报次数的一半及一半以上时，给出提醒驾驶员处理险情的预警信号并进行显示；所述检测时间为0. 5 0. 6秒。所述路面雷达回波特征数据库的建立步骤

步骤a :将雷达安装在列车前部，调整天线波束指向与列车行进方向一致；步骤b :在列车行进过程中，雷达向列车前进方向发射毫米波段线性调频信号，雷达天线将接收到的射频回波信号进行下变频处理后得到中频信号；步骤c :将中频信号再次下变频后得到视频信号，对视频信号进行IQ正交采样后，得到和通道I/Q、差通道I/Q四路信号；步骤d :采用脉冲压缩技术和动目标检测MTD技术，同时对四路信号进行处理；步骤e :然后利用恒虚警技术CFAR，对步骤4处理得到四路数据中的和I/Q两路数据进行处理，得到一组过恒需警门限的目标幅度amp及其对应的采样点位置m，得到目标点
与雷达间的距离岁，式中c为光速，fs为系统采样频率；步骤f :然后利用恒虚警技术CFAR，对步骤4处理得到四路数据中的和I/Q两路数据进行处理，得到一组过恒需警门限的目标幅度amp及其对应的采样点位置m，并由此得到
目标点与雷达间的距离为A = ^■，式中c为光速，fs为系统采样频率；步骤g :将所有数据按绝对距离由近到远存储，得到单趟跑车的绝对距离，目标幅度和测角误差的特征数据库数据信息；步骤h :重复4-5次步骤f步骤6，得到各趟的特征数据库信息；将多个特征数据库的信息按绝对距离求统计平均值，得到模板特征数据库；所述数据库内的目标幅度和测角误差的统计特征按绝对距离进行排列。一种实现所述基于雷达回波特征的铁路路障探测与告警方法的系统，其特征在于包括GPS惯导组合导航定位装置、雷达探测器和与之连接的数据处理及显示控制平台；所述雷达探测器包括单脉冲天线、频率综合器、毫米波收发模块、中频接收机及信号处理器；GPS及惯性导航装置对列车进行实时定位，并将定位信息送入数据处理单元；单脉冲天线接收毫米波探测系统发射信号的空间定向辐射和目标回波信号电磁能量，以实现和差比幅单脉冲测角；频率综合器用于产生线性调频信号和微波基准信号，并送入毫米波收发模块；同时产生定时基准信号，送入信号处理器分系统；毫米波收发模块产生毫米波段的线性调频信号，放大到所需功率后通过天线进行发射；并将通过天线接收到的目标回波信号进行频率变换和放大后送入中频接收机分系统；中频接收机对来自毫米波收发模块的和信号、差信号进行滤波、放大和自动增益控制，然后送入信号处理器；信号处理器及显示控制平台对接收的目标回波信号进行检测，完成对回波的幅度、角度及角误差特征进行提取；同时对处理后的信息进行显示。有益效果本发明提出的一种基于雷达回波特征的铁路路障探测与告警方法及装置，列车高速行驶时，雷达探测器实时提取前方路面的雷达回波特征，数据处理及显控预警平台根据GPS惯性导航系统给出的列车位置信息，从存储器中读取列车安全行驶时的历史回波特征统计数据，并进行比对。若回波特征出现异常起伏的情况，系统给出告警信号，在保证安全刹车距离前提下，给驾驶员提供足够的处理时间。本发明所涉及的毫米波雷达探测距离远，分辨率高，能通过信号的实时处理得到前方的路面信息，且不受天气和气候的影响，系统简单可行，能满足高铁障碍探测的需求。本发明与现有技术相比较所具有的有益效果是I)与常规的路面安全设施相比，本系统直接安装在列车上，可以在列车行驶过程中对前方路面进行不间断的检测，可以在路面监测设施失效时使用，进一步提高列车的行车安全。2)本发明所涉及的雷达探障与告警系统，采用的是毫米波体制，系统探测不受天气与气候的影响，具有全天候、全天时等优点。3)本发明所涉及的雷达探障与告警系统，通过雷达回波特征实时提取与比对来实现障碍探测，回避了复杂的雷达成像、目标识别等问题，设计简单，有利于低成本实现。


图1 :本发明的系统组成框图；图2 :本发明方法的信号处理流程图；图3 :无障碍物时回波幅度示意图；图4 :无障碍物时测角误差示意图；图5 :存在障碍物时回波幅度示意图；图6 :存在障碍物时测角误差示意图；图7 :铁轨障碍物示意图；图8 :碍物存在前后回波幅度统计特性。
具体实施例方式现结合实施例、附图对本发明作进一步描述铁路路障监测，最直观有效的方法是成像，通过图像处理技术和驾驶员的判断来调整行车速度。传统的成像方式一般为光学成像，包括红外成像、C⑶摄像等。作为路况监测，光学成像方式目前所能达到的作用距离足以满足探测需求。但是，光学成像受天气影响太大，在雨、雾等恶劣条件下，成像受到严重影响。据此，可以考虑利用毫米波的全天候效应，通过雷达探测器对路况进行实时监测。考虑到列车在运行过程中，只需要知道前方是否存在影响行车安全的障碍物即可，而不需要了解障碍物的其他属性。据此本发明提出一种利用雷达回波特征进行比对的方法来进行路障探测，主要思路为列车行驶过程中，实时提取毫米波雷达探测器的回波特征(距离、幅度及测角信息等)，根据GPS及惯性导航装置给出的列车位置信息，从存储器中读取列车安全行驶时的历史回波特征统计数据，并进行比对。若回波特征出现异常起伏，则表明前方存在安全隐患，系统给出告警信号。本发明实施例中涉及的系统平台组成如下系统主要由雷达探测器、数据处理及显示控制平台、GPS及惯性导航装置组成，图1为系统组成框图。其中雷达探测器各分系统功能如下天线罩用于保护天馈线和其它分系统免受自然环境和空气动力学的影响，保证实际使用环境下探测系统能正常工作；同时以尽可能小的损失透射电磁波。天馈线主要用于毫米波探测系统发射信号的空间定向辐射和目标回波信号电磁能量的接收，实现和差比幅单脉冲测角。频率源主要用于产生线性调频信号和微波基准信号，送入毫米波收发模块；同时产生定时基准信号，送入信号处理器分系统。毫米波收发模块产生毫米波段的线性调频信号，放大到所需功率后通过天线发射出去；并将通过天线接收到的目标回波信号进行频率变换和放大后送入中频接收机分系统。中频接收机对来自毫米波收发模块的和信号、差信号进行滤波、放大和自动增益控制，然后送入信号处理器。信号处理器主要用于对目标回波信号进行检测，完成对回波特征(如幅度，角度及角误差等)的提取。信号处理器处理流程如图2所示。数据处理及显示控制平台、GPS及惯性导航装置功能如下GPS及惯性导航装置，主要是对列车进行实时定位，并将定位信息送入数据处理单
J Li o数据处理单元及显示控制平台，完成模式控制、定位信息校正、数据库信息管理、实时回波特征比对以及与其他控制系统进行信息交换等。本发明实施例的基于雷达回波特征的铁路路障探测与告警处理过程如下I)路面雷达回波特征数据库路障检测系统在列车安装完毕后，在正式投入运营前需要沿列车运行线路建立路面雷达回波特征数据库。具体步骤为列车运行时，雷达探测器波束照射铁路路面，并将提取的回波特征传输到数据处理单元，数据处理单元结合GPS惯导系统的位置信息，按距离沿列车运行线路建立雷达回波特征数据库。通过多次运行与更新数据库，建立路面回波特征统计数据库。步骤1:在列车行进过程中，雷达向列车前进方向发射毫米波段线性调频信号，雷达天线将接收到的射频回波信号进行下变频处理后得到中频信号；步骤2 :将中频信号再次下变频后得到视频信号，对视频信号进行IQ正交采样后，得到和通道I/Q、差通道I/Q四路信号；步骤3 :采用脉冲压缩技术和动目标检测MTD技术，同时对四路信号进行处理；步骤4 :然后利用恒虚警技术CFAR，对步骤4处理得到四路数据中的和I/Q两路数据进行处理，得到一组过恒需警门限的目标幅度amp及其对应的采样点位置m，得到目标点
与雷达间的距离# = ，式中c为光速，fs为系统采样频率；步骤5 :然后利用恒虚警技术CFAR，对步骤4处理得到四路数据中的和I/Q两路数据进行处理，得到一组过恒需警门限的目标幅度amp及其对应的采样点位置m，并由此得到
目标点与雷达间的距离为ifZg，式中c为光速，fs为系统采样频率；步骤6 :将所有数据按绝对距离由近到远存储，得到单趟跑车的绝对距离，目标幅度和测角误差的特征数据库数据信息；步骤7 : 重复4-5次步骤f步骤6，得到各趟的特征数据库信息；将多个特征数据库的信息按绝对距离求统计平均值，得到模板特征数据库；所述数据库内的目标幅度和测角误差的统计特征按绝对距离进行排列。在行进中利用本发明的装置和已经建立的数据库，对铁路路障进行探测和告警步骤1:将雷达安装在列车前部，调整天线波束指向与列车行进方向一致；步骤2 :在列车行进过程中，雷达向列车前进方向发射毫米波段线性调频信号，雷达回波特征提取主要是在雷达探测器的信号处理部分完成，处理流程如图2所示雷达回波信号经天线接收、收发模块下变频、中频接收机中频接收并IQ正交采样后，形成和通道1、Q，差通道1、Q四路视频信号进入信号处理器；步骤4 :信号处理器首先对四路信号进行直流校正、脉冲压缩以及动目标检测(MTD)检测处理；步骤5 :信号处理器继续利用恒虚警技术CFAR，对步骤4处理得到四路数据中的和I/Q两路数据进行处理，得到一组过恒需警门限的目标幅度amp及其对应的采样点位置m，
并由此得到目标点与雷达间的距离为$ = ||，式中c为光速，fs为系统采样频率；步骤6 :信号处理器利用单脉冲测角技术，根据5中得到的采样点位置m，和步骤3中的和通道I/Q、差通道I/Q四路数据，对相应位置的目标进行测角，，得到与步骤5中目标幅度序列、距离序列相对应的一组角误差序列；步骤7 :信号处理器将步骤5和步骤6中得到的目标特征信息目标幅度、距离、角误差，以及GPS惯导系统上报的当前列车位置数据，计算目标相对列车起点站的距离Rtl =R+Rg, R为雷达测得的距离，Re为根据GPS数据计算的车头当前位置与起点站的距离，将上述目标特征信息与路面雷达回波特征数据库中Rtl位置的回波统计特征数据进行比对将检测时间内的实时目标幅度与路面雷达回波特征数据库中的目标幅度高出IOdB的次数达到总上报次数的一半及一半以上时，给出提醒驾驶员处理险情的预警信号并进行显示；所述检测时间为0. 5 0. 6秒。当铁轨内无障碍物存在时，两条铁轨分别位于主波束中心两侧相同距离的位置，两边铁轨能量相当，距离波门内的雷达回波中在波束照射区域内的回波幅度起伏较小，合成目标的方位测角将近视为零度，如图3、图4所示。如果存在障碍物时，如图7所示，根据障碍物所在位置将会对回波引起不同的变化。在靠近探测器方向由于障碍物的反射作用幅度增加，背向方向由于障碍物会遮挡住一部分铁轨，会造成回波在一定距离内幅度略有减小。同时障碍物的存在还会引起方位测角误差的变化。靠近障碍物的一方铁轨能量较多，在复合成一个目标时，会造成目标偏向有障碍物的一方，所以此时目标测角误差将偏离零度，如图5、图6所示。图8左图为无障碍条件下建立的模板数据库，使用的是雷达回波幅度特征，图8右图为试验平台实时运行时的雷达回波幅度。3)数据库更新与维护系统投入运营后，记录列车运行时雷达回波特征数据，在列车到达终点站后，将出现险情段的数据剔除后，采用加权平均的方式，对原有模板数据库进行更新与维护。
权利要求
1.一种基于雷达回波特征的铁路路障探测与告警方法，其特征在于步骤如下步骤1:将雷达安装在列车前部，调整天线波束指向与列车行进方向一致；步骤2 :在列车行进过程中，雷达向列车前进方向发射毫米波段线性调频信号，雷达天线将接收到的射频回波信号进行下变频处理后得到中频信号；步骤3:将中频信号再次下变频后得到视频信号，对视频信号进行IQ正交采样后，得到和通道I/Q、差通道I/Q四路信号；步骤4 :采用脉冲压缩技术和动目标检测MTD技术，同时对四路信号进行处理；步骤5 :然后利用恒虚警技术CFAR，对步骤4处理得到四路数据中的和I/Q两路数据进行处理，得到一组过恒需警门限的目标幅度amp及其对应的采样点位置m，并由此得到目标点与雷达间的距离为f = ，式中c为光速，fs为系统采样频率；步骤6 :利用单脉冲测角技术，根据5中得到的采样点位置m，和步骤3中的和通道I/Q、差通道I/Q四路数据，对相应位置的目标进行测角，，得到与步骤5中目标幅度序列、距离序列相对应的一组角误差序列；步骤7 :将步骤5和步骤6中得到的目标特征信息目标幅度、距离、角误差，以及GPS惯导系统上报的当前列车位置数据，计算目标相对列车起点站的距离Rtl = IHRe, R为雷达测得的距离，Re为根据GPS数据计算的车头当前位置与起点站的距离，将上述目标特征信息与路面雷达回波特征数据库中Rtl位置的回波统计特征数据进行比对将检测时间内的实时目标幅度与路面雷达回波特征数据库中的目标幅度高出IOdB的次数达到总上报次数的一半及一半以上时，给出提醒驾驶员处理险情的预警信号并进行显示；所述检测时间为O. 5 O. 6秒。
2.根据权利要求1所述基于雷达回波特征的铁路路障探测与告警方法，其特征在于所述路面雷达回波特征数据库的建立步骤步骤a :将雷达安装在列车前部，调整天线波束指向与列车行进方向一致；步骤b :在列车行进过程中，雷达向列车前进方向发射毫米波段线性调频信号，雷达天线将接收到的射频回波信号进行下变频处理后得到中频信号；步骤c :将中频信号再次下变频后得到视频信号，对视频信号进行IQ正交采样后，得到和通道I/Q、差通道I/Q四路信号；步骤d :采用脉冲压缩技术和动目标检测MTD技术，同时对四路信号进行处理；步骤e :然后利用恒虚警技术CFAR，对步骤4处理得到四路数据中的和I/Q两路数据进行处理，得到一组过恒需警门限的目标幅度amp及其对应的采样点位置m，得到目标点与雷D cm达间的距离岁式中C为光速，fs为系统采样频率；步骤f :然后利用恒虚警技术CFAR，对步骤4处理得到四路数据中的和I/Q两路数据进行处理，得到一组过恒需警门限的目标幅度amp及其对应的采样点位置m，并由此得到目标点与雷达间的距离为W = 式中c为光速，fs为系统采样频率；步骤g :将所有数据按绝对距离由近到远存储，得到单趟跑车的绝对距离，目标幅度和测角误差的特征数据库数据信息；步骤h :重复4-5次步骤f步骤6，得到各趟的特征数据库信息；将多个特征数据库的信息按绝对距离求统计平均值，得到模板特征数据库；所述数据库内的目标幅度和测角误差的统计特征按绝对距离进行排列。
3.一种实现权利要求Γ2任一项所述基于雷达回波特征的铁路路障探测与告警方法的系统，其特征在于包括GPS惯导组合导航定位装置、雷达探测器和与之连接的数据处理及显示控制平台；所述雷达探测器包括单脉冲天线、频率综合器、毫米波收发模块、中频接收机及信号处理器；GPS及惯性导航装置对列车进行实时定位，并将定位信息送入数据处理单元；单脉冲天线接收毫米波探测系统发射信号的空间定向辐射和目标回波信号电磁能量，以实现和差比幅单脉冲测角；频率综合器用于产生线性调频信号和微波基准信号，并送入毫米波收发模块；同时产生定时基准信号，送入信号处理器分系统；毫米波收发模块产生毫米波段的线性调频信号，放大到所需功率后通过天线进行发射；并将通过天线接收到的目标回波信号进行频率变换和放大后送入中频接收机分系统；中频接收机对来自毫米波收发模块的和信号、差信号进行滤波、放大和自动增益控制，然后送入信号处理器；信号处理器及显示控制平台对接收的目标回波信号进行检测，完成对回波的幅度、角度及角误差特征进行提取；同时对处理后的信息进行显示。
全文摘要
本发明涉及一种基于雷达回波特征的铁路路障探测与告警方法及装置，列车高速行驶时，雷达探测器实时提取前方路面的雷达回波特征，数据处理及显控预警平台根据GPS惯性导航系统给出的列车位置信息，从存储器中读取列车安全行驶时的历史回波特征统计数据，并进行比对。若回波特征出现异常起伏的情况，系统给出告警信号，在保证安全刹车距离前提下，给驾驶员提供足够的处理时间。本发明所涉及的毫米波雷达探测距离远，分辨率高，能通过信号的实时处理得到前方的路面信息，且不受天气和气候的影响，系统简单可行，能满足高铁障碍探测的需求。
文档编号G01S13/02GK103033808SQ20121056689
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月24日 优先权日2012年12月24日
发明者张江华, 杜勇, 万红进, 习远望, 王建超, 杨海栗 申请人:西安电子工程研究所