CN101590858A - 一种剔除轨枕干扰的铁路路基检测雷达数据处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种剔除轨枕干扰的铁路路基检测雷达数据处理方法。包括以下步骤：找出铁路路基检测雷达原始数据轨枕反射面同相轴的位置，提取轨枕反射信号；对反射信号进行低通滤波，求得表征轨枕位置的逻辑尺；以逻辑尺为参考，对路基检测原始数据进行筛选，即可即获得剔除轨枕干扰的铁路路基检测雷达数据。本发明根据轨枕干扰信号提取轨枕的相关信息，进而剔除轨枕干扰信号，便于铁路路基检测雷达数据的进一步处理。本发明方法具有安全、高效、适应性强的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种剔除轨枕干扰的铁路路基检测雷达数据处理方法。
背景技术
铁路路路基的常规病害有基床翻浆冒泥、道砟陷槽、下沉外挤、隐蔽性冲空、陷穴，另外高原铁路及高纬度地区铁路路基还存在冻土病害等，这些都将引起的铁路路基变形，从而影响运输的安全和列车的速度。因此，及时准确的发现路基病害并采取相应的治理措施是铁路安全运营的重要保障。传统的人工勘探铁路路基病害的方法已不能满足铁路发展的需求，目前国外广泛采用车载地质雷探测铁路路基病害，取得了良好的效果。
车载地质雷达应用于铁路路基检测具有快速、高效、连续、无损等优点，但铁路轨枕大都为钢筋混凝土结构，对电磁波具有强反射的特点。在轨枕正上方的采集到的雷达信号成份大部分是轨枕的强反射信号，由于轨枕的屏闭作用，雷达波不能穿透轨枕而到达轨枕正下方的路基介质中，因此天线位于轨枕正上方的采样在雷达数据中为一强干扰，在此位置采集到的数据不包含反映路基介质电磁特性的有用信号。这种强反射作用对探测路基病害而言是一种噪声，在实际应用中需尽量消除或减少，以提高信噪比。
车载铁路路基检测雷达对轨枕干扰的处理，目前国内尚无解决这一问题的成熟方法。国外用于车载铁路路基探地雷达消除轨枕干扰的方法有几种：(1)雷达系统对轨枕干扰不作特殊处理，这种车载雷达适用于检测木枕的铁路路基，而目前使用的轨枕大都为钢筋混凝土，因此其使用有一定的局限性。(2)将安装雷达天线的支架臂延伸至轨枕范围外，，在轨枕范围之外进行探测，显然这种方法受轨枕干扰的影响较小，这种方法的主要问题是雷达天线偏离铁路中心线较远，其有效宽度可能超出了检测车安全运行的范围，尤其是在复线高速铁路上的使用有一定局限性，其次这种方法不能探测到铁路中心线上的病害。(3)将雷达天线安装在铁路正上方，雷达采样受轨枕扫描装置控制，当扫描装置检测到雷达天线在轨枕正上方，则雷达不采样，若雷达天线处于轨枕之间，则雷达采样，如IDS公司的车载路基检测雷达系统，去除轨枕干扰的方法是采用多普勒雷达对轨枕精确定位，路基检测雷达只在轨枕间进行采样。这种方法的主要问题是除了探地雷达本身以外，要使系统正常工作，还必须有实时轨枕扫描处理装置。对比以上三种铁路路基检测雷达方案，SRS雷达系统能有效剔除轨枕干扰，且不影响铁路的安全运营，但必须有一专门的轨枕识别装置，系统相对复杂。
发明内容
为了解决现有铁路路基检测雷达数据处理存在的上述技术问题，本发明提供一种剔除轨枕干扰的铁路路基检测雷达数据处理方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案包括以下步骤：
在铁路路基检测雷达原始数据中找出轨枕上界面反射信号的同相轴位置；
获得该轨枕反射面同相轴位置后，从原始数据中提取出该同相轴上雷达信号，这样每个采样道获得轨枕上界面的一个采样点的反射信号；
对反射信号进行低通滤波，提取反射信号的峰值或谷值，并根据反射信号的峰值或谷值的幅度是否显示突变，确定轨枕的位置；
轨枕的位置与雷达的扫描道数对应，以扫描道数为索引号，将有轨枕的峰值或谷值置逻辑值‘1’，无轨枕的峰值或谷值置逻辑值‘0’，获得能反映轨枕位置的逻辑尺；
根据逻辑尺对雷达原始数据进行处理，逻辑尺中逻辑值为‘1’的位置对应的扫描道数据从依次原始数据中剔除，即获得剔除轨枕干扰的铁路路基检测雷达数据。
本发明的技术效果在于：本发明直接利用轨枕对雷达波的响应信号确定轨枕位置，利用轨枕提供的信息去除轨枕干扰，本发明可利用软件方法快速、准确可靠地自动提取轨枕反射信号，获得剔除轨枕干扰的铁路路基检测数据，无需采用专业的轨枕成像识别系统，大大降低了铁路路基检测数据的复杂性及处理成本，并具有操作安全方便、系统简单高效的优点。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为本发明中车载探地雷达采集的铁路路基检测原始图像。
图3为本发明中原始雷达数据中对应轨枕上界面同相轴位置的雷达剖面曲线。
图4为图3经低通滤波后的结果。
图5为本发明实施例中表征轨枕位置的逻辑尺。
图6为采用本发明剔除轨枕干扰后的路基雷达图像。
具体实施方式
参见图1，图1为本发明的流程图。剔除轨枕干扰的铁路路基检测雷达数据处理步骤如下：
首先是由车载路基雷达在近似匀速行驶的检测车上连续采样，获得路基检测原始数据，该原始数据中不仅包含能反映铁路路基状况的有用信号及其他电磁干扰源引起的各种噪声，还包含轨枕干扰信号。铁路路基探地雷达天线采用的屏闭天线，接收天线最先收到直达波，在天线发射接收面与轨枕上界面之间的介质只有电磁特性均匀空气，没有反射界面，不产生反射信号。当天线位置不处于轨枕正上方时，雷达波传播至道砟与空气的界面前均不产生反射波；而若天线位置处于某一轨枕正上方，雷达波传播过程中首先到达轨枕上界面，产生强反射。雷达波传播到轨枕上界面前不会产生反射，由此可以在原始雷达图像中找出轨枕上界面反射信号的同相轴位置。获得该轨枕反射面同相轴位置后，从原始数据中提取出该同相轴上雷达信号，这样每个采样道获得轨枕上界面的一个采样点的反射信号，以采样道号为横坐标形成一条反射曲线。此反射信号中包含此同相轴位置对应的直流成份，与轨枕水平方向分布有关的低频成份及高频噪声。采用低通滤波的方法压制高频噪声后，获得一条圆滑的曲线，此曲线的峰值或者谷值对应轨枕的位置。判断是峰值还是谷值对应轨枕位置的方法是在上一步操作提取轨枕反射信号的同时，观察原始雷达图像，轨枕上方的单道扫描曲线的在轨枕上界面同相轴位置幅度发生突变；而轨枕间(不在轨枕正上方)的单道扫描曲线在此同相轴位置无反射面，幅度无显突变，这样就可用判断峰值还是谷值对应轨枕位置。只要雷达的工作参数不发生变化，而雷达天线安装好后，与轨枕的位置不会发生变化，这样轨枕面对应的同相轴位置就不会发生变化，上述峰值或谷值与轨枕的对应关系也不变。有了这一关系，采用软件方法自动提取反射信号的峰值或谷值，即获得了轨枕的位置(与雷达的扫描道数对应)。
确定轨枕位置后，以扫描道数为索引号，将有轨枕的位置置逻辑值‘1’，无轨枕的位置置逻辑值‘0’，这样就可获得能反映轨枕位置的逻辑尺。在实际采样过程中，如果采样点水平密度较大，在同一轨枕上有多个采样点，只需根据索引号将逻辑值‘1’相邻的一个或多个位置置‘1’即可。
根据逻辑尺对原始雷达数据进行处理，逻辑尺中逻辑值为‘1’的位置对应的扫描道数据依次从原始雷达数据中剔除，即可获得剔除轨枕干扰的数据。
图2至图6是具体实例处理过程，该实例使用的路基检测原始雷达数据为车载探地雷达的实测数据，为了便于研究，仅从中抽取一段，共512道。检测车近似匀速行驶，约为15公里/小时，天线固定于检测车底部，距轨枕上界面为0.4米，收发天线沿轨枕轴向排列，垂直于铁轨走向。水平采样密度平均为15.38道/米，天线中心频率为400M。
图2为实测雷达剖面原始图像，图2中右下角部分为雷达图像的局部放大。通过对原始图像的观察与估算，该原始雷达图像的第97个采样点同相轴位置(原图中白色椭圆标注的位置，沿水平方向延伸)与轨枕顶面吻合；有轨枕的位置的第97个采样点值小于没有轨枕的采样值，这一特点将是后续步骤中提取轨枕位置的依据。抽取各道数据在该同相轴位置(各道的第97个采样点)的采样数据得到如图3所示的剖面曲线。该曲线包含有轨枕对雷达波响应及高频噪声(信号中的直流成份不影响轨枕位置的提取，因此不作处理)，高频噪声在图3的曲线中表现为“毛刺”。对图3所示的曲线进行低通滤波，得到高频噪声被压制，能准确反映轨枕信息的圆滑曲线(参见图4)。根据上文中对轨枕位置对应的采样数值的分析可知，在此实例中图4所示曲线“谷”值位置对应轨枕位置。
获得了与轨枕位置对应的曲线(参见图4)后，即可依据此曲线求逻辑尺。此实例中已知雷达水平采样密度平均为15.38道/米，而轨枕的宽度(沿铁轨延伸方向的尺寸)为0.16米，因此每条轨枕正上方雷达采样平均道数为2.46道(15.38道/米*0.16米)，这表明图4曲线的一个“谷值”(对应的一条轨枕位置)平均对应有2.46道数据。也就是说，平均每条轨枕屏蔽2.46道雷达数据，在路基雷达检测的原始数据即为轨枕干扰信号，应予剔除。然后设置一个逻辑尺，其索引值即为待处理的雷达原始数据的道数(在此实例中其索引值为1，2，3，…，512，共计512个)，指定逻辑尺的值为‘0’表示该采样位置不在轨枕正上方，逻辑尺的值为‘1’表示该采样位置在轨枕正上方。
下一步就是给逻辑尺赋值。在此实例中，每条轨枕平均屏蔽2.46道数据，与图4中的曲线上的一个“谷值”对应的逻辑尺的值置为‘1’，并将前后相邻两个逻辑值也置为‘1’。每条轨枕对应的上述3道数据为雷达天线在轨枕正上方的采样，另外不在轨枕下上方但距轨枕最近的前后两道数据受轨枕干扰的影响明显，在实际操作中将这两道数据对应位置的逻辑值也置为1。与图4中曲线“谷值”不对应的逻辑尺上的其它值均置为‘0’。将上述求逻辑尺的方法采用程序自动实现，即可得到如图5所示的逻辑尺。
得到如图5所示的逻辑尺后，以逻辑尺为参考，对原始雷达数据(如图2所示)采用软件扫描，与逻辑尺的值为‘0’相对应的扫描道数据保留，将与‘1’对应的扫描道剔除，即可获得剔除轨枕干扰的路基雷达检测数据。本实例中，采用图5所示的逻辑尺将原始雷达图像(如图2所示)中的轨枕干扰剔除，结果如图6所示。将剔除轨枕干扰的图像(如图6所示)与原始图像(如图2所示)进行对比，图2中很明显的类似“蜂窝”状的轨枕干扰在图6中得到明显压制，大大提高雷达数据的信噪比。
Claims (1)
1.一种剔除轨枕干扰的铁路路基检测雷达数据处理方法，包括以下步骤：
在铁路路基检测雷达原始数据中找出轨枕反射面的同相轴位置；
获得该轨枕反射面同相轴位置后，从原始数据中提取出该同相轴上雷达信号，这样每个采样道获得轨枕上界面的一个采样点的反射信号；
对反射信号进行低通滤波，提取反射信号的峰值或谷值，并根据反射信号的峰值或谷值的幅度是否显示突变，确定轨枕的位置；
轨枕的位置与雷达的扫描道数对应，以扫描道数为索引号，将有轨枕的峰值或谷值置逻辑值‘1’，无轨枕的峰值或谷值置逻辑值‘0’，获得能反映轨枕位置的逻辑尺；
根据逻辑尺对雷达原始数据进行处理，逻辑尺中逻辑值为‘1’的位置对应的扫描道数据从依次原始数据中剔除，即获得剔除轨枕干扰的铁路路基检测雷达数据。
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