文摘

随着科学技术的飞速发展,测试设备和测试方法不断更新。雷达探测器的优点losslessness,效率高、高分辨率、高速雷达图像捕获。他们在铁路隧道可以准确定位缺陷,及时应对隐患,为运输提供强有力的技术支持。本文提出了优化铁路隧道的缺陷检测雷达通过多传感器技术和有源干扰抑制算法的组合和设计相应的传感器系统根据内容。本文分析几个因素影响雷达的探测效果,使一个详细的检测环境和其他方面的总结。同时,它使用多传感器系统结合有源干扰抑制算法设计一个铁路隧道检测仿真实验。实验结果表明,使用多传感器结合有源干扰抑制算法优化雷达检测可以有效地提高铁路隧道缺陷检测的准确性。通过分析隧道缺陷检测的结果,本文的检测精度达到了98.8%,这可以提供一个有效的参考检测铁路隧道。

1。介绍

当前铁路隧道建设跨越式发展。有许多国家在建铁路项目。这些铁路将最有效的桥梁连接国家的将来,和经济将快速增长。因此,如果施工周期长,施工现场经常会忽略项目的身体素质。铁路隧道的操作问题的例子并不少见的新闻报道。教训是深刻的,结果是悲惨的。当然,这个悲剧的原因有很多。每个人都参与建设负责,但最终,它是由于质量问题。大多数的交通事故是由于偷工减料的现象,减少施工程序施工过程中具体的施工队伍的施工现场。同时,主管机关不监督等问题也没有很好地源管理直接影响到项目的质量。 It is precisely because many lessons have been learned that the government attaches great importance to the safe operation of railways. This of course puts forward higher requirements for construction quality. The ground penetrating radar method can effectively solve these problems and can guarantee the safety of the railway in operation for future operations.

有很多隧道质量检测的方法。传统的方法是获取目标信息通过钻孔取样。挖掘抽样法的检测结果是准确的和直接的,但只有部分信息由隧道衬砌挖掘现场,和结构本身已损坏。因此,隧道施工的质量控制需要一个高效且经济的方法。它提供了连续检测信息在不损害隧道衬砌本身。自1980年代以来,地质雷达探测技术一直在扩大其应用范围,由于其快速、无损、连续的特点。然而,复杂的环境条件下的隧道施工和许多干扰源会影响雷达波在探测点检测的有效性。这些来源产生的电磁干扰波直接影响目标的反射信号和波形的身体,,很难在后处理过程中删除它们。在现场试验,应尽量避免这些干扰来源。或者,它应该选择合适的设备参数根据施工现场的电磁环境的影响降到最低。 At the same time, there are other interference factors that affect the accuracy of the detection results, such as environmental humidity, antenna speed, and coupling conditions. The use of ground penetrating radar to comprehensively inspect the tunnel lining structure, finding quality defects and hidden safety hazards and dealing with them in a scientific and timely manner, can avoid serious problems that may even affect the overall safety of the tunnel. It lays a solid foundation for the later completion acceptance and safe operation. It can provide good inspection results and reliable baseline data for project quality evaluation and processing.

张教授和潘为了克服有源干扰,提出了一种自适应极化取消基于双极化雷达的方法。他们获得的组件和特性的实际目标和积极干预分析信号通过垂直和水平极化通道的双极化雷达。然后,在一个实际的场景中,权重因子中减去及时调整有源干扰信号的振幅和相位差收到两个正交极化通道。这可以完全消除有源干扰,但实际目标的力量将会改变。此外,目标信号校正方法提高了单脉冲雷达角度测量的准确性。然后,通过仿真,详细分析了自适应极化影响因素取消。最后,实验结果表明,它是非常有效的主动阻塞和主动干预的欺骗。然而,他们设计了自适应方法并不足够灵活以满足实际检测需求(1]。赵等人研究了电子对抗(ecm)系统对抗误导电子对抗(ecm)技术。一种自适应检测器使用广义概率比值判别法(GRLT)标准来检测是否存在误导傅里叶变换(FT)领域的干扰。该探测器可以通过自适应区域回波分析初始和辅助数据和误导性的干扰。最后,扩展雷达网络分析作为一种特殊的情况下,结果证明了提出的数字仿真方法的有效性。然而,这个计划他们研究只是在特殊的干扰(2]。刘等人研究了宽带数字储频的影响相干脉冲压缩雷达有源干扰技术。通过引入雷达信号检测模型和雷达方程,宽带数字储频信号所产生的影响分析了雷达接收机的检测性能和雷达探测概率之间的关系,获得权力干涉。最后,有效的指标判断干涉现象进行了总结,并确定有源干扰信号的振幅。然而,他们的研究对雷达探测的准确性不够深(3]。杨等人提出了一个基于主动干扰抑制误差控制方法控制算法。它是用来检查的参数不确定性和噪声测量超声波颤振抑制模型。控制方法可以用来估计观察输出信号及其时间导数,以及动力学模型和测量噪声。他们发明了数值结果表明,该控制方法能有效抑制超声振动在大型马赫数和刚度参数的变化具有明显的适应性。然而,实际的抑制效应干扰抑制算法的研究不能满足地质研究[4]。陈等人提出了一种新的基于最小均方误差准则的抗干扰算法来保护收购阶段。该方法的基本思想是共享的网格搜索过程同步参数通过抑制干扰和接收信号。仿真结果表明,该方法可以保持冷启动期间运行的GNSS接收机与干扰信号。此外,其性能明显优于权力逆转方法。然而,这种研究方法对雷达检测效果几乎没有意义(5]。杨和黄研究了干扰抑制现象的综合线圈电感器拓扑。在拟议的拓扑中,传统的单匝螺旋电感器与一个内置的紧密耦合的集成LC谐振器在印刷电路板上。干扰抑制是通过引导发出的螺旋电感磁调谐器而不是其他螺旋电感。从实验结果比较的情况下,通过改变协调员电容器的值,提出了拓扑可以提供设计自由在任何感兴趣的频段。然而,他们提出的干扰抑制方法是非常困难的在实际应用中,需要简化6]。

本文的创新是使用多个传感器结合有源干扰抑制算法优化雷达传感器系统的设计缺陷检测在铁路隧道。它使用一个多传感器组合方案来获取信息,如角速度,加速度,磁场强度的载体。选择一个特定校准补偿法校准他们的输出值,分别实现了实时显示系统输出的数据。在本文中,介绍了一种基于傅里叶变换的干扰抑制算法优化遇到干扰元素的雷达探测的雷达。该算法首先将接收的数据在分数傅里叶变换域,然后将干涉仪在变换域。通过优化设计的增益系数,干扰限制的保留是抑制信号的时间和频率响应而最大化。最后,有用信号干扰抑制后通过一个短时傅里叶部分的转换。它有效地验证了该方法的有效性和简单。

2。多传感器系统结合有源干扰抑制算法

2.1。雷达的工作原理

雷达是一种电磁传感器的本质。的基本原理是发送一个电磁信号通过天线向感兴趣的领域(7- - - - - -9),最后判断是否有一个目标。同时,它接收到有趣的信息,如距离、径向速度、方向角,形状,和带宽的目标10,11]。雷达系统可以使用这些信息来进行目标检测,等,跟踪和成像功能,以及确定是否存在目标的过程中,也就是说,雷达目标检测(12,13]。

探地雷达(GPR)通常是一个方法的电磁技术(14,15]。与其他检测方法相比,地质雷达方法可以直接看到雷达反射波记录的,可以直接分析的分布和形状结构和目标在隧道16,17]。结合的初步判断目标性质和检测要求,比如检测深度和最小分辨率,它选择天线类型和不同频率高度选择性的天线(18,19]。地面穿透雷达不会衬里表面进行破坏性试验,所以相同的部分可以反复进行测试而不会破坏隧道衬砌结构。灵活的地面穿透雷达操作简单,高采样率,检测速度快。一旦速度和分析能力达到厘米级,它可以满足大部分的要求的隧道结构和目标探测,具有优良的准确性(20.- - - - - -22]。其工作原理如图1。

2.2。有源干扰抑制

有源干扰抑制产生现实的虚假信号在时域的雷达,频域,通过发射干扰信号或图像领域非常接近回波信号,影响实际的雷达的探测目标(23]。对于有源干扰抑制,有对策从雷达系统级别和信号处理级别24]。然而,大多数这些方法有活跃的抑制。为了有效地抑制活性抑制的雷达,有必要研究如何检测主动雷达抑制干扰(25]。

抑制干扰和欺骗干扰的最大区别是干扰的程度。雷达很难获得有效回波信息,因为它可以完全捕捉真正的时间和频率和转换的回声。如果拦截器是足够强大,它可以完全麻痹雷达,因此不可能对抗(26]。有源干扰抑制机制可分为噪声振幅干扰,射频噪声干扰,噪声频率干扰,聪明的噪音干扰。根据积极抑制干扰的实现策略,它可分为远程支持干预和自卫的干预27]。图2显示雷达干扰的分类。

在被动的情况下干扰,雷达不能正常工作,主要是因为雷达发出的电磁波通过烟幕反映或更改。这种干扰具有良好的干扰效应,广泛的影响,成本低,广泛的应用场景。相比其他类型的抑制干扰,噪声幅值干扰的干扰效果较小,其对策是相对完整的(28]。噪声频率干扰是一种新型的干扰,主要影响芯片的信号。它可以自动目标雷达和有一定的中心频率脉冲压缩获得优势。近年来,它已成为干涉仪技术研究的重点。本研究主要分析之间的区别不同类型的干扰的建模和提取功能抑制干扰和奠定了随后的抑制干扰的探测和识别的基础。图3显示从雷达获取目标信息的过程。

2.2.1。有源干扰抑制特性

在干扰因素影响雷达的探测效果,生成的干扰波电磁干扰对象电磁场的作用下将产生相应影响雷达成像映射。它会导致成像光谱没有固定的法律和行动的范围。对于有源干扰抑制,提取其干扰特征可以为雷达有源干扰抑制识别奠定基础。以下分析了六个干涉图样理解他们在时域和频域特征。他们几个特征参数提取的干扰。

(1)目标频率干扰。噪声调频干扰的时域表达式

在这里,表明干扰的大小是一个常数,是载波频率,抑制干扰,是FM调频斜率的噪音。

频率调制的功率谱密度函数可以表示如下: 在哪里调制噪声的调制带宽吗 。

有效的噪声调频信号的调制指数的定义如下:

目标频率干扰是一种噪声调频干扰,及其中心频率,干扰带宽,和有效的调制指数一般符合下列条件:

在这里,代表雷达信号的中心频率,代表了目标频率误差,代表目标干扰信号的带宽,代表雷达信号的带宽。目标频率干扰通常需要干涉仪的频率匹配的中心频率的雷达。同时,它传递干扰信号与一个狭窄的干扰带宽,涵盖雷达的接收带宽,需要高精度频率检测器支持干涉。然而,近年来,随着雷达频率灵活性的发展技术,它已成为难以识别中心频率的雷达干扰部分,它可能很难拦截目标频率干扰雷达的使用频率干扰。

(2)阻塞干扰。阻塞干扰是一种调频噪声干扰。干扰带宽和有效配置指数通常必须具备下列条件:

(3)扫描频率干扰。扫描频率干扰的目标可以被视为一种频率干扰的中心频率是不断变化的。在正常情况下,这种干预必须符合下列条件:

在这里,频率扫描的带宽干扰和吗的频率扫描周期频率扫描干涉。

扫频干扰非常大的带宽,它可以很好地与竞争flexible-frequency雷达和多个不同频率的雷达。如果给定的频段是相同的,咄咄逼人的干扰功率将高于取消干扰能力。然而,这种干扰变得不连续的领带域经过接收机。干涉扫描频率扫描的次数代表干扰扫描整个干扰带宽单位时间,表示如下:

扫描频率干扰将形成间歇脉冲干扰经过接收器,和较大的脉冲,脉冲的密度。

(4)梳状光谱干扰。梳状光谱干扰是一种干扰模式由多个窄带干扰,和它的表达可以概括如下: 在哪里米代表了窄带干扰的数量包括在光谱干扰。每一个窄带干扰是相互独立的。有不同的频点干扰中心,窄带干扰和光谱干扰可以产生多个不同的频率点。它能成功地处理变频雷达系统,如flexible-frequency雷达和frequency-fluctuation雷达。

(5)产品噪音干扰。产品噪声干扰是一种新型的针对线性调频信号干扰。其机制是通过过滤和乘法噪声雷达脉冲信号被干扰。这种干扰可以表示如下: 在哪里米(一个)是经过过滤和噪音b(一个干扰机)是线性调频信号截获,及其表达式

的变量代表了线性调频信号的中心频率,G代表调频信号的带宽,代表了时间的宽度调频信号。产品噪声干扰的频谱可以表示如下:

(6)卷积噪声干扰。卷积噪声干扰也是一个新型的线性调频信号的干扰。它的机制是通过滤波器卷积噪声与干扰机的雷达脉冲信号截获。这种干扰可以表示如下:

可以看出从收敛的表示噪声干扰的频域融合噪声干扰的同时,传输雷达信号的中心频率和带宽接近;即收敛噪声干扰可以针对中心频率的雷达。没有精确的频率测量,它可以有效地影响flexible-frequency雷达,频率差分雷达和其他雷达系统,允许灵活的雷达信号范围。收敛的本质噪声干扰可以被认为是放大接收到的线性调频信号以不同的速率,然后推迟添加。因此,融合噪声干扰可以达到一个特定的雷达脉冲压缩增益,也就是说,处理的噪声干扰后卷积的雷达系统,它可以实现相同的干扰和其他低功耗干扰抑制效果。

2.3。干扰抑制算法

主动雷达干扰抑制的分析主要是从功能推导。各种功能参数推导和分析从时域、频域和变换域,为随后的主动雷达干扰检测奠定基础。的干扰特征参数如下。

2.3.1。频域Peak-to-Average接收机后功率比

假设雷达回波信号 ,接收机的噪声d(一个)和接收到的干扰我(一个),然后接收到的雷达信号可以表示如下:

取样后 ,执行快速傅里叶变换获得以下:

后的频域peak-to-average功率比接收器定义如下:

在频域中peak-to-average功率比参数主要反映了信号在频域变化范围。它的值是相对较高的,梳状光谱干扰的范围可以确定这个特性。干扰抑制算法的流程如图4。

回波信号分为若干时间段在时域相等的时间间隔。首先,英国《金融时报》应用于第一个时间段的数据,和获得的最优顺序搜索。以此类推,每个时间窗口的最佳顺序。傅里叶变换后,窄带和宽带干扰的时频聚集。然后,这是用于检测每一个时间片。如果有干扰信号,使用一个自适应增益控制方法抑制干扰信号完成干扰抑制。

我们计算的参数的初始值 ,采用的主要价值间隔的原则,并使用可选的时间间隔为主要价值区间,确保对奇对称的论点n= 0。消除相位模糊对数的变化

从公式可以看出,实部和虚部分别

因为欺骗干扰和回波信号zero-average信号,噪声调频干扰信号的振幅可以估计如下:

我们计算出干扰信号我(一个从雷达接收信号) ;然后,

3所示。铁路隧道雷达与多传感器系统实验结合有源干扰抑制算法

作为一种隐蔽工程,施工过程中隧道施工不可避免会有缺陷。由于其隐蔽,缺陷检测已经成为隧道工人的关注。地质雷达探测是一个快速和有效的检测方法。的原则是一样的,隧道衬砌结构。隧道衬砌结构结合雷达追踪隧道缺陷的检测。

探地雷达用于无损检测隧道衬砌,和它的主要目的是确保隧道衬砌的施工质量满足设计规范的要求。测试元素的初始支持、二次衬砌和仰拱,混凝土厚度探测器,双层二次衬砌厚度、差距和非纯地区,混凝土回填层的压缩。

由于涂布不均匀的混凝土,当电磁波传播最初的支持和辅助涂层,电磁波的速度将会改变在一定范围内。我们需要调整的参数对混凝土介质的测量。如果我们想调整喷射混凝土的相对渗透率或电磁速度第一支撑材料检验之前,我们可以使用核心穿孔抽样法校准三个或三个以上位置和平均值。摘要隧道是检查在混凝土厚度的部分是已知的,因为核心钻探取样方法会损害后壁校准的参数二次包层混凝土。雷达的参数包括采样点的数量、采样率和带通滤波。采样点的数量代表每个采集数据集采样点的数量。本文采样点的数量设置为400。为了使波形更完整的记录和控制,选择采样率是6倍天线中心频率。在数据的处理和干扰波,带通滤波。

由于安全的要求步骤之间的表面,包覆的隧道施工,隧道覆盖层的建设应该快速监测。因此,最初的检查应监控施工进度的支持。应该考虑到检验进度,也就是说,具体的年龄是否能满足检测要求。在检验之前,包层的侧墙应清楚地标明每5米,红漆指示公里的数量和桩的数量。如果有必要,检测位置应该明确的标志,确保检测数据的准确性。

二次包覆的主要控制措施检查隧道用于龋齿、缺陷、覆盖层厚度、反向厚度、填料层和其他包层,包层钢筋的分布,和固体衬里最初的支持。主要的检测方法是地质雷达方法。隧道壁检验是将检验线隧道仓库,中心拱门两侧,一侧的墙壁,和双方的反拱。或者,它提供了一个交叉的横截面的基本概述。的加密的概述,它关注具体的隧道部分或不规则结构部分覆盖,以及给铺平泄漏的基本知识,地平线上的裂缝,裂缝。图5是雷达缺陷检测的原理图在铁路隧道。

隧道缺陷检测系统需要甲烷传感器、温湿度传感器、风速和风向传感器、声音传感器、亮度探测器,探测器和空气压力。同时,合作与雷达探测铁路隧道。,它提供了统计隧道衬砌背后的大小和位置的缺陷,总结了特定类型的缺陷的分布。现在引入的缺陷分类表。表1是隧道缺陷分类表。

铁路隧道检测的缺陷,首先,相关传感器的缺陷检测系统用于获取数据目前隧道缺陷相关的内容,然后相应地处理传感器的输出数据。在这个过程中,任何计算处理是基于传感器数据。因此,传感器起着至关重要的作用在隧道中缺陷检测系统。不同的传感器有不同的测试原理和适用条件。这些结果将影响隧道缺陷检测和系统的应用程序环境。图6是铁路隧道的设计多传感器系统的缺陷检测。

噪声传感器、温湿度传感器、风速和风向传感器,和甲烷传感器结合高精度微处理器作为控制和计算单元获得铁路隧道的相关信息,获得隧道的环境因素。然后,它配合气压检测器,光线亮度探测器,和磁场探测器获得的空气压力,光的亮度,磁场强度的隧道。

4所示。实验结果和分析

4.1。多传感器系统的仿真分析结合有源干扰抑制算法

为了更深入地分析算法,使用该算法进行仿真实验。图7统计直方图的阶段。从图可以看出,回声是广泛分布在整个相间隔,和回声干扰分布特征有明显的不同阶段。相比之下,干扰只是集中在一个有限的阶段。因此,干扰和回波可以被识别的传统歧视模型树。

图8显示的输出波形radar-matched过滤器前后的干扰抑制。从图8可以看到(一)之前匹配滤波器的干扰抑制,目标和干扰存在于它的输出。因此,雷达的目的不能达到真正提取目标信息通过选择目标峰值从多个峰值。相比之下,图8中的匹配滤波器输出(b)只有一个目标尖峰干扰抑制后,雷达可以提取的距离信息的目标通过这个高峰。

图9是一个性能图的雷达抑制算法。在各种条件下,目标回波相似曲线符合正确的概率曲线后目标识别雷达干扰。从这个图可以看出,随着信噪比的增加,干扰和回波相似系数增加。阶段是敏感,在低信噪比噪声的影响,不容易区分。

图10几种方法的比较结果在不同的频率偏差。从图可以看出,当频率估计的性能改进方法达到最优时,频率偏移的约束条件可以满足。这时,改进方法的频率估计精度明显高于其他三种方法。

4.2。在铁路隧道缺陷检测问题

作为一种重要的无损检测方法,雷达已被工程师接受。目前,广泛应用于重型和大型项目的检验,国内外,它控制项目的质量很好。然而,由于各种因素的影响,或多或少存在的问题主要表现在地质雷达的应用。为了应对这些问题,应用探地雷达的学者已经做了大量的研究,以减少地面穿透雷达的检测误差。本文具体研究和分析隧道衬砌检测,列出了影响隧道检测的因素,以提高国内隧道衬砌检测的准确性。它提供了安全保证隧道工程。

混凝土是一种相对稳定的合成材料。这是一个nonelectric良导体,绝缘的物质。从表2,我们可以看到,混凝土的介电性能也会产生影响,由于含水量的差异。

如图11根据混凝土的介电常数的结果在不同的年龄,在3 d混凝土的介电常数,7 d, 14 d, 28 d时代进行了分析。

除了介质的相对介电常数和磁导率,探地雷达的垂直分辨率也与天线的中心频率有关。媒介是常数时,垂直分辨率的地面穿透雷达是雷达天线的中心频率成反比。关于影响因素、雷达检测时机的选择应注意当检测的缺陷。同时,当面对电磁干扰,应该远离这些干扰源或应选择适当的屏蔽措施的影响降到最低。

4.3。铁路隧道雷达的探测结果的优化

检测过程中的缺陷在铁路隧道、电磁波首先通过空气介质和进入混凝土介质。对于空气和具体的媒体,反射系数是负的。换句话说,电磁波是负的。因此,第一波的测量结果是不一致的,差别很大。表3显示了第一波的测量位置信息。

图12的检测精度和误差分析结果是铁路隧道雷达多传感器系统的缺陷检测结合有源干扰算法。

从图可以看出,传统的检测方法可以很容易地将包层厚度太大或太小,导致大量错误的0.042年的铁路隧道缺陷的识别和评价。它大大降低了可靠性和很容易做出错误的估计或造成不必要的损失。检测方法优化通过结合多个传感器和活跃的干扰抑制算法可以确定误差在0.02 m。多传感器的缺陷检出率结合有源干扰抑制算法是98.8%,可有效地提高检测精度。

5。结论

摘要铁路隧道缺陷检测与多传感器系统优化结合有源干扰抑制算法和一个相关的传感器检测系统的设计。多传感器检测系统包括温度和湿度传感器、风速和风向传感器、甲烷传感器和声音传感器。它可以满足隧道曲线检测的需要,以及多传感器检测系统具有较高的稳定性和准确性。它开始从探地雷达的基本原理和电磁场理论,根据电磁波的传播特性和法律和各种隧道雷达检测参数和指标,研究数据采集、处理和传输的方法。铁路隧道雷达探测结果的因素包括设备的影响参数和外部检测环境的影响。本文结合相关的例子机械物质检测、地质雷达在各种因素的特定应用程序,影响隧道的质量检测,注意事项,铁路隧道雷达检测、等,进行了分析。它注重分析反射波的幅值和极性,反射波的谱特征,形态特征的内部轴反射波的干扰波的影响。同时,本文研究了水和空气的介电常数的影响混凝土和各种因素的影响在雷达检测,如检测时机的选择当检测混凝土的厚度。最后,希望本文的研究内容可以为雷达提供有用的信息和参考价值。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究由中国科学技术研究重点项目铁道科学院授予2019号yj157之下,和项目科学技术研究与发展计划的中国铁路公司拨款2017号g003-h之下。