CN106291538B - 一种铁路路基病害检测探地雷达信号的多通带滤波方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铁路路基病害检测探地雷达信号的多通带滤波方法，该方法通过车载路基检测雷达自动扫描采样获得路基原始雷达数据；然后抽取各扫描道轨枕上界面处的雷达反射信号组成一数字序列，通过对该数字序列进行频谱分析，获得轨枕和铁轨强反射干扰信号的频谱特征；设计用于压制轨枕和铁轨强干扰的多通带滤波器；采用该滤波器对雷达信号按采样点在水平方向依次滤波，去除干扰信号；该方法首次提出对铁路路基探地雷达信号中铁轨和轨枕强反射干扰信号进行分析，无需增加轨枕识别装置、无需避开轨枕进行雷达信号采集，利用基于铁轨和轨枕反射强干扰频谱特性设计的多通带滤波器，去除轨枕和铁轨的强反射干扰，提高路基介质反射雷达信号的信噪比。
Description
技术领域
本发明属于勘探地球物理数据处理领域，特别涉及一种铁路路基病害检测探地雷达信号的多通带滤波方法。
背景技术
铁路是国民经济的大动脉，是经济建设、社会发展的重要支撑。铁路路基病害是威胁铁路安全运营的重要因素之一，随着通车里程的增加和使用年限的增长，传统的路基病害检测方法(如等距离挖深法、轻型动力触探法、瑞利波面波法、核子密度仪法、高密度电阻率法等)的共同特点是效率低、或对现有线路损坏，不能提供长段线路的详细信息。探地雷达技术是地球物理方法中的一种高分辨率、高效率、实时无损的广谱电磁法，能满足无损、快速且不影响正常行车的要求，是铁路路基病害检测最具前景的一种探测手段。
然而，由于车载路基检测雷达工作于复杂的电磁干扰环境中，尤其是铁轨和轨枕对雷达波的一次和多次反射信号的强度远大于路基介质对雷达波的反射强度，雷达图像中路基病害信息被各种强干扰湮没。压制强干扰，并提取路基病害的弱反射信息是铁路路基检测雷达信号处理的重要内容。目前，国内外车载铁路路基检测雷达信号中轨枕或铁轨干扰的压制办法有如下几种：
(1)将安装雷达天线的支架延伸至轨枕范围外，能有效避开轨枕强反射对路基介质反射信号的干扰(如美国的GSSI公司的SIR系列车载雷达)，但装置的有效宽度可能超出了检测车安全运行的范围，尤其是在高速复线铁路上使用有一定的局限性，且不能探测到铁路中心线位置的路基病害。
(2)将雷达天线安装在铁路正上方，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采样(如意大利IDS公司的RIS车载雷达)，这种方法的主要问题是除了探地雷达本身外，要使系统正常工作，还必须配置实时轻枕扫描装置。
(3)采用专利号为200910303878.1，名称为一种剔除轨枕干扰的铁路路基检测雷达数据处理方法对雷达数据中的轨枕干扰信号剔除，其处理效果与上述第(2)种方法相当，且存在同样的问题。
(4)采用时空过滤筛压制轨枕干扰，同时能有效压制天线直耦波、钢轨强反射等其他干扰(朱德兵等，一种铁路路基雷达探测信号中轨枕干扰压制算法，铁道学报，2013)，但采用统一的时空筛前需对雷达扫描道进行重采样处理，可能引入人为噪声。
对比上述几种铁路路基雷达信号中干扰压制方法，前三种方法均只针对轨枕干扰进行处理，铁轨的干扰无法剔除；最后一种方法除了能压制轨枕干扰，同时能压制来自于铁轨的强反射，但可能会引入新的噪声。
发明内容
本发明的目的在于针对铁路路基病害检测雷达信号被铁轨和轨枕的强反射干扰所湮没，对来自铁路路基病害反射的雷达信号信噪比低的问题，提出一种铁路路基病害检测探地雷达信号的多通带滤波方法，有效压制各种干扰，便于路基病害识别。
多通带滤波需要解决的关键问题是获取强干扰的频谱特性，然后基于此特性设计多通带滤波器。本发明通过提取轨枕面雷达反射信号，获取轨枕干扰的频谱特性，然后对雷达信号水平方向按采样点从上至下提取，逐一进行滤波处理。
理想带通滤波的频率域形式由下式给出：
其中ωc为多通滤波器的通带，α是恒定相位延迟。对HdM(ejω)进行反傅立叶变换，可得到时间域带通滤波器hdM，然后进行加窗处理：
hM(n)＝hdM(n)w(n) (2)
其中，hM(n)为本发明中采用的多通带滤波器，w(n)为汉明窗函数。
一种铁路路基病害检测探地雷达信号的多通带滤波方法，包括以下步骤：
步骤1：通过车载路基检测雷达自动扫描采样获得路基原始雷达数据；
步骤2：从路基原始雷达数据中找出轨枕上界面处雷达反射信号同相轴的位置，并提取同相轴位置上对应的雷达反射信号，形成数字序列信号；
步骤3：对数字序列信号进行频谱变换，获得轨枕和铁轨的强反射干扰信号的频谱特征；
步骤4：根据轨枕和铁轨强反射干扰信号的频谱特征，构建用于压制轨枕和铁轨强干扰信号的多通带滤波器；
步骤5：利用步骤4构建的多通带滤波器对路基原始雷达数据按采样点在水平方向依次滤波，得到滤波后的路基雷达信号，去除轨枕和铁轨干扰信号。
经过本发明所述方法对路基原始雷达数据进行滤波处理后，其中的铁轨及轨枕强干扰被压制，大大提高了路基介质弱反射信号的信噪比。
利用车载路基检测雷达获取路基原始雷达数据时，路基检测雷达所在的车辆均速行驶。
以获得在水平方向上均匀分布的雷达扫描道。
利用雷达获取有强电磁反射干扰的检测对象，强电磁干扰源类似轨枕分布(如布设有钢筋网的隧道衬砌)的雷达检测强干扰压制。
有益效果
本发明提供了一种铁路路基病害检测探地雷达信号的多通带滤波方法，该方法首先通过车载路基检测雷达自动扫描采样获得路基原始雷达数据，在路基原始雷达数据中找出轨枕上界面反射信号同相轴的位置；然后抽取各扫描道轨枕上界面处的雷达反射信号组成一数字序列，通过对该数字序列进行频谱分析，获得轨枕和铁轨强反射干扰信号的频谱特征；根据轨枕和铁轨强干扰的频谱特征，设计用于压制轨枕和铁轨强干扰的多通带滤波器；采用该滤波器对雷达信号按采样点在水平方向依次滤波，得到滤波后的雷达信号。
现有技术中均将铁轨和轨枕强干扰与其他环境干扰同等处理，且雷达信号的滤波处理大都是以扫描道为单位进行逐道滤波，现有的滤波方法对铁轨和轨枕引起的水平方向的噪声无效，所获得的雷达信号中噪声幅度远大于环境噪声的铁轨和轨枕强反射干扰并没有滤除。而本发明所述方法首次提出对铁路路基探地雷达信号中铁轨和轨枕强反射干扰信号进行分析，无需增加轨枕识别装置、无需避开轨枕进行雷达信号采集，利用基于铁轨和轨枕反射强干扰频谱特性设计的多通带滤波器，对车载雷达信号在水平方向按采样点进行滤波处理，可同时压制轨枕和铁轨的强反射干扰，提高路基介质反射雷达信号的信噪比，便于路基病害的识别，为铁路路基病害整治提供科学依据。
附图说明
图1为本发明所述方法的流程示意图；
图2为中心频率为200M的车载雷达系统扫描铁路路基获得的一段雷达信号图像；
图3为图2所示雷达信号图像中抽取每道第94个采样点获得的数字序列；
图4为图3所示的数字序列的频谱；
图5为基于多通带滤波器频谱图；
图6为两条中心频率不同的雷达实测剖面的数据融合处理结果。
具体实施方式
下面将结合附图和实例对本发明所述方法做进一步的说明。
如图1所示，一种铁路路基病害检测探地雷达信号的多通带滤波方法，包括以下步骤：
步骤1：通过车载路基检测雷达自动扫描采样获得路基原始雷达数据；
利用车载路基检测雷达获取路基原始雷达数据时，路基检测雷达所在的车辆均速行驶。
以获得在水平方向上均匀分布的雷达扫描道。
步骤2：从路基原始雷达数据中找出轨枕上界面处雷达反射信号同相轴的位置，并提取同相轴位置上对应的雷达反射信号，形成数字序列信号；
步骤3：对数字序列信号进行频谱变换，获得轨枕和铁轨的强反射干扰信号的频谱特征；
步骤4：根据轨枕和铁轨强反射干扰信号的频谱特征，构建用于压制轨枕和铁轨强干扰信号的多通带滤波器；
步骤5：利用步骤4构建的多通带滤波器对路基原始雷达数据按采样点在水平方向依次滤波，得到滤波后的路基雷达信号，去除轨枕和铁轨干扰信号。
经过本发明所述方法对路基原始雷达数据进行滤波处理后，其中的铁轨及轨枕强干扰被压制，大大提高了路基介质弱反射信号的信噪比。
实施例1：
参见图2至图6，该实例采用青藏铁路路基检测的专用车载探地雷达的实测数据，其天线中心频率分别200MHz。检测车匀速行驶，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。
获得野外实测数据后，选取其中一段进行处理(如图2所示)。图2中水平方向扫描道号为24120至24760，共641道；时窗为90ns，采样点数为512点。从图2中的雷达图像可以看出，雷达图像整体呈条带状分布，其中包含铁轨对雷达信号的强反射干扰，频谱为直流成份；条带中局部有“蜂窝状”图案分布，在垂直方向的15ns～20ns附近尤为明显，为轨枕强反射干扰所致；随着探测深度的增加，“蜂窝状”图案并不明显，干扰和信号一样同样逐步衰弱所致。
抽取图2所示的641道雷达数据每道第94个采样点(16.5ns附近)形成一个数字序列信号，如图3所示。该数字序列中包含了轨枕反射干扰信息，对图3进行频谱分析，可得到如图4所示的频谱图，能量较强的信息主要集中在2个频带，第1个频带分布在直流附近，为铁轨强反射干扰(浅部还包含直达波成份)；第2个频带分布在0.21～0.25之间，为轨枕强干扰所对应的频谱。通过对铁轨及轨枕强干扰分析，设计了可以压制上述两频带范围多通带滤波器(如图5所示)。采用频谱为图5所示的滤波器对如图2所示的雷达图像在水平方向按采样点依次进行一维滤波，得到如图6所示的滤波结果。
对比原始雷达信号图像图2及滤波后的结果图6，可以看出图6中存在两个明显的异常区域(圆圈标注处)，推测为铁路路基病害所致。由此可见，雷达图像通过多通带滤波处理，大大压制了铁轨和轨枕的强反射干扰，便于铁路路基病害的识别。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种铁路路基病害检测探地雷达信号的多通带滤波方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：通过车载路基检测雷达自动扫描采样获得路基原始雷达数据；
步骤2：从路基原始雷达数据中找出轨枕上界面处雷达反射信号同相轴的位置，并提取同相轴位置上对应的雷达反射信号，形成数字序列信号；
步骤3：对数字序列信号进行频谱变换，获得轨枕和铁轨的强反射干扰信号的频谱特征；
步骤4：根据轨枕和铁轨强反射干扰信号的频谱特征，构建用于压制轨枕和铁轨强干扰信号的多通带滤波器；
步骤5：利用步骤4构建的多通带滤波器对路基原始雷达数据按采样点在水平方向依次滤波，得到滤波后的路基雷达信号，去除轨枕和铁轨干扰信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用车载路基检测雷达获取路基原始雷达数据时，路基检测雷达所在的车辆均速行驶。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20210201 Address after: 410000 Bachelor's Street, Yuelu District, Changsha City, Hunan Province, 755 Bachelor's Road Patentee after: CUHK testing (Hunan) Co.,Ltd. Address before: Yuelu District City, Hunan province 410083 Changsha Lushan Road No. 932 Patentee before: CENTRAL SOUTH University |
|
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A multi passband filtering method of GPR signal for railway subgrade disease detection Effective date of registration: 20211105 Granted publication date: 20181120 Pledgee: Changsha bank Limited by Share Ltd. Xiangjiang New District sub branch Pledgor: CUHK testing (Hunan) Co.,Ltd. Registration number: Y2021430000069 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: No.755, Xueshi street, Yuelu District, Changsha City, Hunan Province, 410205 Patentee after: Zhongda Intelligent Technology Co.,Ltd. Address before: 410000 Bachelor's Street, Yuelu District, Changsha City, Hunan Province, 755 Bachelor's Road Patentee before: CUHK testing (Hunan) Co.,Ltd. |
|
| CP03 | Change of name, title or address | ||
| PM01 | Change of the registration of the contract for pledge of patent right |
Change date: 20230802 Registration number: Y2021430000069 Pledgor after: Zhongda Intelligent Technology Co.,Ltd. Pledgor after: HUNAN CEZHI TECHNOLOGY Co.,Ltd. Pledgor after: Hunan zhongyun Technology Co.,Ltd. Pledgor before: CUHK testing (Hunan) Co.,Ltd. Pledgor before: HUNAN CEZHI TECHNOLOGY Co.,Ltd. Pledgor before: Hunan zhongyun Technology Co.,Ltd. |
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| PM01 | Change of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20230804 Granted publication date: 20181120 Pledgee: Changsha bank Limited by Share Ltd. Xiangjiang New District sub branch Pledgor: Zhongda Intelligent Technology Co.,Ltd.|HUNAN CEZHI TECHNOLOGY Co.,Ltd.|Hunan zhongyun Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2021430000069 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |