轨旁环境感知的发射器、采集器、接收器及通信感知系统的制作方法

本发明属于轨道运行安全运行领域，具体涉及轨旁环境感知的发射器、采集器、接收器及通信感知系统。

背景技术：

目前，随着全球经济的高速发展，交通运输已经成为人们日常生活的重要组成部分。轨道交通凭借其安全、快捷、无障碍、低污染等优势在交通运输体系中扮演着举足轻重的角色。轨道交通发展势头迅猛，已经引起了政府部门及众多专家学者的高度关注。目前，我国政府已经投入巨资进行轨道交通系统的建设。截至2017年，我国铁路运营总里程已超过12.7万公里。随着我国铁路运营里程的不断扩大，铁路轨旁基础设施的数量也急剧增长。隧道、桥梁、高架桥、无碴轨道及无缝线路等铁路基础设施的服役状态对列车运行安全起着至关重要的作用，因此，对铁路沿线各类基础设施的智能化监控变得尤为重要。此外，铁路沿线长期受到滑坡、泥石流等自然灾害的威胁，对铁路运营带来了巨大安全隐患，因此，对铁路沿线安全隐患的预警和监测分析也有着极其重要的现实意义。

近年来，随着通信技术及感知技术的不断发展，我国现已利用诸如铁路综合视频监控技术等多种监测手段实现了对于铁路沿线的安全监控。但是，轨道交通由于里程长、周边环境复杂，不可避免地会遇到一系列自然灾害造成的安全问题。而现有的铁路综合视频监控技术等多种监测手段因具有探测盲区、采集速度较慢、成本较高等问题，在实际应用上存在较大局限性。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了轨旁环境感知的发射器、采集器、接收器及通信感知系统。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明实施例提供了一种轨旁环境感知的发射器，包括：第一串并转换模块、星座映射模块、离散分数阶逆傅里叶变换模块、第一并串转换模块、第一数模转换模块和第一发射模块；其中，

所述第一串并转换模块用于将通信数据转换成第一并行信号；

所述星座映射模块用于将所述第一并行信号处理为第一星座信号；

所述离散分数阶逆傅里叶变换模块用于对所述第一星座符信号进行离散分数阶逆傅里叶变换，得到第一通信雷达一体化信号；

所述第一并串转换模块用于将所述第一通信雷达一体化信号转换为第一串行信号；

所述第一数模转换模块用于将所述第一串行信号转换为第一模拟信号；

所述第一发射模块用于发送所述第一模拟信号。

在本发明的一个实施例中，所述第一通信雷达一体化信号的子载波为lfm信号。

在本发明的一个实施例中，所述离散分数阶逆傅里叶变换模块包括：插入导频子模块、逆变换子模块和加入循环前缀子模块；其中，

所述导频子模块用于在所述第一星座信号中插入导频符号；

所述逆变换子模块用于对所述第一星座信号进行处理得到所述第一通信雷达一体化信号；

所述加入循环前缀子模块用于对所述第一通信雷达一体化信号加入循环前缀。

在本发明的一个实施例中，所述发射模块包括：射频子模块和天线子模块；其中，

所述射频子模块用于将所述第一模拟信号从基带信号转换成射频信号；

所述天线子模块用于将所述射频信号通过无线方式发射出去。

本发明实施例还提供了一种轨旁环境感知的采集器，包括：传感器模块、第二数模转换模块和第二发射模块；其中，

所述传感器模块用于采集环境参数数据；

所述第二数模转换模块用于将所述环境参数数据转换为第二模拟信号；

所述第二发射模块用于发送所述第二模拟信号。

本发明实施例又提供了一种轨旁环境感知的接收器，包括：接收模块、信号分离模块、通信处理单元和雷达感知处理单元；其中，

所述接收模块用于接收回波信号、第二模拟信号和第三模拟信号；

所述信号分离模块用于分离所述回波信号、所述第二模拟信号和所述第三模拟信号；

所述通信处理单元用于对分离后的所述第三模拟信号进行处理得到通信结果；

所述雷达感知处理单元用于对回波信号和分离后的所述第二模拟信号进行处理，得到感知结果。

在本发明的一个实施例中，所述通信处理单元包括：第一模数转换模块、第二串并转换模块、离散分数阶傅里叶变换模块、星座逆映射模块、第二并串转换模块；其中，

所述第一模数转换模块用于对所述第三模拟信号进行处理得到第二串行数据；

所述第二串并转换模块用于将所述第二串行数据转换为第二通信雷达一体化信号；

所述离散分数阶傅里叶变换模块用于对所述第二通信雷达一体化信号进行处理得到第二星座信号；

所述星座逆映射模块用于对所述第二星座信号进行处理，得到第二并行信号；

所述第二并串转换模块用于对所述第二并行信号进行处理，得到通信结果。

在本发明的一个实施例中，所述离散分数阶傅里叶变换模块包括：去除循环前缀子模块、变换子模块、信道估计子模块和均衡子模块；其中，

所述去除循环前缀子模块用于去除所述第二通信雷达一体化信号的循环前缀；

所述变换子模块用于将所述第二通信雷达一体化信号变换为所述第二星座信号；

所述信道估计子模块用于估计无线信道的状态参数以及时域或频域响应；

所述均衡子模块用于对所述第二星座信号进行信道均衡。

在本发明的一个实施例中，雷达感知处理单元包括：雷达信号处理模块、事件识别模块、第二模数转换模块和感知处理模块；其中，

所述雷达信号处理模块用于对所述回波信号进行处理得到雷达数据；

所述事件识别模块用于对所述雷达数据进行分析、识别得到雷达感知结果；

所述第二模数转换模块用于对所述第二模拟信号进行处理得到环境参数数据；

所述感知处理模块用于对所述雷达感知结果、所述环境参数数据进行数据融合处理，得到感知结果。

本发明实施例在提供了一种轨旁环境感知的通信感知系统，包括：上述的发射器，上述的采集器和上述的接收器。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明提供的轨旁环境感知的发射器、采集器、接收器及通信感知系统，通过发射器对通信数据进行处理，产生同时具有雷达感知和通信功能的一体化信号，其可以通过对铁路沿线的通信基站进行功能升级即可达到，使其能够对通信雷达一体化信号进行接收与处理。通过采集器可以对轨旁小尺度的环境变化数据进行采集，通过接收器可以接收其他发射器发送的通信雷达一体化信号，同时还可以接收回波信号，监测大尺度的基础设施和环境数据变化，此外接收器还可以接收采集器获取的轨旁环境参数，即在满足通信的同时，还可以通过雷达感知和传感感知进一步判断轨道安全，该系统的采集速度快、消除了探测盲区，大大降低了建造成本，提升轨道交通系统的安全等级。

附图说明

图1为本发明提供的一种轨旁环境感知的发射器的结构示意图；

图2为本发明提供的一种轨旁环境感知的采集器的结构示意图；

图3为本发明提供的一种轨旁环境感知的接收器的结构示意图；

图4为本发明提供的一种轨旁环境感知的通信感知系统结构示意图；

图5为本发明提供的基于frft-ofdm的通信雷达一体化波形和基于fft-ofdm的通信雷达一体化波形误码率仿真；

图6为本发明提供的基于fft-ofdm的通信雷达一体化波形模糊函数图(a)和基于frft-ofdm的通信雷达一体化波形模糊函数图(b)。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

无线通信和雷达感知，作为迄今已知的最普遍和最突出的两种无线电应用，从一开始，这两种应用就以完全不同的方式设计和开发。随着技术的发展，由于无线通信和雷达具有越来越相似的射频(rf)前端结构和在日益紧张的频谱资源下rf电波对带宽的更大需求，因此将通信和雷达集成变得越来越必要。通过将通信与雷达集成在通信雷达一体化系统中，不仅可以实现天线、发射器、接收器、信号处理器等硬件资源的共享，还可以实现频谱资源的共享。而频谱无论是对通信还是雷达都是十分宝贵的资源，对于通信系统，需要更大的带宽才能获得更大的信道容量；对于雷达系统，需要更大的带宽去提高距离分辨率。

通信雷达一体化的关键问题之一是波形设计，即如何设计出既能携带信息进行通信又能进行雷达感知的一体化波形。经典的雷达波形设计旨在产生具有最佳自相关特性的波形，满足这一要求的最经典的例子是chirp波形。chirp信号广泛应用于雷达，并且有许多基于chirp的波形设计研究。有人提出过，通过对通信信号乘以一个线性调频(lfm)的本地振荡器信号来产生通信雷达一体化信号，还有人提出过利用分数阶傅立叶变换(frft)对相位编码序列进行调制来产生通信雷达一体化信号，本实施例通过分数阶傅立叶变换对通信数据进行调制来产生通信雷达一体化信号。

请参见图1至图6，图1为本发明提供的一种轨旁环境感知的发射器的结构示意图；图2为本发明提供的一种轨旁环境感知的采集器的结构示意图；图3为本发明提供的一种轨旁环境感知的接收器的结构示意图；图4为本发明提供的一种轨旁环境感知的通信感知系统结构示意图；图5为本发明提供的基于frft-ofdm的通信雷达一体化波形和基于fft-ofdm的通信雷达一体化波形误码率仿真；图6为本发明提供的基于fft-ofdm的通信雷达一体化波形模糊函数图(a)和基于frft-ofdm的通信雷达一体化波形模糊函数图(b)。

本实施例提供了一种轨旁环境感知的发射器，如图1所示，包括：第一串并转换模块、星座映射模块、离散分数阶逆傅里叶变换模块、第一并串转换模块、第一数模转换模块和第一发射模块；其中，

所述第一串并转换模块用于将通信数据转换成第一并行信号；

所述星座映射模块用于将所述第一并行信号处理为第一星座信号；

所述离散分数阶逆傅里叶变换模块用于对所述第一星座符信号进行离散分数阶逆傅里叶变换，得到第一通信雷达一体化信号；

所述第一并串转换模块用于将所述第一通信雷达一体化信号转换为第一串行信号；

所述第一数模转换模块用于将所述第一串行信号转换为第一模拟信号；

所述第一发射模块用于发送所述第一模拟信号。

进一步地，所述第一通信雷达一体化信号的子载波为lfm信号。

进一步地，所述离散分数阶逆傅里叶变换模块包括：插入导频子模块、逆变换子模块和加入循环前缀子模块；其中，

所述导频子模块用于在所述第一星座信号中插入导频符号；

所述逆变换子模块用于对插入导频符号后的所述第一星座信号进行处理得到所述第一通信雷达一体化信号；

所述加入循环前缀子模块用于对所述第一通信雷达一体化信号加入循环前缀。

具体地，发射器在获取通信数据之后，通过第一串并转换模块对通信数据进行处理，其中，第一串并转换模块将串行的通信数据转换成多个并行的子数据流的第一并行信号。

星座映射模块对携带数字信息的第一并行信号映射成适于传输的符号序列，即第一星座信号。

第一星座信号进入导频子模块之后，导频子模块对在第一星座信号中插入导频符号，以便于在信号接收时利用导频符号按照某种算法进行信道估计，然后插入导频符号的第一星座信号进入逆变换子模块，逆变换子模块以正交的lfm信号作为子载波对该第一星座信号进行子载波调制，由于分数阶傅里叶变换非常适合于处理chirp(lfm信号是chirp信号的一种)信号，因此可以利用离散分数阶傅里叶逆变换实现该第一星座信号的调制，由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡将变得容易。在逆变换子模块对信号进行子载波调制之后，循环前缀子模块对调制后的信号加入了循环前缀，优选的，该循环前缀的长度至少与信道的最大延时相等，加入循环前缀可以有效的消除符号间的干扰和信道间的干扰，即生成frft-ofdm(基于分数阶傅里叶变换的正交频分复用)的第一通信雷达一体化信号。

在加入循环前缀之后，该信号输入第一并串转换模块，该模块将并行的子载波调制后的信号转换为串行的信号，即第一串行信号。

第一串行信号经过第一数模转换模块，将第一串行信号由数字信号转换成为模拟信号，即得到第一模拟信号。

进一步地，所述发射模块包括：射频子模块和天线子模块；其中，

所述射频子模块用于将所述第一模拟信号由基带信号转换成射频信号；

所述天线子模块用于将所述射频信号通过无线方式发射出去。

具体地，第一模拟信号进入射频子模块之后，该子模块将模拟信号调制成高频的射频信号，然后发生给天线子模块，天线子模块将该射频信号通过无线等方式发送出去。

本发明实施例还提供了一种轨旁环境感知的采集器，如图2所示，包括：传感器模块、第二数模转换模块和第二发射模块；其中，

所述传感器模块用于采集环境参数数据；

所述第二数模转换模块用于将所述环境参数数据转换为第二模拟信号；

所述第二发射模块用于发送所述第二模拟信号。

优选的，采集器为多个，分别铺设在轨道旁边的不同地方，采集器中的传感器模块用于采集轨道旁边的环境参数数据，传感器模块包括：温湿度传感器、压力传感器、重力传感器，风向传感器等环境传感器，分别用于采集轨道旁边的温湿度数据、压力数据、重力数据、风向数据等环境参数数据。采集数据之后，传感器模块将采集的环境参数数据发送至采集器的第二数模转换模块，该模块将这些环境参数数据转换为模拟信号并通过第二发射模块发送出去，其中，第二发射模块的工作原理与第一发射模块的工作原理相同，此处不再赘述。

本发明实施例又一种轨旁环境感知的接收器，如图3所示，包括：接收模块、信号分离模块、通信处理单元和雷达感知处理单元；其中，

所述接收模块用于接收回波信号、第二模拟信号和第三模拟信号；

所述信号分离模块用于分离所述回波信号、所述第二模拟信号和所述第三模拟信号；

所述通信处理单元用于对分离后的所述第三模拟信号进行处理得到通信结果；

所述雷达感知处理单元用于对回波信号和分离后的所述第二模拟信号进行处理，得到感知结果。

具体地，一个接收器布置在一个发射器的附近，接收模块用于接收回波信号，第二模拟信号和第三模拟信号，并将这些信号转换为基带的回波信号，第二模拟信号和第三模拟信号。其中，回波信号为该接收器附近的发射器发出的第一模拟信号经障碍物反射产生反射回波信号，第二模拟信号为采集器发送的第二模拟信号，第三模拟信号为其他远端布置的发射器发送的信号，第三模拟信号的调制与上述第一模拟信号的产生方式相同，仅以所承载的通信数据信息区别，产生方式此处不再赘述。

在接收模块接收到信号之后，信号分离模块根据接收到信号的相关性对该接收信号进行分离，其中，将分离出的第三模拟信号发送至通信处理单元，将回波信号和第二模拟信号发送至雷达感知处理单元。

进一步地，所述通信处理单元包括：第一模数转换模块、第二串并转换模块、离散分数阶傅里叶变换模块、星座逆映射模块、第二并串转换模块；其中，

所述第一模数转换模块用于对所述第三模拟信号进行处理得到第二串行数据；

所述第二串并转换模块用于将所述第二串行数据转换为第二通信雷达一体化信号；

所述离散分数阶傅里叶变换模块用于对所述第二通信雷达一体化信号进行处理得到第二星座信号；

所述星座逆映射模块用于对所述第二星座信号进行处理，得到第二并行信号；

所述第二并串转换模块用于对所述第二并行信号进行处理，得到通信结果。

进一步地，所述离散分数阶傅里叶变换模块包括：去除循环前缀子模块、变换子模块、信道估计子模块和均衡子模块；其中，

所述去除循环前缀子模块用于去除所述第二通信雷达一体化信号的循环前缀；

所述变换子模块用于将所述第二通信雷达一体化信号变换为所述第二星座信号；

所述信道估计子模块用于估计信道的状态参数以及时域或频域响应；

所述均衡子模块用于对所述第二星座信号进行信道均衡。

具体地，通信处理单元的信号解调与发射器的信号调制执行的是相反的操作，第一模数转换模块接收到分离模块发送的第三模拟信号之后，将该信号转换为数字信号发送至第二串并转换模块，第二串并转换模块对该信号进行串并转换，将该数字信号信号转换为并行数据，即第二通信雷达一体化信号。

然后，去除循环前缀子模块去除转换后的第二通信雷达一体化信号的循环前缀，其中，循环前缀的信息是冗余的，去除循环前缀并没有删除任何信息。接着，变换子模块对该信号利用离散分数阶傅里叶正变换进行解调，得到第二星座信号。信道估计子模块通过导频估计出该信号所在信道的状态参数以及时域或频域相应，以便于对该信号进行校正与恢复，提高接收的准确性，均衡子模块对该信号所在信道进行信道均衡，用以抵消信道的时变多径传播特性引起的码间干扰。

具体地，星座逆映射模块接收第二星座信号，并对第二星座信号进行处理，其处理方式与上述的星座映射相反，即将第二星座信号转换为二进制序列，得到第二并行信号。

具体地，第二并串转换模块接收第二并行信号将该并行信号转换为串行信号输出，从而输出得到通信结果。

优选的，上述的第一串并转换模块、第二串并转换模块、第一并串转换模块和第二并串转换模块均可以通过现有的串并转换器和并串转换器实现。

进一步地，雷达感知处理单元包括：雷达信号处理模块、事件识别模块、第二模数转换模块和感知处理模块；其中，

所述雷达信号处理模块用于对所述回波信号进行处理得到雷达数据；

所述事件识别模块用于对所述雷达数据进行分析、识别得到雷达感知结果；

所述第二模数转换模块用于对所述第二模拟信号进行处理得到环境参数数据；

所述感知处理模块用于对所述雷达感知结果、所述环境参数数据进行数据融合处理，得到感知结果。

具体地，由于第一模拟信号具有雷达信号的特性，其遇到障碍物进行反射，收到的第一模拟信号的反射信号为该回波信号，接收器的雷达信号处理模块接收信号分离模块发送的回波信号，并对该信号进行处理，优选的，通过动目标检测(mtd)等方法可以实现该信号的处理，得到易于分析和识别的雷达数据。事件识别模块再次对雷达数据进行分析，其可以通过大数据等分析该雷达数据，分析其产生原因，得到雷达感知结果。

第二模数转换模块接收第二模拟信号，其中第二模拟信号为上述采集器发送的环境参数数据，该模块将该第二模拟信号转换为数字信号，得到环境参数数据。

具体地，感知处理模块通过雷达感知结果以及环境参数数据，并与根据历史数据比对，对雷达感知和传感感知获得数据进行融合判断，具体分析产生该数据的原因，发送监测数据和预警信息，进而实现铁路基础设施和轨旁环境的高精度安全监测。

本发明实施例还提供了一种轨旁环境感知装置，如图4所示，包括上述的发射器和接收器，其工作原理与上述相同，此处不再赘述。

本发明实施例又提供了一种轨旁环境感知的通信感知系统，如图4所示，包括上述的发射器，上述的采集器和上述的接收器，其工作原理与上述相同，此处不再赘述。

为了进一步说明本实施例的效果，通过以下实验进一步说明。

由于列车运行速度快，导致其与基站的径向速度较大，会产生较大的多普勒频移，导致发射器和接收器之间产生频谱偏差，所以还需要考虑存在载波频偏下的通信误码率，对不同载波频偏下不同信噪比的通信误码率进行仿真。仿真中子载波数为8，采用bpsk进行调制，分数阶傅立叶变换阶数α＝1.584，ε是用子载波间隔进行归一化的载波频率偏移，无线信道为频率选择性瑞利衰落信道，仿真结果如图5所示。

基于frft-ofdm的通信雷达一体化信号波形和基于fft-ofdm的通信雷达一体化信号波形误码率均随着载波频偏的增大而增大，表明多普勒频移导致的载波频偏会使得通信的可靠性降低，但是在相同的载波频偏下，前者的误码率要显著低于后者的误码率，表明采用基于frft-ofdm的通信雷达一体化信号波形在存在载波频偏时的通信性能要优于传统的fft-ofdm信号。

进一步地，再次取64个子载波，每个子载波上传输8个符号，每个符号长度为25us，信号带宽为3.2mhz，调频率为1.25×10¹¹，用matlab仿真出基于fft-ofdm的通信雷达一体化信号波形和基于frft-ofdm的通信雷达一体化信号波形的模糊函数图，如图6所示。可以看出，基于fft-ofdm的通信雷达一体化信号的模糊函数图呈剪切刀刃型，会产生距离多普勒模糊，并且副瓣较高，测量精度较低，难以获得较好的距离和速度分辨率；而基于frft-ofdm的通信雷达一体化信号的模糊函数图大致呈图钉型，能够同时提供高的距离速度分辨率和测量精度，所以采用基于fft-ofdm的通信雷达一体化信号相比普通的通信信号具有很好的雷达感知功能。

本发明提供的轨旁环境感知的发射器、采集器、接收器及通信感知系统，通过发射器对通信数据进行处理，产生具有通信和雷达感知功能的一体化信号，其可以通过对铁路沿线的通信基站进行功能升级即可达到，使其能够对通信雷达一体化信号进行接收与处理。通过采集器可以对轨旁小尺度的基础设施和环境变化数据进行采集，通过接收器可以接收其他发射器发送的通信雷达一体化信号，同时还可以接收回波信号，监测大尺度的基础设施和环境数据变化，此外接收器还可以接收采集器获取的轨旁环境参数，即在满足通信的同时，还可以通过雷达感知和传感感知进一步判断轨道安全，该系统的采集速度快、消除了探测盲区，大大降低了建造成本，提升轨道交通系统的安全等级。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。