CN102230960A - 一种铁路路基雷达探测信号中的干扰去除方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁路路基雷达探测信号中的干扰去除方法，包括以下步骤：压制天线直耦波和铁轨响应干扰信号；通过搜索枕木雷达响应极大值所在道号确定枕木中心位置所对应道号；对相邻两枕木间雷达记录道进行空间重采样；得到有固定窗口宽度的干扰标准道集；获得剔除直耦波、轨道和枕木干扰后的雷达记录剖面；再进行空间回采样，形成新雷达剖面，用于后续雷达信号的分析和处理。这一去除干扰算法可以同时去除雷达天线直耦波、铁轨和枕木响应干扰波，包括多次波。算法简便快捷，对于枕木或轨道产生的绕射波和多次波都能够进行很好的压制，适合在铁路路基雷达检测信号处理中推广应用。

Description

一种铁路路基雷达探测信号中的干扰去除方法

技术领域

本发明属于铁路路基雷达探测信号优化处理领域，涉及一种铁路路基雷达探测信号中的干扰去除方法。

背景技术

考虑到铁路路基检测对快速、无损和高精度需求，国内外广泛采用雷达检测方法，雷达系统对路基隐患的分辨能力也得到国内外广泛认可。

铁轨和枕木是铁路沿线的固定构件，与空气、道砟等周围介质的介电常数等电性参数差异明显，雷达天线发射信号在轨枕介质上形成强烈的响应信号，不仅能量强，而且有多次波出现，严重影响雷达信号的后期处理以及路基结构层的辨别和病害的甄别；另外，不论是收发分离天线或是一体化天线，直接耦合电磁波或直耦波能量很强，也不利于雷达检测剖面的资料处理与解释，需要加以压制或滤除。直耦波或铁轨响应信号，包括多次波在内，在雷达探测剖面上沿水平方向连续一致，可以通过减除多道平均值或水平滤波等方式加以压制或滤除；枕木干扰响应信号，包括多次波，尽管在空间分布上有一定规律，但这种规律难用数学模型精确地表述，并且由于行车速度变化或枕木间雷达道数的不一致，将导致枕木干扰信号很难剔除。

当前采用的典型算法，一是独立对每个枕木响应通过数字信号处理，以尽量压制干扰信号，二是通过数值模拟或物理模拟获得枕木响应标准干扰信号，然后再用于实测记录上枕木干扰信号的减除，第三种是直接将强干扰的枕木上方记录道直接摘除。第一种，计算复杂，由于相邻枕木响应干扰相互干涉，独立枕木干扰的压制效果有限；第二种由于模拟信号与实测信号之间存在差异，直接减除后的雷达记录往往有较大残余；第三种损失了大量有用信号或记录道，一定程度上降低了雷达记录剖面的分辨能力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是解决上述技术难题，提供一种铁路路基雷达探测信号中的干扰去除方法，包括雷达铁路路基探测信号中的直耦波、铁轨和枕木干扰去除方法。

发明的技术解决方案如下：

一种铁路路基雷达探测信号中的干扰去除方法，包括以下步骤：

1)对原始雷达检测记录剖面即第一记录剖面进行天线直耦波和铁轨响应干扰信号压制得到雷达检测记录剖面，记为第二记录剖面；

2)在第二记录剖面中搜索枕木雷达响应极大值所在道号，以确定枕木中心位置所对应的道号，并以枕木间出现道数频次最多的道数作为重采样道数；

3)对第一记录剖面相邻两枕木间雷达记录道进行空间重采样，得到整条记录上相邻枕木间道数均为重采样道数的雷达记录剖面，记为第三记录剖面；

4)在第三记录剖面上按一个大于枕木间道数的窗口宽度进行等窗口宽度的全区域移动叠加并求取平均，得到有固定窗口宽度的干扰标准道集；

5)让第三记录剖面逐段按干扰标准道集窗口宽度滑动并减去枕木干扰标准道集，获得剔除直耦波、轨道和枕木干扰后的雷达记录剖面，记为第四记录剖面；

6)对第四记录剖面对比第一记录剖面再进行空间回采样，使第四记录剖面与第一记录剖面对应枕木间道数一致，形成新雷达剖面，即为最终的去除了干扰的雷达检测记录剖面。

所述步骤2)的搜索枕木雷达响应极大值的方法为：在第二记录剖面上取枕木响应明显的一个时间段，对每一记录道上，取该段时间上的雷达数据做多点平均，相比周围计算值，平均值最大者为极大值。

所述步骤3)中的重采样方法为采用MATLAB软件中数值计算工具箱中的resample函数的方法。

所述步骤4)中的窗口宽度的值为1～3倍重采样道数。

窗口宽度必须将枕间道数加1才能形成周期，如实施例中枕间道数为27，窗口宽度则至少为28。

有益效果：

本发明避免了采用枕木上雷达记录道直接剔除法带来的记录道损失，也回避了通过数学物理模拟对枕木产生复杂干扰信号的误差。用于铁路路基雷达探测资料的预处理中，既可用于剔除枕木干扰，也可同时将枕木、轨道和直耦波干扰滤出，并且在滤出过程中将铁轨和枕木产生的多次波干扰也一并滤出，效果非常明显。

基本原理：铁路枕木响应信号在雷达探测剖面上周期性往复出现，这种周期性不仅体现在枕木对雷达信号产生的绕射或散射周期性往复出现，能量优势明显，而且，由枕木绕射产生的多次波也有同样的周期性规律。如果按周期对一段区间(1～3个枕木间道集)记录进行叠加平均，这种周期性信号特征就会明显突出出来，其它无周期性或者与枕木雷达响应周期不一致的信号就被压制或剔除。这是通过实测数据提取有规律干扰信号的一种巧妙算法。

铁轨和直耦波在整条剖面上几乎不发生变化，通过全程检测的雷达记录道叠加平均可以获取铁轨和直耦波干扰的信号，原始记录每道都减去该记录，即可以获得压制了铁轨和直耦波干扰的雷达记录。从该雷达记录可以方便寻找枕木中心对应的雷达记录，从而为枕木间记录道是否需要重采样提供参考。

通过在明显有枕木绕射特征的一段时间上数字信号多点平均的计算办法可以很好地识别枕木中心响应记录道，这些记录道对应多点平均的极值点。

考虑到两枕木间雷达道数的不一致会影响周期性叠加的正确性和使用效果，我们采用空间重采样的方式，来尽量保障叠加窗口信号的周期性，从而使得标准干扰道集记录的精确程度。

重采样后的记录经过干扰剔除，相比原始测量雷达记录，相应坐标会发生细微变化，有必要让其归位，从而便于后期异常位置解释，因此本发明又对剔除干扰后的记录进行了回采样(重采样)。

附图说明

图1为本发明的雷达信号处理流程；

图2为一个雷达记录道；纵轴1000表示采样点为第1000个时间点，时间点乘以0.05ns(纳秒)为具体时间(其他的附图也如此)；横轴表示雷达记录道，单位：道。

图3为由1328道雷达记录合成的雷达检测原始记录剖面；

图4为压制了直耦波和铁轨干扰的记录剖面；(在该时间点范围内搜索枕木中心对应道号：61～70个时间点)

图5为记录道内值后枕木间道数均匀一致的雷达记录；

图6为28道直耦波及轨、枕标准干扰道集记录；

图7为周期滑动减去干扰标准道集后的雷达记录；

图8为枕间道数回采样后的雷达记录；

图9为枕木正上方对应搜索的极大值分布图。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1：

如图1至图8，图2为一个雷达记录道，横坐标为雷达响应幅度，纵坐标为采样时间点编号，在实际铁路上获得的雷达检测记录剖面为原始雷达检测记录剖面记为第一记录剖面，图3为由1328道雷达记录合成的雷达检测原始记录剖面，是雷达检测速度为5m/s(在其他速度的时候，也同样可以采用本发明的方法)时在实际铁路上获得的雷达检测记录剖面，从剖面上的标识看，雷达天线直耦波、铁轨和枕木的干扰影响在记录剖面上非常突出；

图4为由图3所示原始记录每道减去全部记录道的相加平均值后，得到压制了直耦波和铁轨干扰的雷达检测记录剖面即第二记录剖面，目的是为了更精确搜索枕木中心对应雷达道号。从第二记录剖面上可以看到，枕木响应的第一组信号出现在61～70号时间采样点范围，对每道记录求取61～70号点的平均值，，平均值最大者对应枕木中心，如图9所示，得到48个枕木所对应的中心位置道号。发现48个枕木间道数并不均匀，但以27道为出现频次最多，以27道为标准，对原始雷达检测记录剖面1中枕木间记录道数大于或小于27道的按27道进行等间隔重采样，获得所有枕木间道数都为27道的雷达记录剖面，记为第三记录剖面，记录道数为1316，如图5所示，为记录道内值后枕木间道数均匀一致的雷达记录。

其中采用MATLAB软件中数值计算工具箱中的resample函数实现道内插和重采样和回采样，函数如下：

Y＝resample(X，Q，m)

其中，X为m×n原始矩阵，表示m道雷达记录组成的矩阵，m为原始道数，n为每道采样点数；Y为道内插后的矩阵记录，Q为新记录的记录道数，采样点数为n不变。

Q可以大于m也可以小于m，大于m时完成上采样，小于m时完成下采样。如此获得的重采样数据，道间距离间隔均匀相等，满足后续处理要求。

第三记录剖面上从第一道开始取28道为标准干扰道集道数，按28道窗口宽度在整条剖面上进行平移叠加，得到47个窗口叠加记录，取其平均值，得到窗口宽度或道数为28道的直耦波、铁轨和枕木干扰道集4，如图6所示；

雷达记录剖面3从第一道开始按28道窗口宽度平移依次减去28道标准干扰道集，获得1316道集记录，如图7所示；

道集记录对比原始雷达记录各枕木间道数，对经过重采样的枕木间记录道进行回采样，得到与原始雷达记录枕木间道数一致的雷达记录，该雷达记录即是剔除了直耦波、铁轨和枕木干扰的雷达记录，可更好地用于路基质量评估分析，如图8所示。对比图3、图4和图8可见，在图8上，经过剔除轨枕和直耦波干扰的数据剖面，原本在小于400号时间点的记录剖面上出现的“亮点”或“暗点”状枕木绕射信号和多次波被很好压制；图4虽然压制了直耦波和铁轨干扰，但剖面上如“亮点”或“暗点”的枕木绕射干扰还是非常明显。同样，由于大于400号时间点剖面上压制了多次波干扰信号，属于路基结构层反射信息的雷达信号明显突出出来，而从图3来看，这一关键信号很难看出来，在压制了铁轨和直耦波干扰的图4中也不明显。

Claims (4)

1.一种铁路路基雷达探测信号中的干扰去除方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对原始雷达检测记录剖面即第一记录剖面进行天线直耦波和铁轨响应干扰信号压制得到雷达检测记录剖面，记为第二记录剖面；

2)在第二记录剖面中搜索枕木雷达响应极大值所在道号，以确定枕木中心位置所对应的道号，并以枕木间出现道数频次最多的道数作为重采样道数；

3)对第一记录剖面相邻两枕木间雷达记录道进行空间重采样，得到整条记录上相邻枕木间道数均为重采样道数的雷达记录剖面，记为第三记录剖面；

4)在第三记录剖面上按一个大于枕木间道数的窗口宽度进行等窗口宽度的全区域移动叠加并求取平均，得到有固定窗口宽度的干扰标准道集；

5)让第三记录剖面逐段按干扰标准道集窗口宽度滑动并减去枕木干扰标准道集，获得剔除直耦波、轨道和枕木干扰后的雷达记录剖面，记为第四记录剖面；

6)对第四记录剖面对比第一记录剖面再进行空间回采样，使第四记录剖面与第一记录剖面对应枕木间道数一致，形成新雷达剖面，即为最终的去除了干扰的雷达检测记录剖面。

2.权利要求1所述的铁路路基雷达探测信号中的干扰去除方法，其特征在于，所述步骤2)的搜索枕木雷达响应极大值的方法为：在第二记录剖面上取枕木响应明显的一个时间段，对每一记录道上，取该段时间上的雷达数据做多点平均，相比周围计算值，平均值最大者为极大值。

3.权利要求1所述的一种铁路路基雷达探测信号中的干扰去除方法，其特征在于，所述步骤3)中的重采样方法为采用MATLAB软件中数值计算工具箱中的resample函数的方法。

4.权利要求1-3任一项所述的一种铁路路基雷达探测信号中的干扰去除方法，其特征在于，所述步骤4)中的窗口宽度的值为1～3倍重采样道数。

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