一种利用车载雷达信号提取道砟脏污率的计算方法与流程

本发明属于铁路车载雷达探测信号处理和分析解释领域，特别涉及一种利用车载雷达信号提取道砟脏污率的计算方法。

背景技术：

有砟轨道是我国客货运铁路最主要结构形式之一，作为有砟轨道结构最重要组成部分——散体(道砟)道床具有结构简单、施工方便、易于养护等优点，其服役状态是决定线路能否平顺安全的关键因素。然而，散体道床又是轨道结构中的薄弱环节，由于散体道床道砟颗粒间存在着孔隙，随着列车运量的增长造成的道砟破碎、粉化或者外来的细小颗粒侵入，道砟间的孔隙被逐渐充填，引发道床脏污现象。相关研究表明道床脏污会显著降低道床的排水能力，当含水量较小时，在水和动力的作用下，脏污介质与道砟凝结成整体，造成道床板结；而含水量较大时，将引发道床翻浆冒泥等病害。道床板结使得道床弹性降低，直接负面影响是加速了轨道几何尺寸的变形,使轨面几何状态趋于不稳定。在我国，尤其是煤运重载铁路专线，受粉煤灰的污染较重，每年都有大量的线路里程段需要对脏污道床进行清筛。

目前，国内外用于评估道砟脏污情况的主要方法是沿着轨道沿线进行选择性的钻探、或按一定的距离对道床开挖，不论是钻孔还是开挖类方法不仅费时而且不能提供轨道表面以下道砟脏污情况的连续信息。车载探地雷达出现后，广泛用于路基结构无损检测领域，但用于沿线道床脏污的判定目前没有统一的计算方法，国内尚没有一套有效算法用于检测生产实践；欧洲发达国家有雷达检测公司利用雷达信号优势频率分析的方法来计算脏污指数，间接进行道砟脏污情况的近似判定，但由于优势频率的提取计算工作量大，国外雷达设备计算代码保密，而且在我国重载铁路线路上，应用这种分析方法提取的脏污率值准确性不理想，不符合我国国情。因此，有必要设计一种能有效发挥雷达系统探测的效率优势，从其剖面信号中提取雷达脏污率信息的方法，为线路清筛决策和生产规划乃至预警预报提供科学依据。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，针对有砟铁路道床脏污率指标快速提取的技术难题，提供一种利用车载雷达信号提取道砟脏污率相关参数的计算方法。

发明的技术解决方案如下：

一种利用车载雷达信号提取道砟脏污率的计算方法，包括以下步骤：

1)对一条原始雷达检测记录剖面，即雷达检测记录剖面一次信号进行干扰信号压制后得到雷达检测记录剖面二次信号；一条雷达检测记录剖面由多道雷达记录信号合成；

2)根据道砟介电常数及道砟层的厚度确定道砟底界面雷达反射波旅行时间t，根据旅行时间t确定时间窗口t的长度；

3)对一条雷达检测记录剖面二次信号沿铁路线走向上按间距s依次分段形成等间距的m个距离窗口，读取每个距离窗口内的雷达记录信号道数n，并分别计算每个距离窗口内雷达记录信号的平均值，得到m个平均值；

4)分别将m个平均值在时间窗口t(0～t的时间段)内进行傅里叶变换，获得m个频率响应；

5)对m个频率响应进行全频段或主频覆盖段内积分运算或者分别求得m个频率响应的最大值，得到m个积分值或最大值，将其作为m个距离窗口内与道砟脏污率相关的参数值p；

6)通过既有线选点挖验或物理模拟测试方式标定参数值p与道砟脏污率b之间的换算关系；

7)利用参数值p与道砟脏污率b之间的换算关系将5)中m个参数值p转换为m个道砟脏污率值，从而获取雷达检测记录剖面上的道砟脏污率按距离窗口的分布情况，用于评估全线分段窗口内道床脏污水平。

进一步地，所述步骤2)中道砟底界面雷达反射波旅行时间t按照公式计算，其中h为道砟层厚度，ε为道砟层平均相对介电常数，c为真空中的电磁波波速。

进一步地，以1～3倍的旅行时间t作为时间窗口t的长度。

进一步地，如果雷达天线与道砟表面距离大于25cm，则采用1.5倍以上的旅行时间t作为时间窗口t的长度。

进一步地，所述步骤3)中，间距s设置为2m～10m；根据线路脏污状况，长里程线路普查时选取较大的分段间距，精细详查时选取较小的分段间距。

进一步地，所述步骤4)中，频率响应为功率谱，即分别计算m个平均值在时间窗口t内的功率谱，得到m个功率谱。

或者，所述步骤4)中，频率响应为相对功率谱；首先分别计算m个平均值在时间窗口t内的功率谱，得到m个功率谱；然后对m个功率谱进行平均，获得平均功率谱u；最后将m个功率谱分别除以或减去平均功率谱u获得m个距离窗口内的相对功率谱。

或者，所述步骤4)中，频率响应为振幅谱，或其它体现组成信号频率成分特征的物理量，该物理量通过概率统计算法，如熵谱分析等算法获取。

进一步地，所述步骤5)根据雷达天线的主频，选取全频段或主频覆盖段对频率响应进行积分运算，获取与道砟脏污率相关的参数值p；

进一步地，所述步骤6)中，运用相关分析方法通过既有线选点挖验或物理模拟测试方式，标定参数值p与脏污率b之间的换算关系；标定时车载雷达天线的中心频率、悬挂位置应与实际线路检测时的位置一致，换算关系表达式获取后可以长期使用。

进一步地，所述步骤1)中，对雷达检测记录剖面一次信号进行雷达天线直耦波和天线-铁轨耦合响应信号压制得到雷达检测记录剖面二次信号；或者，对雷达检测记录剖面一次信号进行雷达天线直耦波和天线-铁轨耦合响应信号压制、并利用既有算法剔除或压制枕木干扰信号后得到雷达检测记录剖面二次信号。干扰信号压制后得到雷达检测记录剖面二次信号可更好地用于道砟脏污率评估分析。

雷达天线直耦波信号和天线-铁轨耦合响应信号在整条雷达检测记录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雷达天线直耦波信号和天线-铁轨耦合响应信号，原始记录每道都减去该记录，即可以获得压制了雷达天线直耦波信号和天线-铁轨耦合响应信号干扰的雷达记录；枕木干扰信号利用既有算法进行剔除或压制。

分别处理位于垂直于线路的剖面上不同位置(左中右)的雷达记录信号，按上述方式获取不同位置的脏污参数。

基本原理：鉴于道砟(目前道砟的主要成分为花岗岩或者玄武岩)的相对介电常数为5-8，脏污介质的相对介电常数为9-16之间，当道砟受到污染时，其相对介电常数值必然上升(脏污程度越严重，对应的相对介电常数值越大)，从而导致雷达波在反射回波振幅上有很大优势，加上各种类型的雷达波发生相互干涉，在记录信号的功率谱上出现明显优势，为本方法提供了理论依据。

有益效果：

本发明可以获得雷达检测记录剖面上的道砟脏污率按距离窗口的分布情况，为线路清筛决策和生产规划提供科学依据。相对于现有技术，无论是利用短时傅里叶变换、小波变换或散射振幅包络等方法，本发明方法克服了国内外由搜索雷达信号响应主频或利用道砟空隙的散射波来提取道床脏污的缺点，运算速度快，精度较高，优化了计算环节，提高了工作效率,可以广泛应用于普铁和煤、矿运专线铁路等有砟轨道道床脏污程度判别。

附图说明

图1为本发明提取脏污率的处理流程图；

图2为正演模拟不同脏污水平雷达记录功率谱；

图3为正演模拟记录功率谱积分值与混合介质相对介电常数间的关系；

图4为物理模拟标定线不同脏污水平段分布图；

图5为包含1064道雷达记录信号的原始雷达检测记录剖面，纵轴2000表示采样点为第2000个时间点，时间点乘以0.01465ns(纳秒)为具体时间(其他的附图也如此)；横轴表示雷达记录道数，单位：道。

图6为压制了直耦波和铁轨干扰的记录剖面；

图7为利用相关算法压制了枕木干扰的雷达记录；

图8为区间平均后信号在计算窗口内的功率谱响应；

图9为标定线各区间与道砟脏污率相关的参数值p与脏污率b之间的对应关系及拟合曲线；

图10为功率谱最大值与脏污率b的关系及拟合曲线；

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：

本发明提供了一种利用车载雷达信号提取道砟脏污率的计算方法，通过对实测车载雷达检测记录剖面一次信号压制天线直耦波、雷达天线-铁轨响应干扰信号得到雷达检测记录剖面二次信号；利用道砟的相对介电常数值及道砟层的厚度确定雷达反射波在道砟底界面的双程旅行时间t，并以1-3倍的t做为时间窗口t；在雷达检测记录剖面二次信号中，以沿铁轨走向上2m-10m距离s将剖面分段，计算出各段窗口内雷达记录道数n，并求各窗口信号的平均值；在时间窗口t内求取各段平均信号的功率谱响应；对各功率谱(或功率谱包络)响应进行全频段或主频覆盖段内积分运算，作为全线各分段距离窗口对应的与道砟脏污率相关的参数值p；利用相关分析法在既有线选点挖验标定或物理模拟线路测试标定参数值p与道砟脏污率b之间的关系表达式；在雷达空气耦合天线中心频率和高度一致的情况下，可利用该p和b之间的关系表达式获取全线线路上道砟脏污率按距离窗口的分布情况，应用于全线线路道床按分段窗口脏污率水平评估。对应的处理流程图如图1所示。

利用gprmaxv2.0软件数值模拟出脏污介质位于道砟以下不同脏污水平下的雷达记录。其中道砟的相对介电常数设为7，道砟与脏污介质混合物的相对介电常数分别设为8、10、12、14、16，轨枕的相对介电常数设为6，道床的相对介电常数设为12。轨枕的规格为22cm*16cm，中心间距为56cm，道砟层的厚度设置为40cm，雷达天线到道砟表面高度为20cm，雷达天线主频为400mhz，时窗为20ns。通过计算可知电磁波在干净道砟内的双程旅行时t＝7.05ns，则计算窗口t取15ns，结果如图2所示，随着脏污介质由于含量的增加使得道砟与煤灰混合物相对介电常数值升高，所获得的功率谱最大值逐渐增大，功率谱曲线所包络区域的面积值越大，积分值与拟合曲线之间的关系如图3所示。

实施例1：

通过物理模拟实际线路六个不同脏污水平区段，对应的脏污介质含量百分比分别为0、12.5％、15％、20％、25％和30％，对应区段的在铁路走向上的长度如图4所示，道砟层的厚度为40cm，利用中心频率为400mhz的空气耦合天线进行测量，天线离道砟表面的高度为28cm。如图5至图9，图5为物理模拟标定线上实测原始雷达检测记录剖面一次信号；计算全部记录道的相加平均值作为背景噪声道，原始记录每道减去背景噪声道后，得到压制了直耦波和天线-铁轨干扰的雷达检测记录剖面二次信号，如图6所示；本次计算利用相关算法压制了枕木的干扰，结果如图7所示；道砟的相对介电常数值取7，因此在雷达检测记录剖面二次信号反射波双程旅行时间t＝7.05ns，此次数据采集的时窗为30ns，采样点数为2048，本次计算分析对应的时间窗口t＝11.6ns；本次物理模拟数据按标定线内不同脏污水平线路的长度进行划分，并计算各窗口内的雷达记录道数n，求出各段信号的平均值；对区间平均后的信号在时间窗口t内进行傅里叶变换，并利用直接法获取功率谱响应，如图8所示；对各段平均信号的功率谱(或功率谱包络)响应在全频段或主频覆盖段内进行积分运算，获取各分段间距窗口对应的与道砟脏污率相关的参数值p；利用既有线路选点开挖或物理模拟线路测试标定参数值p与道砟脏污率b，如图9所示，其中拟合曲线方程为p＝exp(0.00098*b^2+0.00325*b+28.29400)，则其中，m＝0.00098，n＝0.00325，q＝28.29400-logep；根据该曲线拟合方程可以应用于空气耦合天线中心频率400mhz和天线离地高度28cm的情况下评估全线线路在分段窗口内的脏污水平。

实施例2：

如实施例1所述的采集雷达剖面数据并计算出了m个分段间距内的功率谱信号，利用各分段窗口内功率谱曲线的最大值作为与道砟脏污率相关的参数值p，共有m个；建立参数值p与脏污率b之间的关系，如图10所示，则拟合曲线方程为p＝227.05294*b+3342.71103；根据该拟合曲线方程可以应用于空气耦合天线中心频率400mhz和天线离地高度28cm的情况下评估全线线路在分段窗口内的脏污水平。