一种可组网的毫米波雷达铁路异物监测系统及其监测方法

本发明属于毫米波雷达，具体涉及一种铁路异物监测系统及其监测方法。

背景技术：

1、铁路运输在现代社会中起着重要的作用，确保铁路轨道的安全性和可靠性对于保障乘客和货物的安全至关重要。然而，铁路轨道上可能存在各种异物，如石块、木材、动物尸体、垃圾、工具、破损的轨道等。这些异物如果未及时发现和清理，可能会导致列车事故、设备损坏以及行车延误等问题，严重威胁到铁路运输系统的安全和效率。因此，对铁路轨道上的异物进行及时、准确的检测具有重要的意义。及时发现和清除异物可以保证铁路线路的畅通，减少列车事故的发生概率，提高列车运行的安全性和可靠性，同时减少行车延误和维修成本。

2、在确保铁路轨道安全和可靠性方面，传统的异物检测方法存在以下不足之处：传统的人力巡检方法依赖于巡检人员对铁路轨道进行定期检查，这种方法虽然直接但存在明显的缺点，人力巡检耗费大量人力资源，成本高昂，且巡检人员的工作效率有限，无法实现对铁路轨道的实时监控。此外，人力巡检容易受限于恶劣天气和复杂地形，存在漏检和误检的风险；超声波雷达技术利用声波在介质中的传播特性进行检测，但超声波信号在空气中的衰减较大，容易受到环境噪声和天气条件的影响，降低了检测的可靠性和准确性。此外，超声波雷达对小尺寸或低反射率的异物检测能力较弱，易造成漏检；激光雷达技术通过发射激光并接收反射信号来检测物体，具有高分辨率和高精度的特点。然而，激光雷达设备成本高昂，维护复杂，难以大规模部署应用于铁路轨道检测；视觉摄像头通过图像采集和处理技术进行异物检测，具有直观和易于理解的优点。摄像头的有效检测距离有限，难以在高速铁路环境中实现远距离预警；其次，视觉系统容易受到光照条件变化的影响，如强光、阴影、夜间等情况都会降低检测准确性；再者，图像处理算法对计算资源要求较高，实时性较差，难以应对高速移动的列车环境。

3、综上所述，传统的异物检测方法在铁路轨道监测中存在着各自的局限性，包括高成本、检测距离有限、受环境影响大、实时性不足等问题。这些不足使得这些传统方法难以满足现代铁路运输系统对高效、安全、实时监测的需求。因此，毫米波雷达技术作为一种新兴的检测手段，凭借其在恶劣环境下的可靠性、长距离检测能力和高精度的优势，成为铁路轨道异物检测的优选方案。

4、经过检索，申请公开号cn115755025a，一种基于毫米波雷达的高速铁路障碍监测与预警方法，包括步骤：1)把一组的两套毫米波雷达模块布设于高铁轨道监测点位附近；2)由毫米波雷达对异物侵入轨道状况进行监测；3)判断异物侵入轨道的真实性。同组的两个毫米波雷达模块有间距；两套毫米波雷达模块在相邻时隙交替发送连续调频波，发射朝向为异物可能侵入方向；第一毫米波雷达模块发送信号时，第一、二毫米波雷达模块同时监测回波信号；第二毫米波雷达模块发送信号时，第二、一毫米波雷达模同时监测回波信号；第一毫米波雷达模块发送信号为奇数时隙；第二毫米波雷达模块发送信号为偶数时隙；奇数时隙时，异物距离解算由第二毫米波雷达模块进行，异常监测由第一毫米波雷达模块进行。

5、该专利是基于毫米波雷达的铁路雷达异物监测，使用两个毫米波雷达间隔收发，从而实现对目标的检测和横向长度估计，但是无法对目标进行准确定位。而本专利使用单个多发多收的毫米波雷达，相比之下，本专利提出了一种使用单个多发多收的毫米波雷达的新方法，通过阵列间的相位差测量来计算目标的角度信息，从而实现对目标的三维定位，不仅能定位物体三维位置，也能判断物体体积等信息。

6、此外，由于铁路异物多为横向穿过，毫米波发射朝向为异物可能侵入方向，因此该专利的两个毫米波雷达相向布置，而毫米波雷达的扫描孔径是有限的，这导致该专利一套设备的检测范围将远小于本专利的检测范围。

7、此外，本专利名为一种可组网的毫米波雷达铁路异物监测系统及其监测方法，一个组网部分由多个主机和一个服务端组成，主机接收信息发送至服务端同时处理，一个主机的检测范围为100米，一个组网可包含范围一公里甚至更多。且主机和服务端可自由配对，从而实现大范围的铁路异物监测。

8、同时，本发明的毫米波雷达配有成像系统，可以对可疑异物实时成像，使监测更有效。

技术实现思路

1、本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种可组网的毫米波雷达铁路异物监测系统及其监测方法。本发明的技术方案如下：

2、一种可组网的毫米波雷达铁路异物监测系统，其包括：安装在铁轨附近的主机部分和安装在铁路控制中心的服务端；所述主机部分包括：毫米波雷达soc模块、主机fpga处理模块、主机无线通信模块；所述服务端包括：服务端无线通信模块、服务端fpga处理模块、显示设备；其中，

3、所述毫米波雷达soc模块用于发射毫米波信号并接收返回的反射波；所述主机fpga处理模块用于接收和处理来自毫米波雷达soc模块的返回信号数据，包括对信号进行解调、滤波和去噪操作；所述主机无线通信模块用于将主机fpga处理模块处理后的数据远距离传输给安装在铁路中心服务端的无线通信模块，并接收来自服务端的控制和反馈信号；

4、所述服务端无线通信模块用于接收来自主机部分fpga处理模块处理后的雷达信号，并将这些数据传输给服务端的fpga处理模块进行进一步的处理和分析，并发送服务端的控制和反馈信号至主机部分；所述服务端fpga处理模块用于对从主机部分传输过来的数据进行接收和解析，对来自多个主机的雷达信号进行汇总和整合，并将合成的定位数据传递给后续的智能分析算法；一旦智能分析算法识别出潜在的危险目标，fpga处理模块将结果发送到服务端的显示设备，并通过服务端的无线通信模块向安装在铁轨附近的主机部分发送警报。

5、进一步的，所述主机fpga处理模块用于接收和处理来自毫米波雷达soc模块的返回信号数据，包括对信号进行解调、滤波和去噪操作，具体包括：雷达将发射调频连续波，即频率随时间线性变化的连续波信号，目标物体反射回来的信号的频率也会随时间变化，通过距离产生的时间延迟，用于比较发射信号和接收信号的差频，计算出目标距离；此外，雷达将使用阵列天线进行波束成形和方向测量；通过比较不同天线接收信号的相位差，可以计算出目标的方位角和俯仰角；雷达还可以通过多普勒效应获取目标的速度，由于目标的相对运动会导致回波信号的频率发生变化，通过分析接收信号的频率变化，计算目标的速度；通过分析信号的特征，识别可能存在的异物目标，并标记疑似有异物出现的帧数据；一旦确定疑似有异物出现的数据帧，fpga处理模块将这些帧数据进行打包，并通过无线通信模块传输给铁路控制中心服务端。

6、进一步的，所述智能分析算法具体包括：

7、数据预处理：对雷达原始信号进行预处理，去除噪声，提取有用的信息。目标检测：使用恒虚警率目标检测算法检测是否存在异物。特征提取：从检测到的目标信号中提取关键特征，如位置、速度等。分类识别：利用深度学习模型对目标进行分类识别。轨迹初始化：为新检测到的目标初始化轨迹。状态更新：使用卡尔曼滤波法更新目标的状态估计。数据关联：确定雷达测量与目标之间的关联。异常检测：监测目标行为是否异常，如有异常则触发报警。

8、进一步的，所述毫米波雷达soc模块使用基于e波段soc的多片mimo雷达稀疏阵列，每个mimo单元包含3个发射天线和4个接收天线，发射天线以4倍波长均匀排列，接收天线以1倍波长均匀排列；每个发射天线工作时，所有接收天线同时工作，共计可得12个等效采样点，即收发天线连线的中点，即等效相位中心点，且等效采样点间隔为半波长；然后，基于mimo单元设计扫描线阵；为保证在阵列方向上取得以半波长均匀排布的等效采样点，利用两个mimo单元组成一个阵列单元，每个阵列单元中的两个mimo单元180度旋转对称且相临mimo单元间最近的收发单元间隔为半波长。

9、进一步的，所述主机fpga处理模块使用基于risc-v指令集架构的蜂鸟e203soc作为平台，利用risc-v指令集的高度可扩展性通过nice总线控制定位加速核对雷达原始信号进行处理，并在此基础上根据需求可增加滑台控制系统、毫米波数据采集电路，从而实现对目标的三维成像。滑台控制系统通过fpga端作为主控，使用计数器来产生固定时钟周期的脉冲信号。通过fpga的引脚连接到电机控制器，从而控制电机精确地推动毫米波雷达传感器进行毫米级别的滑动。实现对雷达传感器的精确运动控制。毫米波数据采集电路，通过将雷达传感器收集到的待测目标回波信号通过高速spi接口传输回fpga进行处理，最终实现对目标的三维成像。

10、进一步的，所述服务端fpga处理模块接收来自毫米波雷达soc模块的原始雷达帧数据后，对雷达数据进行快速傅里叶变换，提取目标的距离和速度信息，通过将时间域信号转换到频率域，获得目标的距离、多普勒频移和角度信息；之后，使用恒虚警率检测目标检测算法，对频域数据进行分析，识别出可能存在的目标回波信号，并提取相关参数；利用多输入多输出mimo技术，进一步计算目标的角度信息，对多个接收天线的信号进行空间处理，确定目标的方位角和仰角；随后，将检测到的目标距离、速度和角度信息整合，生成目标的三维空间坐标，形成点云数据，每个点云代表一个目标的空间位置；此外，fpga还会对生成的点云数据进行包括去除噪点、聚类分析在内的后处理。

11、进一步的，所述恒虚警率检测目标检测算法具体包括：

12、选择一个目标单元，在其周围选取参考单元并排除保护带内的单元以避免目标信号的影响；利用参考单元的数据估计背景噪声的统计特性；根据预定的虚警概率计算检测阈值；最后将目标单元的信号强度与阈值进行比较，若信号强度大于阈值，则判定目标单元中存在目标信号，反之则不存在目标信号；对所有待检测的单元重复执行这一过程。

13、进一步的，所述主机无线通信模块使用基于rola协议的e22通信模块，rola协议通过线性调频扩频技术和时分多址技术，实现了低功耗和长距离的无线通信。

14、一种基于任一项所述系统的铁路异物监测方法，其包括以下步骤：

15、a)信号发射和接收：毫米波雷达soc模块：发射毫米波信号，并接收从轨道反射回来的信号；

16、b)初步信号处理：fpga处理模块：对接收的信号进行解调、滤波和去噪，识别可能存在的异物目标，标记疑似异物的帧数据；

17、c)数据传输：主机无线通信模块：将标记的帧数据进行打包，并远距离传输至铁路控制中心的服务端；

18、d)数据接收：服务端无线通信模块：接收来自主机部分的打包数据，并传输给服务端的fpga处理模块；

19、e)数据汇总和分析：服务端fpga处理模块：对接收到的多个主机的数据进行汇总和解析，生成合成的定位数据；对合成的定位数据进行智能分析，识别出潜在的危险目标；

20、f)结果输出和警报：将分析结果在显示设备上显示，通过服务端的无线通信模块向主机部分发送警报信号。

21、本发明的优点及有益效果如下：

22、本发明采用了基于e波段soc的多片mimo雷达稀疏阵列，每个mimo单元包含3个发射天线和4个接收天线。通过两个mimo单元组成的阵列单元，确保了等效采样点以半波长均匀分布，优化了阵列设计，提高了角度估计的准确性。这种设计能够更准确地估计目标的位置信息，包括距离、方位角和俯仰角，从而提高了系统的定位精度，从而帮助及时发现并定位轨道上的异物，保障列车运行安全。

23、主机fpga处理模块使用基于risc-v指令集架构的soc作为平台，并集成智能分析算法。通过实时信号处理和智能算法，能够实现对目标的快速识别与分类。利用risc-v指令集的高度可扩展性，可根据需求扩展其他功能，提高了检测的准确性。

24、系统采用主机部分和服务端的分布式架构，通过无线通信模块实现数据传输。能够实现远程监控和管理，便于集中控制和维护。利用基于rola协议的通信模块，确保了低功耗和长距离的无线通信，增强了系统的实用性和稳定性。在铁路异物监测中，整个系统可以对分布在不同地点的监测站点进行远程监控，提高了系统的管理和维护效率。

25、使用的毫米波雷达技术，即使在恶劣天气条件下也能保持高效的工作能力。毫米波雷达的穿透力强，能够有效穿透雨、雪、雾等环境因素，保证全天候监测。这一点对于铁路异物监测非常重要，因为无论天气条件如何变化，系统都能够持续有效地工作，确保铁路的安全运行。