CN106501796A - 一种列车测速方法、装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种列车测速方法、装置及系统，所述方法包括：在列车通过射频信号发射装置的预设时间段内，通过所述列车的车载天线与所述射频信号发射装置进行通信，获取多个通信信号，并进一步对获得的通信信号进行数据处理、数据筛选后，获得第一预设时间段对应的第一组频率值和第二预设时间段对应的第二组频率值，并根据所述第一组频率值与所述第二组频率值得到多普勒频移及通信信号的原始频率，并基于多普勒效应的原理获得所述列车的平均速率。如此，本发明能够利用固定的射频信号发射装置与车载天线通信，产生多普勒效应而进行测速，无需使用多普勒雷达，有效减小了测量误差，并提高了测量效率。
Description
技术领域
本发明涉及列车测速技术领域，尤其涉及一种列车测速方法、装置及系统。
背景技术
在轨道交通中广泛使用多普勒雷达对列车速度进行测量。多普勒雷达的工作原理是雷达向前方发出脉冲，当收到反射脉冲后计算由多普勒效应引起的频率变化进而获得速度。
在轨道交通中，多普勒雷达普遍使用24.000GHz—24.250GHz频段，这个频段具有较好的视距传播特性，能够消除多径效应的不良影响等优点。当列车在高速运行时，多普勒雷达能够提供比较好的测量精度。但是在低速的情况下测量误差会比较大。
具体来说，多普勒效应的公式如下：
其中，Δf表示多普勒频率，ΔV表示相对速度，c表示光速，f为信号频率。则从理论上分析，f频率越高，在相同的速度下引起的频率变化越大；根据Δf计算的速度精度也就越高。但是在实际情况下，在高频信号，如X波段信号处理技术中，受限于技术手段，硬件水平以及成本的限制，采样时难以满足奈奎斯特采样定理。在信号处理中，普遍采用了下变频(down conversion)，欠采样技术(undersampling)，较低分辨率的模数转换器ADC，较低点数的快速傅里叶变换FFT等，造成了噪声的变大，无杂散动态范围SFDR大以及分辨率的下降，进而造成了低速情况下多普勒雷达的误差变大。另外，由于不同反射面，如钢轨和轨床，轨道内侧，轨道外侧，碎石路面，水泥路面等，对雷达波反射特性不同；雷达波旁瓣反射等原因，也会造成雷达测速异常。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种列车测速方法、装置及系统，基于多普勒效应，而不基于电磁波反射，能够避免现有雷达测速技术的弊端。
第一方面，本发明提供了一种列车测速方法，所述方法包括：
在列车通过射频信号发射装置的预设时间段内，通过所述列车的车载天线与所述射频信号发射装置进行通信，获取多个通信信号；所述预设时间段包括：所述车载天线逐渐接近所述射频信号发射装置的第一预设时间段与所述车载天线逐渐远离所述射频信号发射装置的第二预设时间段；
对所述多个通信信号分别进行数据处理，以获得所述多个通信信号的多个频率值；
通过预设的物理指标及统计学方法对所述多个频率值进行筛选，获得筛选后的所述第一预设时间段对应的第一组频率值和所述第二预设时间段对应的第二组频率值；所述第一组频率值与所述第二组频率值的个数相等；
根据所述第一组频率值与所述第二组频率值得到多普勒频移及通信信号的原始频率，并基于多普勒效应的原理获得所述列车的平均速率。
可选地，所述射频信号发射装置为无线通信接入点AP或者应答器模块Balise。
可选地，所述对所述多个通信信号分别进行数据处理，以获得所述多个通信信号的多个频率值，包括：
采用低噪声放大器对接收的通信信号进行放大；
采用带通滤波器对放大的通信信号进行滤波；
根据所述射频信号发射装置发送的射频信号的频率，对滤波后的通信信号进行上变频或下变频；
采用采样频率大于两倍带宽且采样位置不低于8位的模数转换器对变频后的信号进行转换；
通过数据移位的方法对转换后的信号进行快速傅里叶变换，得到所述通信信号的频率值。
可选地，所述通过数据移位的方法对转换后的信号进行快速傅里叶变换，得到所述通信信号的频率值，包括：
每次移位预设数量n个数据时，对转换后的信号进行一次快速傅里叶变换，得到所述通信信号的频率值；
其中，快速傅里叶变换的次数C＝(st-p)/n；t为采样时间，s为采样频率，p为FFT点数，n为移位位数。
可选地，所述通过预设的物理指标及统计学方法对所述多个频率值进行筛选，获得筛选后的所述第一预设时间段对应的第一组频率值和所述第二预设时间段对应的第二组频率值，包括：
根据无杂散动态范围SFDR、总谐波失真THD及信噪比SNR，去除所述多个频率值中质量较差信号；
分别计算出去除质量较差信号后的所述第一预设时间段对应的第一组频率值的第一数学期望和所述第二预设时间段对应的第二组频率值的第二数学期望，去除所述第一组频率值中与所述第一数学期望的差值大于预设阈值的频率值，并去除所述第二组频率值中与所述第二数学期望的差值大于预设阈值的频率值；
计算剩余的频率值的标准差，使所述标准差满足阈值条件，且使剩余的第一组频率值与第二组频率值的个数相等。
可选地，所述根据所述第一组频率值与所述第二组频率值得到多普勒频移及通信信号的原始频率，并基于多普勒效应的原理获得所述列车的平均速率，包括：
根据m个第一组频率值F1n和m个第二组频率值F2n，采用公式一计算得到多普勒频移FΔ；
根据所述多普勒频移，以及第一组频率值F1n和所述第二组频率值F2n，求出2m个信号的原始频率值；
针对每个信号的原始频率值，采用公式二计算得到对应的列车的速率；
计算2m个速率的数学期望，以得到所述列车的平均速率；
其中，多普勒频移FΔ即为Δf，f为信号的原始频率值，c为光速，ΔV为列车的速率。
第二方面，本发明提供了一种列车测速装置，所述装置包括：
信号获取单元，用于在列车通过射频信号发射装置的预设时间段内，通过所述列车的车载天线与所述射频信号发射装置进行通信，获取多个通信信号；所述预设时间段包括：所述车载天线逐渐接近所述射频信号发射装置的第一预设时间段与所述车载天线逐渐远离所述射频信号发射装置的第二预设时间段；
信号处理单元，用于对所述多个通信信号分别进行数据处理，以获得所述多个通信信号的多个频率值；
数据筛选单元，用于通过预设的物理指标及统计学方法对所述多个频率值进行筛选，获得筛选后的所述第一预设时间段对应的第一组频率值和所述第二预设时间段对应的第二组频率值；所述第一组频率值与所述第二组频率值的个数相等；
速率计算单元，用于根据所述第一组频率值与所述第二组频率值得到多普勒频移及通信信号的原始频率，并基于多普勒效应的原理获得所述列车的平均速率。
可选地，所述信号处理单元，具体用于：
采用低噪声放大器对接收的通信信号进行放大；
采用带通滤波器对放大的通信信号进行滤波；
根据所述射频信号发射装置发送的射频信号的频率，对滤波后的通信信号进行上变频或下变频；
采用采样频率大于两倍带宽且采样位置不低于8位的模数转换器对变频后的信号进行转换；
通过数据移位的方法对转换后的信号进行快速傅里叶变换，得到所述通信信号的频率值。
可选地，所述速率计算单元，具体用于：
根据m个第一组频率值F1n和m个第二组频率值F2n，采用公式一计算得到多普勒频移FΔ；
根据所述多普勒频移，以及第一组频率值F1n和所述第二组频率值F2n，求出2m个信号的原始频率值；
针对每个信号的原始频率值，采用公式二计算得到对应的列车的速率；
计算2m个速率的数学期望，以得到所述列车的平均速率；
其中，多普勒频移FΔ即为Δf，f为信号的原始频率值，c为光速，ΔV为列车的速率。
第三方面，本发明提供了一种列车测速系统，所述系统包括射频信号发射装置、车载天线及与所述车载天线连接的上述任意一种列车测速装置。
由上述技术方案可知，本发明提供一种列车测速方法、装置及系统，通过在列车通过射频信号发射装置的预设时间段内，通过所述列车的车载天线与所述射频信号发射装置进行通信，获取多个通信信号，并进一步对获得的通信信号进行数据处理、数据筛选后，获得第一预设时间段对应的第一组频率值和第二预设时间段对应的第二组频率值，并根据所述第一组频率值与所述第二组频率值得到多普勒频移及通信信号的原始频率，并基于多普勒效应的原理获得所述列车的平均速率。如此，本发明能够利用列车在运行的过程经过固定的射频信号发射装置时，与射频信号发射装置进行通信，存在相对速度而产生多普勒效应而进行测速，无需使用多普勒雷达；而且无需提前获知没有多普勒效应影响的原始信号频率，通过计算即可得到原始信号频率和多普勒频移，有效减小了测量误差，并提高了测量效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例提供的一种列车测速方法的流程示意图；
图2是本发明另一实施例提供的一种列车测速方法的流程示意图
图3是本发明另一实施例提供的对数据流进行移位及快速傅里叶的示意图；
图4是本发明一实施例提供的一种列车测速装置的结构示意图；
图5是本发明一实施例提供的一种列车测速系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是本发明一实施例中的一种列车测速方法的流程示意图，如图1所示，所述方法包括如下步骤：
S101：在列车通过射频信号发射装置的预设时间段内，通过所述列车的车载天线与所述射频信号发射装置进行通信，获取多个通信信号。
其中，所述预设时间段包括：所述车载天线逐渐接近所述射频信号发射装置的第一预设时间段与所述车载天线逐渐远离所述射频信号发射装置的第二预设时间段。
举例来说，射频信号发射装置为固定部署于轨道交通轨旁的装置，如可为无线通信接入点AP或者应答器模块Balise。
具体来说，在第一预设时间段，波源(即射频信号发射装置)在运行的列车的前方，列车逐渐接近波源，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高；而在第二预设时间段，波源在运行的列车的后方，列车逐渐远离波源，波长变得较长，频率变得较低。即产生了多普勒效应。而且，在第一预设时间段和第二预设时间段内，通过车载天线与该射频信号发射装置进行通信，以接收到该射频信号发射装置发射的多个通信信号。
需要说明的是，车载天线与射频信号发射装置通信，接收到的多个通信信号，其调制信号的公式如下：
S(t)＝Acos(ωt+ψ) (2)
由此可见，载波S(t)的参量包括：幅度A、频率ω、初相位ψ、时间t，则调制就是要使幅度A、频率ω、初相位ψ随数字基带信号的变化而变化。其中ASK调制方式是用载波的两个不同振幅表示0和1；FSK调制方式是用载波的两个不同频率表示0和1；而PSK调制方式是用载波的起始相位的变化表示0和1。由此可见，本实施例适用于未经过调制的正弦/余弦信号，也适用于经过模拟或者数字的频率调制和相位调制信号。
S102：对所述多个通信信号分别进行数据处理，以获得所述多个通信信号的多个频率值。
具体来说，对接收的多个通信信号进行信号放大、滤波、变频、模数转换、数据移位及快速傅里叶变换等数据处理，获得多个通信信号对应的多个频率值。
S103：通过预设的物理指标及统计学方法对所述多个频率值进行筛选，获得筛选后的所述第一预设时间段对应的第一组频率值和所述第二预设时间段对应的第二组频率值；所述第一组频率值与所述第二组频率值的个数相等。
具体来说，首先采用预设的物理指标对多个频率值进行筛选，去除其中质量较差的信号；进一步采用统计学方法，选取一组标准差最小的数据。该组标准差最小的数据包括：所述第一预设时间段对应的第一组频率值和所述第二预设时间段对应的第二组频率值，且所述第一组频率值与所述第二组频率值的个数相等。
S104：根据所述第一组频率值与所述第二组频率值得到多普勒频移及通信信号的原始频率，并基于多普勒效应的原理获得所述列车的平均速率。
具体来说，采用列车朝向射频信号发射装置运行时对应的第一组频率值和列车背向射频信号发射装置运行时对应的第二组频率值进行差值运算，以获得多普勒频移；根据多普勒频移及接收到的通信信号的频率可得到多个通信信号的原始频率；基于多普勒效应的原理可计算得到每个通信信号对应的列车的运行速率，并可求得列车的平均速率。
由此可见，本实施例通过在列车通过射频信号发射装置的预设时间段内，通过所述列车的车载天线与所述射频信号发射装置进行通信，获取多个通信信号，并进一步对获得的通信信号进行数据处理、数据筛选后，获得第一预设时间段对应的第一组频率值和第二预设时间段对应的第二组频率值，并根据所述第一组频率值与所述第二组频率值得到多普勒频移及通信信号的原始频率，并基于多普勒效应的原理获得所述列车的平均速率。如此，本实施例能够利用列车在运行的过程经过固定的射频信号发射装置时，与射频信号发射装置进行通信，存在相对速度而产生多普勒效应而进行测速，无需使用多普勒雷达；而且无需提前获知没有多普勒效应影响的原始信号频率，通过计算即可得到原始信号频率和多普勒频移，有效减小了测量误差，并提高了测量效率。
在本发明的一个可选实施例中，如图2所示，所述步骤S102，具体包括如下子步骤：
S1021：采用低噪声放大器对接收的通信信号进行放大。
具体来说，由于接收到的通信信号能量比较弱，所以首先要经过低噪声放大器进行放大。低噪声放大器的选择与使用的通信频段有关系。即在设计实现方案时，首先要选定使用的无线通信的频段。假如使用WIFI的AP进行测速，则需要选择中心频率为2.4GHz的低噪声放大器。以下对滤波器，模数转换器的选择均如此。
S1022：采用带通滤波器对放大的通信信号进行滤波。
S1023：根据所述射频信号发射装置发送的射频信号的频率，对滤波后的通信信号进行上变频或下变频。
具体来说，为了能够满足奈奎斯特采样定理，同时保证计算得到较明显的多普勒频移结果，因此需要对信号进行下变频或者上变频，使得模数转换器能够在一个周期内采样得到更多的点。模拟降频的选择也与射频信号的频率相关，假如使用2.4G WIFI信号，则频率降低到1.2G即可。如果使用较低频率的信号，如100MHz以及以下，则需要上变频或者使用信号的高次谐波信号进行采样与计算。
S1024：采用采样频率大于两倍带宽且采样位置不低于8位的模数转换器对变频后的信号进行转换。
具体来说，为了满足奈奎斯特采样定理，需要使用两倍带宽以上采样频率的ADC，同时为了满足精度要求，采样位数应当不低于8位。使用满足奈奎斯特频率的ADC，则避开了使用下降频以及欠采样带来的问题。如采用TI的AD10D1500，最高采样频率3Gsps。SNR为57dB，SFDR为68dBc。或E2V公司的EV12AS350,最高采样频率5.4Gsps，SNR为57.6dB，SFDR为63dBc。
S1025：通过数据移位的方法对转换后的信号进行快速傅里叶变换，得到所述通信信号的频率值。
具体地，步骤S1025，具体包括：
每次移位预设数量n个数据时，对转换后的信号进行一次快速傅里叶变换，得到所述通信信号的频率值。
其中，快速傅里叶变换的次数C＝(st-p)/n；t为采样时间，s为采样频率，p为FFT点数，n为移位位数。
具体来说，通过移位，可以使得FFT计算次数增多，能够为以下的数据筛选和计算提供更多的数据，这样得到的结果会更准确。如在时间t内，以s采样频率进行采样，则得到的采样点数为m＝st。FFT的点数如p，则总FFT计算次数c＝m/p。c即为在步骤7中的输入数据个数。
举例来说，如图3所示，数据流含有32个数据，FFT点数为8点，则按照传统的方法，只有4次FFT。如果按照移位的方法，如上图所示，每次移位两个数据，FFT的点数仍然为8点，则FFT次数为13次。
进一步地，FFT实现了信号从时域到频率的转换，采样信号经过FFT后，就得到了射频信号的频率。为了保证精算结果的准确性，同时使得计算量控制在合理的范围，使用256点的FFT即可满足要求。
由此可见，本实施例解决了雷达速度传感器由于下变频，欠采样，物理器件等因素造成的精度下降，低速情况下测量不准确的问题。
在本发明的一个可选实施例中，步骤S103，具体包括如下子步骤：
S1031：根据无杂散动态范围SFDR、总谐波失真THD及信噪比SNR，去除所述多个频率值中质量较差信号。
具体来说，信号经过降频和放大后，可能产生失真，这样会影响计算结果。总谐波失真是度量失真度的参数，当失真比较大时，总谐波失真也比较大，这样的数据要被滤除；信噪比表明了信号与噪声的比例，比例过小时，说明信号噪声太大，也就是公式(11)右端的Fn6太大，这样的数据也要被滤除；无杂散动态范围则表明了相对于转换器满量程范围(dBFS)或输入信号电平(dBc)的最差频谱伪像。无杂散动态范围大，也说明信号质量差，这样的信号也要对滤除。
S1032：分别计算出去除质量较差信号后的所述第一预设时间段对应的第一组频率值的第一数学期望和所述第二预设时间段对应的第二组频率值的第二数学期望，去除所述第一组频率值中与所述第一数学期望的差值大于预设阈值的频率值，并去除所述第二组频率值中与所述第二数学期望的差值大于预设阈值的频率值。
S1033：计算剩余的频率值的标准差，使所述标准差满足阈值条件，且使剩余的第一组频率值与第二组频率值的个数相等。
进一步地，经过步骤S1031的处理与计算，会得到两组数据，分别为列车朝向AP运动时的F1和列车背向AP运动时的的F2。分别计算这2组数据的数学期望，去掉与数学期望相差较大的样本，然后计算标准差，使之满足阈值条件，如3Σ或6Σ。同时要保证两组数据的样本数相同。这样做的目的是使得误差的影响尽可能的小。经过以上筛选，这样就得到了2组频率值，分别记为F1和F2。
具体地，本实施例中列车通过射频信号发射装置时的过程分为两个阶段：车载天线朝向射频信号发射装置前进的第一个阶段和车载天线背向前进的第二个阶段。
在第一个阶段，波源在运动的列车前面，列车逐渐接近波源，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高；引起的多普勒频移后接收到的通信信号的频率记为F1：
F1＝FC+FΔ1+Fn1 (3)
其中，Fn1为高斯白噪声，FC为射频信号发射装置发送的射频信号的原始频率，FΔ1为第一个阶段多普勒效应引起的频移。
在第二个阶段，波源在运动的列车后面，列车逐渐远离波源，会产生同第一个阶段相反的效应，波长变得较长，频率变得较低。引起的多普勒频移后接收到的通信信号的频率记为F2：
F2＝FC+FΔ2+Fn2 (4)
其中，Fn2为高斯白噪声，FC为射频信号发射装置发送的射频信号的原始频率，FΔ2为第二个阶段多普勒效应引起的频移。
进一步地，如果通信采用了频率调制，则在过程1中，会有两种频率，分别代表逻辑1和逻辑0，记为F11和F10；在过程2时也会有两种频率，分别代表逻辑1和逻辑0，记为F21和F20。公式如下：
F11＝FC1+FΔ11+Fn11 (5)
F10＝FC0+FΔ10+Fn10 (6)
F21＝FC1+FΔ21+Fn21 (7)
F20＝FC0+FΔ20+Fn20 (8)
只考虑列车通过射频信号发射装置前后一小段时间内的信号，如500ms，相对于射频信号发射装置来说可以认为第一阶段和第二阶段速率保持不变，但是方向相反，这样由公式(1)可知：|FΔ1|＝|FΔ2|且FΔ1＝-FΔ2＝FΔ。如此，根据公式(3)和公式(4)可变化为：
F1＝FC+FΔ+Fn1 (9)
F2＝FC-FΔ+Fn2 (10)
由公式(9)减去公式(10)，得到：
F1-F2＝(FC+FΔ+Fn1)-(FC-FΔ+Fn2)＝2FΔ+Fn6 (11)
其中，FΔ即为多普勒频移。F1和F2是两个阶段分别接受通过列车接收到的通信信号的频率。公式(3)到(11)中所有的Fnx均表示噪声，物理意义为计算得到的频率的误差。这些噪声均为高斯白噪声，其均值为0。
基于上述推理，在本发明的一个可选实施例中，步骤S104，具体包括：
S1041：根据m个第一组频率值F1n和m个第二组频率值F2n，采用公式(12)计算得到多普勒频移FΔ；
S1042：根据所述多普勒频移，以及第一组频率值F1n和所述第二组频率值F2n，求出2m个信号的原始频率值。
具体地，用于第一组频率值或第二组频率值减去多普勒频移即可得到原始频率值。
S1043：针对每个信号的原始频率值，采用公式(13)计算得到对应的列车的速率；
其中，多普勒频移FΔ即为Δf，f为信号的原始频率值，c为光速，ΔV为列车的速率。需要说明的是，ΔV表示列车与射频信号发射装置的相对速度，由于射频信号发射装置是固定不动的，因此ΔV即为列车的速度，
S1044：计算2m个速率的数学期望，以得到所述列车的平均速率。
具体来说，2m个速率的数学期望公式如下：
其中，为列车的平均速率，ΔVn为2m个通信信号对应的列车速率，且1≤n≤2m且为正整数，Pn表示概率。
由此可见，本实施例中计算前无需知道没有多普勒效应影响的原始信号频率f，通过计算即可得到原始信号频率f和多普勒频移Δf。
图4是本发明一实施例中的一种列车测速装置的结构示意图，如图4所示，所述装置包括：信号获取单元401、信号处理单元402、数据筛选单元403及速率计算单元404。其中：
信号获取单元401用于在列车通过射频信号发射装置的预设时间段内，通过所述列车的车载天线与所述射频信号发射装置进行通信，获取多个通信信号；所述预设时间段包括：所述车载天线逐渐接近所述射频信号发射装置的第一预设时间段与所述车载天线逐渐远离所述射频信号发射装置的第二预设时间段；信号处理单元402用于对所述多个通信信号分别进行数据处理，以获得所述多个通信信号的多个频率值；数据筛选单元403用于通过预设的物理指标及统计学方法对所述多个频率值进行筛选，获得筛选后的所述第一预设时间段对应的第一组频率值和所述第二预设时间段对应的第二组频率值；所述第一组频率值与所述第二组频率值的个数相等；速率计算单元404用于根据所述第一组频率值与所述第二组频率值得到多普勒频移及通信信号的原始频率，并基于多普勒效应的原理获得所述列车的平均速率。
由此可见，本实施例通过信号获取单元401在列车通过射频信号发射装置的预设时间段内，通过所述列车的车载天线与所述射频信号发射装置进行通信，获取多个通信信号；信号处理单元402、数据筛选单元403进一步对获得的通信信号进行数据处理、数据筛选后，获得第一预设时间段对应的第一组频率值和第二预设时间段对应的第二组频率值；速率计算单元404根据所述第一组频率值与所述第二组频率值得到多普勒频移及通信信号的原始频率，并基于多普勒效应的原理获得所述列车的平均速率。如此，本实施例能够利用列车在运行的过程经过固定的射频信号发射装置时，与射频信号发射装置进行通信，存在相对速度而产生多普勒效应而进行测速，无需使用多普勒雷达；而且无需提前获知没有多普勒效应影响的原始信号频率，通过计算即可得到原始信号频率和多普勒频移，有效减小了测量误差，并提高了测量效率。
在本发明的一个可选实施例中，所述信号处理单元402，具体用于：
采用低噪声放大器对接收的通信信号进行放大；
采用带通滤波器对放大的通信信号进行滤波；
根据所述射频信号发射装置发送的射频信号的频率，对滤波后的通信信号进行上变频或下变频；
采用采样频率大于两倍带宽且采样位置不低于8位的模数转换器对变频后的信号进行转换；
通过数据移位的方法对转换后的信号进行快速傅里叶变换，得到所述通信信号的频率值。
由此可见，本实施例解决了雷达速度传感器由于下变频，欠采样，物理器件等因素造成的精度下降，低速情况下测量不准确的问题。
进一步地，所述信号处理单元402，具体用于：
每次移位预设数量个数据时，对转换后的信号进行一次快速傅里叶变换，得到所述通信信号的频率值；
其中，快速傅里叶变换的次数C＝(st-p)/n；t为采样时间，s为采样频率，p为FFT点数，n为移位位数。
在本发明的一个可选实施例中，所述数据筛选单元403，具体用于：
根据无杂散动态范围SFDR、总谐波失真THD及信噪比SNR，去除所述多个频率值中质量较差信号；
分别计算出去除质量较差信号后的所述第一预设时间段对应的第一组频率值的第一数学期望和所述第二预设时间段对应的第二组频率值的第二数学期望，去除所述第一组频率值中与所述第一数学期望的差值大于预设阈值的频率值，并去除所述第二组频率值中与所述第二数学期望的差值大于预设阈值的频率值；
计算剩余的频率值的标准差，使所述标准差满足阈值条件，且使剩余的第一组频率值与第二组频率值的个数相等。
在本发明的一个可选实施例中，所述速率计算单元404，具体用于：
根据m个第一组频率值F1n和m个第二组频率值F2n，采用公式一计算得到多普勒频移FΔ；
根据所述多普勒频移，以及第一组频率值F1n和所述第二组频率值F2n，求出2m个信号的原始频率值；
针对每个信号的原始频率值，采用公式二计算得到对应的列车的速率；
计算2m个速率的数学期望，以得到所述列车的平均速率；
其中，多普勒频移FΔ即为Δf，f为信号的原始频率值，c为光速，ΔV为列车的速率。
对于装置实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
图5是本发明一实施例中的一种列车测速系统的结构示意图，如图5所示，所述系统包括射频信号发射装置501、车载天线502及与所述车载天线502连接的上述任意一种列车测速装置503。
其中，所述射频信号发射装置501可为无线通信接入点AP或者应答器模块Balise。
具体地，射频信号发射装置501发送射频信号至车载天线502，而车载天线502将接收到的通信信号发送至列车测速装置503进行信号处理、数据筛选后，计算出列车的平均速率。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种列车测速方法，其特征在于，所述方法包括：
在列车通过射频信号发射装置的预设时间段内，通过所述列车的车载天线与所述射频信号发射装置进行通信，获取多个通信信号；所述预设时间段包括：所述车载天线逐渐接近所述射频信号发射装置的第一预设时间段与所述车载天线逐渐远离所述射频信号发射装置的第二预设时间段；
对所述多个通信信号分别进行数据处理，以获得所述多个通信信号的多个频率值；
通过预设的物理指标及统计学方法对所述多个频率值进行筛选，获得筛选后的所述第一预设时间段对应的第一组频率值和所述第二预设时间段对应的第二组频率值；所述第一组频率值与所述第二组频率值的个数相等；
根据所述第一组频率值与所述第二组频率值得到多普勒频移及通信信号的原始频率，并基于多普勒效应的原理获得所述列车的平均速率。
2.根据权利要求1所述的列车测速方法，其特征在于，所述射频信号发射装置为无线通信接入点AP或者应答器模块Balise。
3.根据权利要求1所述的列车测速方法，其特征在于，所述对所述多个通信信号分别进行数据处理，以获得所述多个通信信号的多个频率值，包括：
采用低噪声放大器对接收的通信信号进行放大；
采用带通滤波器对放大的通信信号进行滤波；
根据所述射频信号发射装置发送的射频信号的频率，对滤波后的通信信号进行上变频或下变频；
采用采样频率大于两倍带宽且采样位置不低于8位的模数转换器对变频后的信号进行转换；
通过数据移位的方法对转换后的信号进行快速傅里叶变换，得到所述通信信号的频率值。
4.根据权利3所述的列车测速方法，其特征在于，所述通过数据移位的方法对转换后的信号进行快速傅里叶变换，得到所述通信信号的频率值，包括：
每次移位预设数量n个数据时，对转换后的信号进行一次快速傅里叶变换，得到所述通信信号的频率值；
其中，快速傅里叶变换的次数C＝(st-p)/n；t为采样时间，s为采样频率，p为FFT点数，n为移位位数。
5.根据权利要求1所述的列车测速方法，其特征在于，所述通过预设的物理指标及统计学方法对所述多个频率值进行筛选，获得筛选后的所述第一预设时间段对应的第一组频率值和所述第二预设时间段对应的第二组频率值，包括：
根据无杂散动态范围SFDR、总谐波失真THD及信噪比SNR，去除所述多个频率值中质量较差信号；
分别计算出去除质量较差信号后的所述第一预设时间段对应的第一组频率值的第一数学期望和所述第二预设时间段对应的第二组频率值的第二数学期望，去除所述第一组频率值中与所述第一数学期望的差值大于预设阈值的频率值，并去除所述第二组频率值中与所述第二数学期望的差值大于预设阈值的频率值；
计算剩余的频率值的标准差，使所述标准差满足阈值条件，且使剩余的第一组频率值与第二组频率值的个数相等。
6.根据权利要求1所述的列车测速方法，其特征在于，所述根据所述第一组频率值与所述第二组频率值得到多普勒频移及通信信号的原始频率，并基于多普勒效应的原理获得所述列车的平均速率，包括：
根据m个第一组频率值F1n和m个第二组频率值F2n，采用公式一计算得到多普勒频移FΔ；
根据所述多普勒频移，以及第一组频率值F1n和所述第二组频率值F2n，求出2m个信号的原始频率值；
针对每个信号的原始频率值，采用公式二计算得到对应的列车的速率；
计算2m个速率的数学期望，以得到所述列车的平均速率；
其中，多普勒频移FΔ即为Δf，f为信号的原始频率值，c为光速，ΔV为列车的速率。
7.一种列车测速装置，其特征在于，所述装置包括：
信号获取单元，用于在列车通过射频信号发射装置的预设时间段内，通过所述列车的车载天线与所述射频信号发射装置进行通信，获取多个通信信号；所述预设时间段包括：所述车载天线逐渐接近所述射频信号发射装置的第一预设时间段与所述车载天线逐渐远离所述射频信号发射装置的第二预设时间段；
信号处理单元，用于对所述多个通信信号分别进行数据处理，以获得所述多个通信信号的多个频率值；
数据筛选单元，用于通过预设的物理指标及统计学方法对所述多个频率值进行筛选，获得筛选后的所述第一预设时间段对应的第一组频率值和所述第二预设时间段对应的第二组频率值；所述第一组频率值与所述第二组频率值的个数相等；
速率计算单元，用于根据所述第一组频率值与所述第二组频率值得到多普勒频移及通信信号的原始频率，并基于多普勒效应的原理获得所述列车的平均速率。
8.根据权利要求7所述的列车测速装置，其特征在于，所述信号处理单元，具体用于：
采用低噪声放大器对接收的通信信号进行放大；
采用带通滤波器对放大的通信信号进行滤波；
根据所述射频信号发射装置发送的射频信号的频率，对滤波后的通信信号进行上变频或下变频；
采用采样频率大于两倍带宽且采样位置不低于8位的模数转换器对变频后的信号进行转换；
通过数据移位的方法对转换后的信号进行快速傅里叶变换，得到所述通信信号的频率值。
9.根据权利要求7所述的列车测速装置，其特征在于，所述速率计算单元，具体用于：
根据m个第一组频率值F1n和m个第二组频率值F2n，采用公式一计算得到多普勒频移FΔ；
根据所述多普勒频移，以及第一组频率值F1n和所述第二组频率值F2n，求出2m个信号的原始频率值；
针对每个信号的原始频率值，采用公式二计算得到对应的列车的速率；
计算2m个速率的数学期望，以得到所述列车的平均速率；
其中，多普勒频移FΔ即为Δf，f为信号的原始频率值，c为光速，ΔV为列车的速率。
10.一种列车测速系统，其特征在于，所述系统包括射频信号发射装置、车载天线及与所述车载天线连接的权利要求7～9中任一项所述的列车测速装置。
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