專利名稱：一種鐵路路基雷達探測信號中的干擾去除方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鐵路路基雷達探測信號優(yōu)化處理領(lǐng)域，涉及一種鐵路路基雷達探測信號中的干擾去除方法。
背景技術(shù)：
考慮到鐵路路基檢測對快速、無損和高精度需求，國內(nèi)外廣泛采用雷達檢測方法， 雷達系統(tǒng)對路基隱患的分辨能力也得到國內(nèi)外廣泛認(rèn)可。鐵軌和枕木是鐵路沿線的固定構(gòu)件，與空氣、道砟等周圍介質(zhì)的介電常數(shù)等電性參數(shù)差異明顯，雷達天線發(fā)射信號在軌枕介質(zhì)上形成強烈的響應(yīng)信號，不僅能量強，而且有多次波出現(xiàn)，嚴(yán)重影響雷達信號的后期處理以及路基結(jié)構(gòu)層的辨別和病害的甄別；另外，不論是收發(fā)分離天線或是一體化天線，直接耦合電磁波或直耦波能量很強，也不利于雷達檢測剖面的資料處理與解釋，需要加以壓制或濾除。直耦波或鐵軌響應(yīng)信號，包括多次波在內(nèi)，在雷達探測剖面上沿水平方向連續(xù)一致，可以通過減除多道平均值或水平濾波等方式加以壓制或濾除；枕木干擾響應(yīng)信號，包括多次波，盡管在空間分布上有一定規(guī)律，但這種規(guī)律難用數(shù)學(xué)模型精確地表述，并且由于行車速度變化或枕木間雷達道數(shù)的不一致，將導(dǎo)致枕木干擾信號很難剔除。當(dāng)前采用的典型算法，一是獨立對每個枕木響應(yīng)通過數(shù)字信號處理，以盡量壓制干擾信號，二是通過數(shù)值模擬或物理模擬獲得枕木響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)干擾信號，然后再用于實測記錄上枕木干擾信號的減除，第三種是直接將強干擾的枕木上方記錄道直接摘除。第一種，計算復(fù)雜，由于相鄰枕木響應(yīng)干擾相互干涉，獨立枕木干擾的壓制效果有限；第二種由于模擬信號與實測信號之間存在差異，直接減除后的雷達記錄往往有較大殘余；第三種損失了大量有用信號或記錄道，一定程度上降低了雷達記錄剖面的分辨能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是解決上述技術(shù)難題，提供一種鐵路路基雷達探測信號中的干擾去除方法，包括雷達鐵路路基探測信號中的直耦波、鐵軌和枕木干擾去除方法。發(fā)明的技術(shù)解決方案如下—種鐵路路基雷達探測信號中的干擾去除方法，包括以下步驟1)對原始雷達檢測記錄剖面即第一記錄剖面進行天線直耦波和鐵軌響應(yīng)干擾信號壓制得到雷達檢測記錄剖面，記為第二記錄剖面；2)在第二記錄剖面中搜索枕木雷達響應(yīng)極大值所在道號，以確定枕木中心位置所對應(yīng)的道號，并以枕木間出現(xiàn)道數(shù)頻次最多的道數(shù)作為重采樣道數(shù)；3)對第一記錄剖面相鄰兩枕木間雷達記錄道進行空間重采樣，得到整條記錄上相鄰枕木間道數(shù)均為重采樣道數(shù)的雷達記錄剖面，記為第三記錄剖面；4)在第三記錄剖面上按一個大于枕木間道數(shù)的窗口寬度進行等窗口寬度的全區(qū)域移動疊加并求取平均，得到有固定窗口寬度的干擾標(biāo)準(zhǔn)道集；
5)讓第三記錄剖面逐段按干擾標(biāo)準(zhǔn)道集窗口寬度滑動并減去枕木干擾標(biāo)準(zhǔn)道集， 獲得剔除直耦波、軌道和枕木干擾后的雷達記錄剖面，記為第四記錄剖面；6)對第四記錄剖面對比第一記錄剖面再進行空間回采樣，使第四記錄剖面與第一記錄剖面對應(yīng)枕木間道數(shù)一致，形成新雷達剖面，即為最終的去除了干擾的雷達檢測記錄剖面。所述步驟2、的搜索枕木雷達響應(yīng)極大值的方法為在第二記錄剖面上取枕木響應(yīng)明顯的一個時間段，對每一記錄道上，取該段時間上的雷達數(shù)據(jù)做多點平均，相比周圍計算值，平均值最大者為極大值。所述步驟3)中的重采樣方法為采用MATLAB軟件中數(shù)值計算工具箱中的resample 函數(shù)的方法。所述步驟4)中的窗口寬度的值為1 3倍重采樣道數(shù)。窗口寬度必須將枕間道數(shù)加1才能形成周期，如實施例中枕間道數(shù)為27，窗口寬度則至少為28。有益效果本發(fā)明避免了采用枕木上雷達記錄道直接剔除法帶來的記錄道損失，也回避了通過數(shù)學(xué)物理模擬對枕木產(chǎn)生復(fù)雜干擾信號的誤差。用于鐵路路基雷達探測資料的預(yù)處理中，既可用于剔除枕木干擾，也可同時將枕木、軌道和直耦波干擾濾出，并且在濾出過程中將鐵軌和枕木產(chǎn)生的多次波干擾也一并濾出，效果非常明顯?；驹龛F路枕木響應(yīng)信號在雷達探測剖面上周期性往復(fù)出現(xiàn)，這種周期性不僅體現(xiàn)在枕木對雷達信號產(chǎn)生的繞射或散射周期性往復(fù)出現(xiàn)，能量優(yōu)勢明顯，而且，由枕木繞射產(chǎn)生的多次波也有同樣的周期性規(guī)律。如果按周期對一段區(qū)間(1 3個枕木間道集) 記錄進行疊加平均，這種周期性信號特征就會明顯突出出來，其它無周期性或者與枕木雷達響應(yīng)周期不一致的信號就被壓制或剔除。這是通過實測數(shù)據(jù)提取有規(guī)律干擾信號的一種巧妙算法。鐵軌和直耦波在整條剖面上幾乎不發(fā)生變化，通過全程檢測的雷達記錄道疊加平均可以獲取鐵軌和直耦波干擾的信號，原始記錄每道都減去該記錄，即可以獲得壓制了鐵軌和直耦波干擾的雷達記錄。從該雷達記錄可以方便尋找枕木中心對應(yīng)的雷達記錄，從而為枕木間記錄道是否需要重采樣提供參考。通過在明顯有枕木繞射特征的一段時間上數(shù)字信號多點平均的計算辦法可以很好地識別枕木中心響應(yīng)記錄道，這些記錄道對應(yīng)多點平均的極值點?？紤]到兩枕木間雷達道數(shù)的不一致會影響周期性疊加的正確性和使用效果，我們采用空間重采樣的方式，來盡量保障疊加窗口信號的周期性，從而使得標(biāo)準(zhǔn)干擾道集記錄的精確程度。重采樣后的記錄經(jīng)過干擾剔除，相比原始測量雷達記錄，相應(yīng)坐標(biāo)會發(fā)生細(xì)微變化，有必要讓其歸位，從而便于后期異常位置解釋，因此本發(fā)明又對剔除干擾后的記錄進行了回采樣(重采樣)。


圖1為本發(fā)明的雷達信號處理流程；
圖2為一個雷達記錄道；縱軸1000表示采樣點為第1000個時間點，時間點乘以 0.05ns (納秒)為具體時間(其他的附圖也如此)；橫軸表示雷達記錄道，單位道。圖3為由13 道雷達記錄合成的雷達檢測原始記錄剖面；圖4為壓制了直耦波和鐵軌干擾的記錄剖面；(在該時間點范圍內(nèi)搜索枕木中心對應(yīng)道號61 70個時間點)圖5為記錄道內(nèi)值后枕木間道數(shù)均勻一致的雷達記錄；圖6為觀道直耦波及軌、枕標(biāo)準(zhǔn)干擾道集記錄；圖7為周期滑動減去干擾標(biāo)準(zhǔn)道集后的雷達記錄；圖8為枕間道數(shù)回采樣后的雷達記錄；圖9為枕木正上方對應(yīng)搜索的極大值分布圖。
具體實施例方式以下將結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細(xì)說明實施例1 如圖1至圖8，圖2為一個雷達記錄道，橫坐標(biāo)為雷達響應(yīng)幅度，縱坐標(biāo)為采樣時間點編號，在實際鐵路上獲得的雷達檢測記錄剖面為原始雷達檢測記錄剖面記為第一記錄剖面，圖3為由13 道雷達記錄合成的雷達檢測原始記錄剖面，是雷達檢測速度為5m/s (在其他速度的時候，也同樣可以采用本發(fā)明的方法)時在實際鐵路上獲得的雷達檢測記錄剖面，從剖面上的標(biāo)識看，雷達天線直耦波、鐵軌和枕木的干擾影響在記錄剖面上非常突出；圖4為由圖3所示原始記錄每道減去全部記錄道的相加平均值后，得到壓制了直耦波和鐵軌干擾的雷達檢測記錄剖面即第二記錄剖面，目的是為了更精確搜索枕木中心對應(yīng)雷達道號。從第二記錄剖面上可以看到，枕木響應(yīng)的第一組信號出現(xiàn)在61 70號時間采樣點范圍，對每道記錄求取61 70號點的平均值，，平均值最大者對應(yīng)枕木中心，如圖9 所示，得到48個枕木所對應(yīng)的中心位置道號。發(fā)現(xiàn)48個枕木間道數(shù)并不均勻，但以27道為出現(xiàn)頻次最多，以27道為標(biāo)準(zhǔn)，對原始雷達檢測記錄剖面1中枕木間記錄道數(shù)大于或小于27道的按27道進行等間隔重采樣，獲得所有枕木間道數(shù)都為27道的雷達記錄剖面，記為第三記錄剖面，記錄道數(shù)為1316，如圖5所示，為記錄道內(nèi)值后枕木間道數(shù)均勻一致的雷達記錄。其中采用MATLAB軟件中數(shù)值計算工具箱中的resample函數(shù)實現(xiàn)道內(nèi)插和重采樣和回采樣，函數(shù)如下Y = resample (X, Q, m)其中，X為mXη原始矩陣，表示m道雷達記錄組成的矩陣，m為原始道數(shù)，η為每道采樣點數(shù)；Y為道內(nèi)插后的矩陣記錄，Q為新記錄的記錄道數(shù)，采樣點數(shù)為η不變。Q可以大于m也可以小于m，大于m時完成上采樣，小于m時完成下采樣。如此獲得的重采樣數(shù)據(jù)，道間距離間隔均勻相等，滿足后續(xù)處理要求。第三記錄剖面上從第一道開始取觀道為標(biāo)準(zhǔn)干擾道集道數(shù)，按觀道窗口寬度在整條剖面上進行平移疊加，得到47個窗口疊加記錄，取其平均值，得到窗口寬度或道數(shù)為 28道的直耦波、鐵軌和枕木干擾道集4，如圖6所示；雷達記錄剖面3從第一道開始按觀道窗口寬度平移依次減去觀道標(biāo)準(zhǔn)干擾道
5集，獲得1316道集記錄，如圖7所示； 道集記錄對比原始雷達記錄各枕木間道數(shù)，對經(jīng)過重采樣的枕木間記錄道進行回采樣，得到與原始雷達記錄枕木間道數(shù)一致的雷達記錄，該雷達記錄即是剔除了直耦波、鐵軌和枕木干擾的雷達記錄，可更好地用于路基質(zhì)量評估分析，如圖8所示。對比圖3、圖4和圖8可見，在圖8上，經(jīng)過剔除軌枕和直耦波干擾的數(shù)據(jù)剖面，原本在小于400號時間點的記錄剖面上出現(xiàn)的“亮點”或“暗點”狀枕木繞射信號和多次波被很好壓制；圖4雖然壓制了直耦波和鐵軌干擾，但剖面上如“亮點”或“暗點”的枕木繞射干擾還是非常明顯。同樣， 由于大于400號時間點剖面上壓制了多次波干擾信號，屬于路基結(jié)構(gòu)層反射信息的雷達信號明顯突出出來，而從圖3來看，這一關(guān)鍵信號很難看出來，在壓制了鐵軌和直耦波干擾的圖4中也不明顯。
權(quán)利要求
1.一種鐵路路基雷達探測信號中的干擾去除方法，其特征在于，包括以下步驟1)對原始雷達檢測記錄剖面即第一記錄剖面進行天線直耦波和鐵軌響應(yīng)干擾信號壓制得到雷達檢測記錄剖面，記為第二記錄剖面；2)在第二記錄剖面中搜索枕木雷達響應(yīng)極大值所在道號，以確定枕木中心位置所對應(yīng)的道號，并以枕木間出現(xiàn)道數(shù)頻次最多的道數(shù)作為重采樣道數(shù)；3)對第一記錄剖面相鄰兩枕木間雷達記錄道進行空間重采樣，得到整條記錄上相鄰枕木間道數(shù)均為重采樣道數(shù)的雷達記錄剖面，記為第三記錄剖面；4)在第三記錄剖面上按一個大于枕木間道數(shù)的窗口寬度進行等窗口寬度的全區(qū)域移動疊加并求取平均，得到有固定窗口寬度的干擾標(biāo)準(zhǔn)道集；5)讓第三記錄剖面逐段按干擾標(biāo)準(zhǔn)道集窗口寬度滑動并減去枕木干擾標(biāo)準(zhǔn)道集，獲得剔除直耦波、軌道和枕木干擾后的雷達記錄剖面，記為第四記錄剖面；6)對第四記錄剖面對比第一記錄剖面再進行空間回采樣，使第四記錄剖面與第一記錄剖面對應(yīng)枕木間道數(shù)一致，形成新雷達剖面，即為最終的去除了干擾的雷達檢測記錄剖面。
2.權(quán)利要求1所述的鐵路路基雷達探測信號中的干擾去除方法，其特征在于，所述步驟2)的搜索枕木雷達響應(yīng)極大值的方法為在第二記錄剖面上取枕木響應(yīng)明顯的一個時間段，對每一記錄道上，取該段時間上的雷達數(shù)據(jù)做多點平均，相比周圍計算值，平均值最大者為極大值。
3.權(quán)利要求1所述的一種鐵路路基雷達探測信號中的干擾去除方法，其特征在于，所述步驟3)中的重采樣方法為采用MATLAB軟件中數(shù)值計算工具箱中的resample函數(shù)的方法。
4.權(quán)利要求1-3任一項所述的一種鐵路路基雷達探測信號中的干擾去除方法，其特征在于，所述步驟4)中的窗口寬度的值為1 3倍重采樣道數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鐵路路基雷達探測信號中的干擾去除方法，包括以下步驟壓制天線直耦波和鐵軌響應(yīng)干擾信號；通過搜索枕木雷達響應(yīng)極大值所在道號確定枕木中心位置所對應(yīng)道號；對相鄰兩枕木間雷達記錄道進行空間重采樣；得到有固定窗口寬度的干擾標(biāo)準(zhǔn)道集；獲得剔除直耦波、軌道和枕木干擾后的雷達記錄剖面；再進行空間回采樣，形成新雷達剖面，用于后續(xù)雷達信號的分析和處理。這一去除干擾算法可以同時去除雷達天線直耦波、鐵軌和枕木響應(yīng)干擾波，包括多次波。算法簡便快捷，對于枕木或軌道產(chǎn)生的繞射波和多次波都能夠進行很好的壓制，適合在鐵路路基雷達檢測信號處理中推廣應(yīng)用。
文檔編號G01S7/36GK102230960SQ20111016093
公開日2011年11月2日 申請日期2011年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月15日
發(fā)明者朱德兵 申請人:中南大學(xué)