本发明涉及高速铁路工务工程领域，具体涉及一种高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取方法及装置。
背景技术
高速铁路因其安全、平稳和舒适的特点，已成为人们远途出行中的首选交通方式之一，随着人们需求的提高及科技的发展，对高速铁路的轨道状态也提出了更高的要求，即使是小幅的轨道几何不平顺，对高速车辆运行安全性、平稳性、舒适性，以及环境噪声也会产生较大的影响，而高速铁路动态响应信号能够准确反应高速铁路的轨道状态，其中的高速铁路动态响应信号的瞬时频率if(instantaneousfrequency)是对非平稳信号特征的有效描述。
目前，获取信号的瞬时频率的方式有相位差分法、相位建模法、过零点法、teager能量算子法、短时傅里叶变换stft(shorttimefouriertransform)、小波变换、同步压缩小波变换swt(synchrosqueezingwavelettransform)、同步压缩短时傅里叶变换sstft(synchrosqueezedshorttimefouriertransform)以及对sstft进行改进后得到的isstft(improvedsynchrosqueezedshorttimefouriertransform)方法等，这些方法均能够实现对信号的瞬时频率的获取。
但是，由于高速列车动态响应信号的复杂信号的特性，现有的信号的瞬时频率的获取方式均不能完全适用于高速列车动态响应信号，也就是说，尚未有一种获取方式能够保证高速列车动态响应信号的瞬时频率的准确性及获取效率。
技术实现要素：
针对现有技术中的问题，本发明提供一种高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取方法及装置，能够快速且精确地获取高速列车动态响应信号的瞬时频率。
为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取方法，包括：
获取高速列车动态响应信号对应的时频平面；
提取所述时频平面中各间断频率曲线；
将各所述间断时频曲线按预设规则进行组合，得到所述高速列车动态响应信号对应的瞬时频率曲线；
以及，根据所述瞬时频率曲线确定所述高速列车动态响应信号的瞬时频率。
一实施例中，还包括：
根据所述高速列车动态响应信号的瞬时频率与钢轨波磨阈值的比较结果，判断发出该高速列车动态响应信号的高速列车在获取该高速列车动态响应信号的时段内行驶至的轨道是否发生钢轨波磨。
一实施例中，所述将各所述间断时频曲线按预设规则进行组合包括：
在全部的所述间断频率曲线中获取包含有能量最大点的第一间断频率曲线及该第一间断频率曲线初始的起始频率、起始时刻、截止频率和截止时刻；
组合步骤：在截止时刻早于所述第一间断频率曲线的起始时刻、且对应的时间差小于第一阈值的间断频率曲线中，选取一条截止频率与所述第一间断频率曲线的起始频率之间差值最小的第二间断频率曲线，以及，在起始时刻晚于所述第一间断频率曲线的截止时刻、且对应的时间差小于第一阈值的间断频率曲线中，选取一条起始频率与所述第一间断频率曲线的截止频率之间差值最小的第三间断频率曲线，并将所述第一间断频率曲线分别与第二间断频率曲线和第三间断频率曲线进行组合，得到新的第一间断频率曲线，更新所述新的第一间断频率曲线的起始频率、起始时刻、截止频率和截止时刻；
重复执行所述组合步骤，直至完成全部的间断时频曲线的组合。
一实施例中，所述获取高速列车动态响应信号对应的时频平面包括：
获取高速列车动态响应信号；
对所述高速列车动态响应信号进行短时傅里叶变换stft，得到该高速列车动态响应信号的时频表示；
以及，对所述高速列车动态响应信号的时频表示进行同步压缩变换，得到包含有同步压缩后的时频表示的时频平面。
一实施例中，所述提取所述时频平面中各间断频率曲线包括：
在所述时频平面中获取能量最大点对应的瞬时频率和时间，并将该能量最大点的预设频率范围外的能量值均设置为0，得到第一间断频率曲线；
以及，基于所述第一间断频率曲线，在所述时频平面中依次按能量值递减的顺序获取其他间断频率曲线。
一实施例中，所述根据所述瞬时频率曲线确定所述高速列车动态响应信号的瞬时频率，包括：
根据所述瞬时频率曲线重构得到所述高速列车动态响应信号对应的时域信息；
以及，基于所述时域信息确定所述高速列车动态响应信号的瞬时频率。
一实施例中，若所述高速列车动态响应信号为高速列车振动信号，则所述获取高速列车动态响应信号包括：
接收并读取运行中的高速列车发送所述高速列车振动信号；
其中，所述高速列车的轴箱上设有通信设备，且所述高速列车振动信号由该通信设备进行发送。
第二方面，本发明提供一种高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取系统，包括：
时频平面获取模块，用于获取高速列车动态响应信号对应的时频平面；
间断频率曲线提取模块，用于提取所述时频平面中各间断频率曲线；
瞬时频率曲线获取模块，用于将各所述间断时频曲线按预设规则进行组合，得到所述高速列车动态响应信号对应的瞬时频率曲线；
瞬时频率确定模块，用于根据所述瞬时频率曲线确定所述高速列车动态响应信号的瞬时频率。
一实施例中，还包括：
钢轨波磨检测模块，用于根据所述高速列车动态响应信号的瞬时频率与钢轨波磨阈值的比较结果，判断发出该高速列车动态响应信号的高速列车在获取该高速列车动态响应信号的时段内行驶至的轨道是否发生钢轨波磨。
一实施例中，所述瞬时频率曲线获取模块包括：
第一间断频率曲线获取单元，用于在全部的所述间断频率曲线中获取包含有能量最大点的第一间断频率曲线及该第一间断频率曲线初始的起始频率、起始时刻、截止频率和截止时刻；
组合步骤执行单元，用于执行组合步骤：在截止时刻早于所述第一间断频率曲线的起始时刻、且对应的时间差小于第一阈值的间断频率曲线中，选取一条截止频率与所述第一间断频率曲线的起始频率之间差值最小的第二间断频率曲线，以及，在起始时刻晚于所述第一间断频率曲线的截止时刻、且对应的时间差小于第一阈值的间断频率曲线中，选取一条起始频率与所述第一间断频率曲线的截止频率之间差值最小的第三间断频率曲线，并将所述第一间断频率曲线分别与第二间断频率曲线和第三间断频率曲线进行组合，得到新的第一间断频率曲线，更新所述新的第一间断频率曲线的起始频率、起始时刻、截止频率和截止时刻；
重复执行单元，用于重复执行所述组合步骤，直至完成全部的间断时频曲线的组合。
一实施例中，所述时频平面获取模块包括：
高速列车动态响应信号获取单元，用于获取高速列车动态响应信号；
短时傅里叶变换单元，用于对所述高速列车动态响应信号进行短时傅里叶变换stft，得到该高速列车动态响应信号的时频表示；
同步压缩变换单元，用于对所述高速列车动态响应信号的时频表示进行同步压缩变换，得到包含有同步压缩后的时频表示的时频平面。
一实施例中，所述间断频率曲线提取模块包括：
第一间断频率曲线提取单元，用于在所述时频平面中获取能量最大点对应的瞬时频率和时间，并将该能量最大点的预设频率范围外的能量值均设置为0，得到第一间断频率曲线；
全部间断频率曲线提取单元，用于基于所述第一间断频率曲线，在所述时频平面中依次按能量值递减的顺序获取其他间断频率曲线。
一实施例中，所述瞬时频率确定模块包括：
时域信息获取单元，用于根据所述瞬时频率曲线重构得到所述高速列车动态响应信号对应的时域信息；
瞬时频率获取单元，用于基于所述时域信息确定所述高速列车动态响应信号的瞬时频率。
一实施例中，若所述高速列车动态响应信号为高速列车振动信号，则所述高速列车动态响应信号获取单元包括：
高速列车振动信号接收子单元，用于接收并读取运行中的高速列车发送所述高速列车振动信号；
其中，所述高速列车的轴箱上设有通信设备，且所述高速列车振动信号由该通信设备进行发送。
第三方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取方法的步骤。
第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现所述高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取方法的步骤。
由上述技术方案可知，本发明提供一种高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取方法，通过获取高速列车动态响应信号对应的时频平面；提取所述时频平面中各间断频率曲线；将各所述间断时频曲线按预设规则进行组合，得到所述高速列车动态响应信号对应的瞬时频率曲线；以及，根据所述瞬时频率曲线确定所述高速列车动态响应信号的瞬时频率，能够提高获取高速列车动态响应信号的瞬时频率的准确性，并在提高获取高速列车动态响应信号的瞬时频率的准确性的基础上，有效减少获取高速列车动态响应信号的瞬时频率的过程中的计算量，能够快速且精确地获取高速列车动态响应信号的瞬时频率，进而能够高速列车动态响应信号的瞬时频率准确且快速地提取轨道状态特征，并为轨道状态调整提供准确的数据基础，进而能够保证高速列车的安全可靠运行。
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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一中的高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取方法的一种具体实施方式的流程示意图；
图2是是本发明实施例一中的高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取方法的另一种具体实施方式的流程示意图；
图3是本发明的应用实例中的高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取方法的流程示意图；
图4是本发明的应用实例中的原始信号示意图；
图5是本发明的应用实例中的sstft变换图；
图6a是本发明的应用实例中的sstft变换之后提取的第一个被分开的成分的的首个的间断频率曲线的示意图；
图6b是本发明的应用实例中的sstft变换之后提取的第一个被分开的成分中的第二个间断频率曲线的示意图；
图6c是本发明的应用实例中的sstft变换之后提取的第一个被分开的成分中的第三个间断频率曲线的示意图；
图6d是本发明的应用实例中的sstft变换之后提取的第一个被分开的成分中的第四个间断频率曲线的示意图；
图6e是本发明的应用实例中的sstft变换之后提取的第一个被分开的成分中的第五个间断频率曲线的示意图；
图7是本发明的应用实例中的经过整合之后提取的第一个成分的瞬时频率曲线示意图；
图8a是本发明的应用实例中的sstft变换之后提取的第二个被分开的成分的的首个的间断频率曲线的示意图；
图8b是本发明的应用实例中的sstft变换之后提取的第二个被分开的成分中的第二个间断频率曲线的示意图；
图8c是本发明的应用实例中的sstft变换之后提取的第二个被分开的成分中的第三个间断频率曲线的示意图；
图8d是本发明的应用实例中的sstft变换之后提取的第二个被分开的成分中的第四个间断频率曲线的示意图；
图9是本发明的应用实例中的经过整合之后提取的第二个成分的瞬时频率曲线示意图；
图10是本发明的应用实例中的第一个成分对应的瞬时幅值和瞬时频率的曲线示意图；
图11是本发明的应用实例中的第二个成分对应的瞬时幅值和瞬时频率的曲线示意图；
图12a是本发明的应用实例中的第一个成分对应的功率谱示意图；
图12b是本发明的应用实例中的第二个成分对应的功率谱示意图；
图13是本发明实施例二中的高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取系统的一种具体实施方式的结构示意图；
图14是本发明实施例二中的高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取系统的另一种具体实施方式的结构示意图；
图15是本发明实施例三中的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整的描述，显然，所描述的实施例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作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。
本发明的实施例一提供一种高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取方法的具体实施方式，参见图1，所述高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取方法具体包括如下内容：
步骤100：获取高速列车动态响应信号对应的时频平面。
在步骤100中，高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取系统根据运行在轨道线路上或正在进行动态检查中的高速列车动态响应信号获取高速列车动态响应信号对应的时频平面(time-frequencyplane)。可以理解的是，所述高速列车动态响应信号可以由高速列车自身发送至所述高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取系统，所述高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取系统可以应用同步压缩短时傅里叶变换sstft方法得到高速列车动态响应信号对应的时频平面。
在一种举例中，所述高速列车上设有通信装置，该通信装置在高速列车运行过程中，以相同的时间间隔向所述高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取系统发送各个所述时间间隔期间检测到的所述高速列车动态响应信号。
可以理解的是，所述高速列车动态响应信号为一种将运行过程中的高速列车的列车实体部件的动态状态转化为通信信号的动态响应信号，举例来说，所述高速列车动态响应信号可以为列车的轴箱加速度信号、轮轨力等振动信号。
步骤200：提取所述时频平面中各间断频率曲线。
在步骤200中，所述高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取系统在所述时频平面中提取出各个间断频率曲线。可以理解的是，所述间断频率曲线为一个时频平面中划分出的多个间断的频率曲线(frequencycurve)。
步骤300：将各所述间断时频曲线按预设规则进行组合，得到所述高速列车动态响应信号对应的瞬时频率曲线。
在步骤300中，所述高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取系统将各所述间断时频曲线按预设规则进行组合，组合后的全部的间断频率曲线形成了一个新的频率曲线，该新的频率曲线即为所述高速列车动态响应信号对应的瞬时频率曲线。
步骤400：根据所述瞬时频率曲线确定所述高速列车动态响应信号的瞬时频率。
在步骤400中，所述高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取系统根据所述瞬时频率曲线确定所述高速列车动态响应信号的瞬时频率。可以理解的是，所述高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取系统可以根据所述瞬时频率曲线获取所述高速列车动态响应信号对应的时域信息，再根据该时域信息确定所述高速列车动态响应信号的瞬时频率。
在上述描述中，本实施例中的高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取方法的执行主体为高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取系统，且该高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取系统可以为后台服务器、pc端、移动终端中应用等。
从上述描述可知，本发明的实施例提供的高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取方法能够提高获取高速列车动态响应信号的瞬时频率的准确性，并通过先将各所述间断时频曲线进行组合而后再重构得到高速列车动态响应信号的瞬时频率的方式，在提高获取高速列车动态响应信号的瞬时频率的准确性的基础上，有效减少获取高速列车动态响应信号的瞬时频率的过程中的计算量，能够快速且精确地获取高速列车动态响应信号的瞬时频率。
在一种具体实施方式中，参见图2，所述高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取方法中还包括在步骤400之后执行的步骤500，所述步骤500具体包括如下内容：
步骤500：根据所述高速列车动态响应信号的瞬时频率与钢轨波磨阈值的比较结果，判断发出该高速列车动态响应信号的高速列车在获取该高速列车动态响应信号的时段内行驶至的轨道是否发生钢轨波磨。
在步骤500中，所述高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取系统将所述高速列车动态响应信号的瞬时频率和钢轨波磨阈值进行比较，并根据比较结果判断发出该高速列车动态响应信号的高速列车在获取该高速列车动态响应信号的时段内是否发生钢轨波磨。
可以理解的是，所述钢轨波磨阈值为预先设置的数值或数值范围，且钢轨波磨用于表示钢轨固定周期的不平顺，即，若所述高速列车动态响应信号的瞬时频率大于钢轨波磨阈值，则所述高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取系统判定：发出该高速列车动态响应信号的高速列车在获取该高速列车动态响应信号的时段内，该高速列车行至的运行轨道存在周期性的磨损。进一步的，所述高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取系统可以将上述内容形成告警信息，并在该告警信息中添加可能发生钢轨波磨的轨道的位置信息及磨损强度，而后获知该信息的轨道维护人员可以根据该信息对对应的轨道进行检修，以进一步根据高速列车动态响应信号的瞬时频率提高所述高速列车的运行安全。
在一种具体实施方式中，所述高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取方法的步骤100具体包括如下内容：
步骤101：获取高速列车动态响应信号。
在步骤101的一种具体实施方式中，若所述高速列车动态响应信号为高速列车振动信号，则所述步骤101具体包括：接收并读取运行中的高速列车发送所述高速列车振动信号；其中，所述高速列车的轴箱上设有通信设备，且所述高速列车振动信号由该通信设备进行发送，由此，能够保证高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取系统接收的振动信号的可靠性。
步骤102：对所述高速列车动态响应信号进行短时傅里叶变换stft，得到该高速列车动态响应信号的时频表示。
在步骤102中，所述高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取系统对所述高速列车动态响应信号进行短时傅里叶变换stft，得到该高速列车动态响应信号的时频表示。可以理解的是，所述时频表示为使用时间和频率的联合函数来表示信号。
步骤103：对所述高速列车动态响应信号的时频表示进行同步压缩变换，得到包含有同步压缩后的时频表示的时频平面。
在步骤103中，所述高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取系统对所述高速列车动态响应信号的时频表示进行同步压缩变换，得到包含有同步压缩后的时频表示的时频平面(time-frequencyplane)。
从上述描述可知，本发明的实施方式提供的高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取方法，应用短时傅里叶变换stft及同步压缩变换，能够准确获取高速列车动态响应信号对应的时频平面，为后续瞬时频率的获取提供了准确的数据基础。
在一种具体实施方式中，所述高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取方法的步骤200具体包括如下内容：
步骤201：在所述时频平面中获取能量最大点对应的瞬时频率和时间，并将该能量最大点的预设频率范围外的能量值均设置为0，得到第一间断频率曲线。
在步骤201中，所述高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取系统在压缩变换之后的时频平面上找出能量最大的点，可以记为第一能量最大点，并将包含有该第一能量最大点的频率曲线定义为第一间断频率曲线，并记录该第一间断频率曲线对应的频率和时间。
步骤202：基于所述第一间断频率曲线，在所述时频平面中依次按能量值递减的顺序获取其他间断频率曲线。
在步骤202中，所述高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取系统以所述第一间断频率曲线为基准曲线，以该所述第一间断频率曲线为中心，分别找到其两次预设范围内的能量最大点，记为第二能量最大点，并分割出包含有该第二能量最大点的频率曲线，作为另一个间断频率曲线，并记录该另一个断频率曲线对应的频率和时间记录；再之后，修改预设范围后，继续重复上述过程寻找新范围内的能量最大点及对应的间断频率曲线，直到获取到全部的间断频率曲线。
从上述描述可知，本发明的实施方式提供的高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取方法，提供了一种获取间断频率曲线的方式，且该方式能够准确且快速地在频率平面中提取全部的间隔频率曲线。
在一种具体实施方式中，所述高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取方法的步骤300具体包括如下内容：
步骤301：在全部的所述间断频率曲线中获取包含有能量最大点的第一间断频率曲线及该第一间断频率曲线初始的起始频率、起始时刻、截止频率和截止时刻。
步骤302：组合步骤：在截止时刻早于所述第一间断频率曲线的起始时刻、且对应的时间差小于第一阈值的间断频率曲线中，选取一条截止频率与所述第一间断频率曲线的起始频率之间差值最小的第二间断频率曲线，以及，在起始时刻晚于所述第一间断频率曲线的截止时刻、且对应的时间差小于第一阈值的间断频率曲线中，选取一条起始频率与所述第一间断频率曲线的截止频率之间差值最小的第三间断频率曲线，并将所述第一间断频率曲线分别与第二间断频率曲线和第三间断频率曲线进行组合，得到新的第一间断频率曲线，更新所述新的第一间断频率曲线的起始频率、起始时刻、截止频率和截止时刻。
步骤303：重复执行所述组合步骤，直至完成全部的间断时频曲线的组合。
在一种举例中，上述步骤301至303可以被所述高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取系统执行为：
(1)令j＝1；
(2)在已提取出来的曲线中，找到能量最大点对应的时频曲线记curvej并记其起始频率为f0，起始时间为t0，截止频率为fe，截止时间为te；
(2-1)在剩余曲线中找到截止时间(小于t0)与t0差距小于某一阈值β(用户给定)的曲线，从这些曲线中选取一个截止频率与f0相差最小的一条将之与curvek连接起来(时间跳跃处，对应频率置为0)；在剩余曲线中找到起始时间(大于te)与te差距小于某一阈值β的曲线，从这些曲线中选取一个起始频率与fe相差最小的一条将之与curvek连接起来(时间跳跃处，对应频率置为0)；
(2-2)更新f0，t0，fe，te的值，继续执行a)当t0和te与信号的起始时间和结束时间相等，或者寻找曲线数量为0时停止；
(3)j＝j+1,j＜m，(m为给定的用户控制参数)，重复执行(1)和(2)。
从上述描述可知，本发明的实施方式提供的高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取方法，能够提高获取高速列车动态响应信号的瞬时频率的准确性，并在提高获取高速列车动态响应信号的瞬时频率的准确性的基础上，有效减少获取高速列车动态响应信号的瞬时频率的过程中的计算量，能够快速且精确地获取高速列车动态响应信号的瞬时频率，进而能够高速列车动态响应信号的瞬时频率准确且快速地提取轨道状态特征，并为轨道状态调整提供准确的数据基础，进而能够保证高速列车的安全可靠运行。
在一种具体实施方式中，所述高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取方法的步骤400具体包括如下内容：
步骤401：根据所述瞬时频率曲线重构得到所述高速列车动态响应信号对应的时域信息。
步骤402：基于所述时域信息确定所述高速列车动态响应信号的瞬时频率。
在步骤401和402中，所述高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取系统根据所述瞬时频率曲线重构得到所述高速列车动态响应信号对应的时域信息，而后基于所述时域信息确定所述高速列车动态响应信号的瞬时频率。
从上述描述可知，本发明的实施方式提供的高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取方法，能够根据瞬时频率曲线确定所述高速列车动态响应信号的瞬时频率，且确定过程可靠。
为进一步的说明本方案，本发明还提供一种高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取方法的应用实例，以所述高速列车动态响应信号为振动信号为例，参见图3，具体包括如下内容：
s1：将获取的振动信号s进行短时傅里叶变换stft，得到振动信号s的时频表示w；
s2：将振动信号s的时频表示进行同步压缩变换，得到新的时频表示wsstft，得到包含有新的时频表示wsstft的时频平面；
s3：在经过同步压缩变换的时频平面上，提取间断频率曲线；
s4：将提取出来的间断频率曲线连接成瞬时频率曲线，而后根据提取出的瞬时频率曲线可以通过重构得到特征信号的时域信息，再根据时域信息确定所述高速列车动态响应信号的瞬时频率。
其中，高速列车的轴箱的振动数据的原始信号如图4所示，利用sstft变换对改信号进行分析，得到时频平面如图5所示。由于阈值设定，图5中频率曲线出现了间断，于是将本来属于同一条频率曲线的曲线分成了多条，其对应的信号imf分别如图6a至图6e，以及图8a至图8d所示，其中，图6a至图6e分别为5条间隔频率曲线，且图6a中所示的间隔频率曲线为前述的第一间隔频率曲线。
经过曲线的整合之后的重构信号的第一个瞬时频率成分和第二个瞬时频率成分分别如图7和图9所示。图7为将图6a至图6e的间隔频率曲线组合后的瞬时频率曲线。图9为将图8a至图8d的间隔频率曲线组合后的瞬时频率曲线，图10为第一个成分的瞬时幅值和瞬时频率(间断处信号置为0，频率置为前一时刻或后一时刻瞬时频率)。图11为第二个成分的瞬时幅值和瞬时频率。经过研究分析图10和图11，确定该处存在钢轨波磨的可能性。波长集中在69mm附近(图11中400hz左右的频率为其它特征频率，在此不予考虑)。
为了验证上述猜想的正确性，对提取出来的信号成分做了功率谱进行分析。如图12a和图12b所示，图12a为第一个成分对应的功率谱，图12b为第二个成分对应的功率谱。从图12a和图12b中可以看出，两个成分各自的频率相对集中，特征比较明显。
以所述高速列车动态响应信号为振动信号为例的高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取方法的应用实例具体包括如下内容：
第一部分-同步压缩短时傅里叶变换
假设函数f的傅里叶变换与逆变换分别用
gf(t,η)＝(g(·-)f)^(η)＝∫f(t)g(t-η)e-iξtdt(1)
记
对于任意的
其中阈值γ≥0，(t,ξ)∈r×αn，μ表示r上的lebesgue测度。
实际上，其离散化的计算过程，是将stft变换之后时频平面上的信息，通过确定的时频中心ωl，将
截取了高速列车运行过程中的一段轴箱加速度的振动信号，来分析信号中隐含的信息。
信号经过sstft变换之后的时频表示如图5所示，从图5中可以看出，经过sstft变换之后，信号的频率比较集中，频率曲线比较清晰，在每个时间段均可以看出其对应的主频以及特征频率。
第二部分-时频平面上连续特征曲线的提取
其中频率曲线提取的计算流程如下：
(1)令k＝1；
(2)在压缩变换之后的时频平面上找出能量最大的点，将其对应的频率f0和时间t0记录下，第k个成分的瞬时频率即为ifk(t0)＝f0，同时将时频平面上(t0,f0-l)至(t0,f0+l)范围内的能量均置0(其中l为事先给定的值)；
(3)令tl＝t0-1，tr＝t0+1，fl＝f0，fr＝f0，对于t＞t0以及t＜t0
找到(tl,fl-l)到(tl,fl+l)内的能量最大点(大于某一给定的硬阈值γ，否则停止，执行4)其频率记为
(3-1)(tl,fl-l)至(tl,fl+l)以及(tr,fr-l)至(tr,fr+l)范围内的能量均置0；
(3-2)令tl＝tl-1，tr＝tr+1，
(3-3)重复执行a)-d)；
(4)k＝k+1,k＜n(n为给定的用户控制参数)，重复执行0-0。
上述算法通过控制参数k可以将时频平面上的各不同的频率曲线(脊线)提取出来。但是如果在某一时间，频率曲线出现间断，即当能量值小于阈值γ时，则无法进行提取。只能将参数k提高，才能提取出来所有的频率曲线。如果需要即时输出时频信息的时候，这种办法是快速而且有效的，但是从长时间来看，如果希望观察某一长时间段的时频信息的话，这增加了后续的信号重构时间以及时频信息计算量。所以通过s4(其详细计算流程如下所示)将提取的曲线整合成为比较集中的曲线。当两条曲线与某一曲线curvej的时间、频率差均相同时，随机选取一条频率较大的曲线，并不会影响信号的重构。
其中，s4的计算流程：
(1)令j＝1；
(2)在已提取出来的曲线中，找到能量最大点对应的时频曲线记curvej并记其起始频率为f0，起始时间为t0，截止频率为fe，截止时间为te；
(2-1)在剩余曲线中找到截止时间(小于t0)与t0差距小于某一阈值β(用户给定)的曲线，从这些曲线中选取一个截止频率与f0相差最小的一条将之与curvek连接起来(时间跳跃处，对应频率置为0)；在剩余曲线中找到起始时间(大于te)与te差距小于某一阈值β的曲线，从这些曲线中选取一个起始频率与fe相差最小的一条将之与curvek连接起来(时间跳跃处，对应频率置为0)；
(2-2)更新f0，t0，fe，te的值，继续执行a)当t0和te与信号的起始时间和结束时间相等，或者寻找曲线数量为0时停止；
(3)j＝j+1,j＜m，(m为给定的用户控制参数)，重复执行0-0；
根据sstft变换理论，可知带宽有限信号是可以被恢复出来的，同时当将时频曲线刻画完整之后，仍然需要观察其时频信息。因为曲线的提取以时间为主导，所以对于提取的曲线在同一个时间，不会出现多个频率成分，当单独观察某一成分时，在时频平面上，它表现出来的信息是唯一的。同时对通过对分离成分的瞬时频率进行分析，可以研究频率随时间的变化情况。
第三部分-瞬时频率刻画
根据一般情况下瞬时频率的概念，假设对于一个函数f∈l2有一个采样f(tk)，
如前所述，考虑采样点{tk}为一个对于一致采样空间扰动很小的采样。假设{tk}为递增的，则对于t＞0有
如果1/t＞2ω，则有
通过f(tk)恢复f最合适的方法就是解最小二乘问题
其中{h(n,t)},n∈[-n,n]是一个给定的基函数集，ωk是权系数，使得
是ft(t)＝f(tt)的一个逼近。围绕这个观点，有很多的算法去解决最小二乘问题，通常，使用最多的是h(n,t)＝(2n+1)-1/2e12πint/(2n+1)，
以及
由于
从而
所以有
即
所以φ′(t)的一个逼近为
上述重构过程是在l2空间内对能量有限信号进行的，当然这个方法对于l∞空间中的有界信号同样是可行的。简单的可以叙述如下：
假设b是一个函数，使得
该级数在紧致集上是一致收敛的。当将信号局限于某一固定的有限区间i上时，通过对信号的充分采样，f是可以被逼近出来。
当然，上述理论对于非带宽有限的信号，比如chirp信号，也是适用的。其理论推导依赖于有限区间i上的傅里叶级数。
通过上述过程重构出时域信息以后，即可将信号的瞬时频率刻画出来。
本发明的实施例二提供一种能够实现所述高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取方法中全部内容的高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取系统的具体实施方式，参见图13，所述高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取系统具体包括如下内容：
时频平面获取模块10，用于获取高速列车动态响应信号对应的时频平面；
间断频率曲线提取模块20，用于提取所述时频平面中各间断频率曲线；
瞬时频率曲线获取模块30，用于将各所述间断时频曲线按预设规则进行组合，得到所述高速列车动态响应信号对应的瞬时频率曲线；
瞬时频率确定模块40，用于根据所述瞬时频率曲线确定所述高速列车动态响应信号的瞬时频率。
从上述描述可知，本发明的实施例提供的高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取系统能够提高获取高速列车动态响应信号的瞬时频率的准确性，并通过先将各所述间断时频曲线进行组合而后再重构得到高速列车动态响应信号的瞬时频率的方式，在提高获取高速列车动态响应信号的瞬时频率的准确性的基础上，有效减少获取高速列车动态响应信号的瞬时频率的过程中的计算量，能够快速且精确地获取高速列车动态响应信号的瞬时频率。
在一种具体实施方式中，参见图14，所述的高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取系统还包括钢轨波磨检测模块50，用于根据所述高速列车动态响应信号的瞬时频率与钢轨波磨阈值的比较结果，判断发出该高速列车动态响应信号的高速列车在获取该高速列车动态响应信号的时段内行驶至的轨道是否发生钢轨波磨。
在一种具体实施方式中，所述时频平面获取模块10具体包括如下内容：
高速列车动态响应信号获取单元11，用于获取高速列车动态响应信号；
短时傅里叶变换单元12，用于对所述高速列车动态响应信号进行短时傅里叶变换stft，得到该高速列车动态响应信号的时频表示；
同步压缩变换单元13，用于对所述高速列车动态响应信号的时频表示进行同步压缩变换，得到包含有同步压缩后的时频表示的时频平面。
其中，若所述高速列车动态响应信号为高速列车振动信号，则所述高速列车动态响应信号获取单元11包括：高速列车振动信号接收子单元11，用于接收并读取运行中的高速列车发送所述高速列车振动信号；其中，所述高速列车的轴箱上设有通信设备，且所述高速列车振动信号由该通信设备进行发送。
在一种具体实施方式中，所述间断频率曲线提取模块20具体包括如下内容：
第一间断频率曲线提取单元21，用于在所述时频平面中获取能量最大点对应的瞬时频率和时间，并将该能量最大点的预设频率范围外的能量值均设置为0，得到第一间断频率曲线；
全部间断频率曲线提取单元22，用于基于所述第一间断频率曲线，在所述时频平面中依次按能量值递减的顺序获取其他间断频率曲线。
在一种具体实施方式中，所述瞬时频率曲线获取模块30具体包括如下内容：
第一间断频率曲线获取单元31，用于在全部的所述间断频率曲线中获取包含有能量最大点的第一间断频率曲线及该第一间断频率曲线初始的起始频率、起始时刻、截止频率和截止时刻；
组合步骤执行单元32，用于执行组合步骤：在截止时刻早于所述第一间断频率曲线的起始时刻、且对应的时间差小于第一阈值的间断频率曲线中，选取一条截止频率与所述第一间断频率曲线的起始频率之间差值最小的第二间断频率曲线，以及，在起始时刻晚于所述第一间断频率曲线的截止时刻、且对应的时间差小于第一阈值的间断频率曲线中，选取一条起始频率与所述第一间断频率曲线的截止频率之间差值最小的第三间断频率曲线，并将所述第一间断频率曲线分别与第二间断频率曲线和第三间断频率曲线进行组合，得到新的第一间断频率曲线，更新所述新的第一间断频率曲线的起始频率、起始时刻、截止频率和截止时刻；
重复执行单元33，用于重复执行所述组合步骤，直至完成全部的间断时频曲线的组合。
在一种具体实施方式中，所述瞬时频率确定模块40具体包括如下内容：
时域信息获取单元41，用于根据所述瞬时频率曲线重构得到所述高速列车动态响应信号对应的时域信息；
瞬时频率获取单元42，用于基于所述时域信息确定所述高速列车动态响应信号的瞬时频率。
本发明提供的用于高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取系统的实施例具体可以用于执行上述用于高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取方法的实施例的处理流程，其功能在此不再赘述，可以参照上述方法实施例的详细描述。
从上述描述可知，本发明的实施方式提供的高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取系统，能够提高获取高速列车动态响应信号的瞬时频率的准确性，并在提高获取高速列车动态响应信号的瞬时频率的准确性的基础上，有效减少获取高速列车动态响应信号的瞬时频率的过程中的计算量，能够快速且精确地获取高速列车动态响应信号的瞬时频率，进而能够高速列车动态响应信号的瞬时频率准确且快速地提取轨道状态特征，并为轨道状态调整提供准确的数据基础，进而能够保证高速列车的安全可靠运行。
本发明的实施例三提供能够实现上述高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取方法中全部步骤的一种电子设备的具体实施方式，参见图15，所述电子设备具体包括如下内容：
处理器(processor)601、存储器(memory)602、通信接口(communicationsinterface)603和总线604；
其中，所述处理器601、存储器602、通信接口603通过所述总线604完成相互间的通信；所述通信接口603用于实现高速列车动态响应信号的瞬时频率系统及高速列车上的通信设备等相关设备之间的信息传输；
所述处理器601用于调用所述存储器602中的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述实施例一中的全部步骤，例如，所述处理器执行所述计算机程序时实现下述步骤：
步骤100：获取高速列车动态响应信号对应的时频平面。
步骤200：提取所述时频平面中各间断频率曲线。
步骤300：将各所述间断时频曲线按预设规则进行组合，得到所述高速列车动态响应信号对应的瞬时频率曲线。
步骤400：根据所述瞬时频率曲线确定所述高速列车动态响应信号的瞬时频率。
从上述描述可知，本发明的实施例提供的电子设备，能够提高获取高速列车动态响应信号的瞬时频率的准确性，并通过先将各所述间断时频曲线进行组合而后再重构得到高速列车动态响应信号的瞬时频率的方式，在提高获取高速列车动态响应信号的瞬时频率的准确性的基础上，有效减少获取高速列车动态响应信号的瞬时频率的过程中的计算量，能够快速且精确地获取高速列车动态响应信号的瞬时频率。
本发明的实施例四提供能够实现上述高速列车动态响应信号的瞬时频率的获取方法中全部步骤的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述实施例一的全部步骤，例如，所述处理器执行所述计算机程序时实现下述步骤：
步骤100：获取高速列车动态响应信号对应的时频平面。
步骤200：提取所述时频平面中各间断频率曲线。
步骤300：将各所述间断时频曲线按预设规则进行组合，得到所述高速列车动态响应信号对应的瞬时频率曲线。
步骤400：根据所述瞬时频率曲线确定所述高速列车动态响应信号的瞬时频率。
从上述描述可知，本发明的实施例提供的计算机可读存储介质，能够提高获取高速列车动态响应信号的瞬时频率的准确性，并通过先将各所述间断时频曲线进行组合而后再重构得到高速列车动态响应信号的瞬时频率的方式，在提高获取高速列车动态响应信号的瞬时频率的准确性的基础上，有效减少获取高速列车动态响应信号的瞬时频率的过程中的计算量，能够快速且精确地获取高速列车动态响应信号的瞬时频率。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。