有砟鐵路路基病害的雷達(dá)圖像識別方法研究.pdf

1、目前我國鐵路總里程突破11.2萬km，有砟鐵路（包含橋梁和隧道）總里程近9.6萬km。針對有砟鐵路的里程數(shù)和狀態(tài)檢測要求，探地雷達(dá)技術(shù)成為當(dāng)今連續(xù)檢測有砟鐵路路基的主要技術(shù)手段。然而，探地雷達(dá)檢測數(shù)據(jù)量大，處理識別時間延遲，致使數(shù)據(jù)解釋和病害識別存在主觀性強(qiáng)、判別標(biāo)準(zhǔn)不一、識別精度低等諸多問題，因此，亟需開展有砟鐵路路基病害的雷達(dá)圖像識別方法研究，實現(xiàn)路基病害的快速、準(zhǔn)確識別，為病害的整治處理提供技術(shù)支持。
　　本文針對鐵路路基病

2、害識別過程中面臨的判別標(biāo)準(zhǔn)不一、時效性差、識別精度低等諸多問題，依托國家“863”計劃項目(2009AA11Z212)和河北省應(yīng)用基礎(chǔ)研究重點資助研究項目(11963544D)，以大秦鐵路的部分路段為研究對象，通過實際檢測數(shù)據(jù)和理論分析的研究，建立了基于雷達(dá)圖像特征的典型路基病害分類方法，分析了典型路基病害（缺陷）的發(fā)生機(jī)理、發(fā)育特征和空間分布特性，進(jìn)而研究了典型路基病害的參數(shù)表征以及識別方法，最終形成了基于探地雷達(dá)技術(shù)的鐵路路基病害快

3、速識別方法。
　　本文主要研究成果和結(jié)論如下:
　　1、在充分認(rèn)識現(xiàn)行路基病害分類方法的基礎(chǔ)上，分析了典型路基病害的表征現(xiàn)象、基本成因和形狀特征，并結(jié)合探地雷達(dá)技術(shù)的檢測特點和鐵路路基在雷達(dá)圖像的表征形式，建立了基于雷達(dá)信號特征的路基病害分類方法，為路基病害的特征提取以及識別技術(shù)提供前期基礎(chǔ)。
　　2、基于多條運(yùn)營線路路基的雷達(dá)實測數(shù)據(jù)，分析了典型路基病害的發(fā)生機(jī)理及空間分布，得出了相應(yīng)病害在長度及深度方向上的統(tǒng)計分布

4、規(guī)律，為后續(xù)的病害特征提取及隨機(jī)匹配提供了必要的先驗信息支持。根據(jù)鐵路路基檢測技術(shù)指標(biāo)以及探地雷達(dá)的技術(shù)參數(shù)，設(shè)計了滿足路基檢測要求的探地雷達(dá)工作參數(shù)及雷達(dá)天線配置，并將系統(tǒng)安裝于軌道檢查車上，采用頻率為100M和400M雷達(dá)天線，同時檢測不同深度的路基狀態(tài)，完成了大秦線部分路段路基的檢測。
　　3、本文從時域、時頻域和物理幾何稀疏性等方面對典型路基病害雷達(dá)圖像的特征提取進(jìn)行研究，并建立了最優(yōu)的雷達(dá)信號特征表示。一種是通過主成分分

5、析確定了以分塊能量、分層點頻率和能量均值作為鐵路路基的時域特征值，獲得了較低維的空間特征;一種是對典型路基病害雷達(dá)圖像的距離-深度二維時頻特征表現(xiàn)進(jìn)行了分析，獲取了路基雷達(dá)檢測圖像的低頻信息和小波多尺度空間細(xì)節(jié)能量譜特征，從而減少了采樣數(shù)據(jù)量;一種采用稀疏表示的方法提取雷達(dá)信號特征向量，采用投影變換得到了路基病害的垂直和水平投影線段，并以此作為判斷路基病害類型的依據(jù)，從而為圖像的特征提取提供了理論依據(jù)。
　　4、針對反映路基雷達(dá)圖

6、像同相軸延續(xù)性和紊亂程度的時域特征存在的冗余性和局限性問題，通過主成分分析確定了低維時域特征值。同時在所確定時域特征的基礎(chǔ)上，分別采用了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、廣義神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聚類算法和支持向量機(jī)等人工智能的方法對路基病害進(jìn)行識別并加以比較，最終確定了以支持向量機(jī)作為路基病害的有效識別算法，從而為鐵路路基及其典型病害的識別奠定了算法基礎(chǔ)。
　　5、利用路基病害的物理幾何特點，通過提取有效的雷達(dá)圖像的邊界曲線，得到了路基病害的垂直和水平投影線段，