一种变温环境下钢轨超声导波信号处理方法和系统与流程

1.本发明涉及轨道交通技术领域，尤其涉及一种变温环境下钢轨超声导波信号处理方法和系统。


背景技术：

2.随着铁路向客运高速化和货运重载化发展，对运输安全的要求越来越高，钢轨的结构健康监测成为铁路安全运营的重要基础。超声导波结构健康监测技术是一种新型的监测方法，可实现在线实时监测和钢轨全端面的裂缝检测，受到了广泛的关注。
3.在钢轨发生伤损或折断时，钢轨导波信号会在缺陷位置产生相应的回波，针对这一特性，目前常用的导波信号处理方法为基线减法，即用测量信号减去基准信号，根据回波导致的残差大小来判断被测钢轨有无伤损。这对导波接收信号的稳定性提出了很高的要求。但导波信号易受环境条件变化的影响，但在实际应用中，外界温度变化同样会导致钢轨导波信号发生变化，主要体现在波速和幅值的变化，因此，在使用基线减法进行伤损检测时，无法区分伤损和温度对信号产生的影响，从而导致钢轨伤损的漏检和误检。
4.针对上述钢轨超声导波监测存在的问题，本发明提供一种变温环境下钢轨超声导波信号处理方法和系统。


技术实现要素：

5.本发明目的在于提供一种变温环境下钢轨超声导波信号处理方法和系统，考虑到温度变化导致的钢轨导波波速及幅值带来的影响，在时域实现测量信号的自适应拉伸，补偿波速变化，并通过归一化能量均方差判断钢轨伤损，对环境温度变化等干扰有较强的鲁棒性，降低了误检、漏检的可能性，实现了钢轨结构健康的可靠监测。
6.为实现上述目的，本发明提供一种变温环境下钢轨超声导波信号处理方法，包括：
7.采集无损伤环境下钢轨中的基准信号和当前环境下钢轨中的测量信号；
8.获取基准信号与测量信号的最小归一化能量均方差和最佳时域拉伸因子，以判断钢轨是否存在伤损。
9.进一步的，所述采集无损伤环境下钢轨中的基准信号和当前环境下钢轨中的当前信号，包括，
10.在钢轨上安装换能器，利用汉宁窗调制信号以激励换能器产生超声导波信号；
11.利用钢轨上安装的超声传感器接收钢轨中的回波信号；其中，回波信号包括基准信号和测量信号，基准信号表示在温度t0时获得的回波信号，测量信号表示在温度变化δt后获得的回波信号。
12.进一步的，所述换能器发送经汉宁窗函数调制后的正弦信号，以激励所述换能器产生超声导波信号；
13.所述调制后的正弦信号为：
14.s(t)＝a0w(t)sin(2πft)
15.其中，s(t)表示换能器发送经汉宁窗函数调制的正弦信号，a0表示激励超声导波信号的幅值，f是激励超声导波信号的频率，w(t)表示汉宁窗函数，t表示时间变量。
16.进一步的，所述汉宁窗函数为：
[0017][0018]
其中，w(t)表示汉宁窗函数，f是激励信号的频率，n’是汉宁窗中的正弦信号周期数，t表示时间变量。
[0019]
进一步的，所述基准信号为：
[0020][0021]
其中，u0(t)表示基准信号，λi表示第i个钢轨特征结构回波的反射系数，si(t)表示t时刻接收到的第i个特征回波信号，ti为第i个特征回波的到达时间，s表示换能器发送经汉宁窗调制的正弦信号，t表示时间变量。
[0022]
进一步的，所述测量信号为：
[0023][0024]
其中，u1(t)表示测量信号，λi表示第i个钢轨特征结构回波的反射系数，s表示换能器发送经汉宁窗调制的正弦信号，t'i表示温度变化后第i个特征回波的到达时间，ti表示第i个特征回波的到达时间，β为时域拉伸因子，t表示时间变量。
[0025]
进一步的，所述获取基准信号与测量信号的最小归一化能量均方差和最佳时域拉伸因子，包括，
[0026]
对时域拉伸因子β的极值范围[β
min
,β
max
]以及最小归一化能量均方差进行初始化定义；
[0027]
在时域拉伸因子β的极值范围[β
min
,β
max
]内，以步长遍历时域拉伸因子β的值，对基准信号或测量信号进行时域拉伸处理并计算二者的归一化能量均方差直到循环计算获得最小归一化能量均方差及最佳时域拉伸因子；其中最佳时域拉伸因子为最小归一化能量均方差对应的时域拉伸因子β。
[0028]
进一步的，所述对基准信号或测量信号进行时域拉伸处理并计算二者的归一化能量均方差包括，
[0029]
时域拉伸处理：对基准信号或测量信号进行三次样条插值的拉伸变换；
[0030]
去均值处理：分别对时域拉伸处理后的基准信号和测量信号进行去均值处理；
[0031]
归一化处理：分别对去均值处理后的基准信号和测量信号进行能量归一化处理，得到归一化的基准信号和归一化的测量信号；
[0032]
根据归一化的基准信号和归一化的测量信号，获得归一化能量均方差。
[0033]
进一步的，初始化定义第一次计算时的时域拉伸因子值β＝β
min
、最小归一化能量均方差
[0034]
判断当前计算的时域拉伸因子β是否大于初始化定义的时域拉伸因子最大值β
max
：
[0035]
若当前计算的时域拉伸因子β不大于初始化定义的时域拉伸因子最大值β
max
，则判断当前计算的时域拉伸因子β是否大于1；
[0036]
若当前计算的时域拉伸因子β大于初始化定义的时域拉伸因子最大值β
max
，则输出计算得到的最小归一化能量均方差
[0037]
进一步的，判断计算中的时域拉伸因子β是否大于1，以进行时域拉伸处理，包括：
[0038]
若当前计算的时域拉伸因子β不大于1，表示测量信号被拉长，则对当前计算的测量信号进行拉伸变换，计算拉伸变换后的测量信号与当前计算的基准信号，获得二者的归一化能量均方差；
[0039]
若当前计算的时域拉伸因子β大于1，表示测量信号被压缩，则对当前计算的基准信号进行拉伸变换，计算当前计算的测量信号与拉伸变换后的基准信号，获得二者的归一化能量均方差。
[0040]
进一步的，所述直到循环计算获得最小归一化能量均方差及最佳时域拉伸因子，包括，
[0041]
判断每次循环计算中得到的归一化能量均方差是否大于初始化定义的最小归一化能量均方差
[0042]
若拉伸计算后的归一化能量均方差大于初始化定义的最小归一化能量均方差则以步长μ遍历时域拉伸因子β的值，即β＝β+μ；然后继续返回执行判断当前计算的时域拉伸因子β是否大于初始化定义的时域拉伸因子最大值β
max
；
[0043]
若拉伸计算后的归一化能量均方差不大于初始化定义的最小归一化能量均方差则此时归一化能量均方差为最小归一化能量均方差，即然后继续返回执行判断当前计算的时域拉伸因子β是否大于初始化定义的时域拉伸因子最大值β
max
。
[0044]
进一步的，所述拉伸变换后的测量信号为：
[0045][0046]
其中，u'1(t)表示拉伸后的测量信号，u1(βt)表示拉伸后的测量信号，β为时域拉伸因子，t表示时间变量，λi表示第i个钢轨特征结构回波的反射系数，s表示换能器发送经汉宁窗调制的正弦信号，ti表示第i个特征回波的到达时间。
[0047]
进一步的，所述拉伸变换后的基准信号为：
[0048]
u'0(t)＝u0[(1/β)
·
t]
[0049]
其中，u'0(t)表示为拉伸后的基准信号，u0表示为基准信号，β为时域拉伸因子，t表示时间变量。
[0050]
进一步的，通过下式获得去均值处理的基准信号和去均值处理的测量信号：
[0051][0052]
其中，u'
0m
(n)表示经过去均值处理后的基准信号，u'
1m
(n)表示经过去均值处理后的测量信号，u'0(n)表示经过时域拉伸处理后的基准信号，u'1(n)表示经过时域拉伸处理后的测量信号，n为采集的数字信号的长度，n为采样序列点数。
[0053]
进一步的，通过下式获得归一化的基准信号和归一化的测量信号：
[0054][0055]
其中，u'
0mn
(n)表示经过归一化的基准信号，u'
1mn
(n)表示经过归一化的测量信号，u'
0m
(n)表示经过去均值处理后的基准信号，u'
1m
(n)表示经过去均值处理后的测量信号，n为采集的数字信号的长度，n为采样序列点数。
[0056]
进一步的，通过下式获得归一化能量均方差为：
[0057][0058]
其中，表示经过归一化能量均方差，u'
0mn
(n)表示经过归一化的基准信号，u'
1mn
(n)表示经过归一化的测量信号，n为采集的数字信号的长度，n为采样序列点数。
[0059]
本发明还提供一种变温环境下钢轨超声导波信号处理系统，包括采集单元和计算获取单元，
[0060]
所述采集单元，用于采集无损伤环境下钢轨中的基准信号和当前环境下钢轨中的测量信号；
[0061]
所述计算获取单元，用于获取基准信号与测量信号的最小归一化能量均方差和最佳时域拉伸因子，以判断钢轨是否存在伤损。
[0062]
进一步的，所述采集单元，用于采集无损伤环境下钢轨中的基准信号和当前环境下钢轨中的测量信号，包括，
[0063]
所述采集单元用于根据钢轨上安装的换能器，利用汉宁窗调制信号以激励换能器产生超声导波信号；
[0064]
所述采集单元用于利用钢轨上安装的超声传感器接收钢轨中的回波信号；其中，回波信号包括基准信号和测量信号，所述基准信号表示在温度t0时获得的回波信号，所述测量信号表示在温度变化δt后获得的回波信号。
[0065]
进一步的，所述计算获取单元，用于获取基准信号与测量信号的最小归一化能量
均方差和最佳时域拉伸因子，包括，
[0066]
所述计算获取单元用于对时域拉伸因子β的极值范围[β
min
,β
max
]以及最小归一化能量均方差进行初始化定义；
[0067]
所述计算获取单元用于在时域拉伸因子β的极值范围[β
min
,β
max
]内，以步长遍历时域拉伸因子β的值，对基准信号或测量信号进行拉伸并计算二者的归一化能量均方差直到获得最小归一化能量均方差及最佳时域拉伸因子；其中，最佳时域拉伸因子为最小归一化能量均方差对应的时域拉伸因子β。
[0068]
本发明的技术效果和优点：1、既有的基线信号拉伸法在时域进行拉伸，而本发明在时域上使用三次样条插值对基准信号或测量信号进行拉伸，补偿温度对钢轨导波波速的影响，无需时频变换这一步骤，降低了算法的复杂度；
[0069]
2、既有的最优基线选择法需要构建结构在不同温度下的基线数据库，但钢轨在服役过程中，温度变化范围可达到上百摄氏度，最优基线法无法在前期遍历所有温度范围，且在建立基线库时不具备监测功能。而本发明通过遍历较大范围内的拉伸因子，即可覆盖钢轨温度变化的范围，且前期只需采集少量信号作为基准，在安装后即具有监测功能；
[0070]
3、既有的基线信号拉伸法采用拉伸后基准信号与测量信号最小残差作为选择最佳拉伸因子的标准，并未考虑温度变化对信号幅值的影响。而本发明采用归一化能量均方差作为选择最佳拉伸因子的准则，避免了幅值变化对运算结果的印象，同时归一化能量均方差也可以作为钢轨伤损判断的标准，在拉伸后无需进行额外运算即可完成钢轨健康状态的判断。
[0071]
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
[0072]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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。
[0073]
图1为本发明一种变温环境下钢轨超声导波信号处理方法的步骤流程图；
[0074]
图2为本发明一种变温环境下钢轨超声导波信号处理方法中计算过程流程图；
[0075]
图3为本发明一种变温环境下钢轨超声导波信号处理系统的结构示意图；
[0076]
图4为本发明方法实验验证时进行时域拉伸补偿前的信号波形对比图；
[0077]
图5为本发明方法实验验证时进行时域拉伸补偿前的归一化能量均方差及温度的示意图；
[0078]
图6为本发明方法实验验证时进行时域拉伸补偿后的信号波形对比图；
[0079]
图7为本发明方法实验验证时进行时域拉伸补偿后的归一化能量均方差及温度的示意图。
具体实施方式
[0080]
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。
[0081]
为解决现有技术的不足，本发明公开了一种变温环境下钢轨超声导波信号处理方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0082]
采集无损伤环境下钢轨中的基准信号和当前环境下钢轨中的测量信号；
[0083]
获取基准信号与测量信号的最小归一化能量均方差和最佳拉伸因子，以判断钢轨是否存在伤损。
[0084]
具体为，
[0085]
在进行钢轨结构健康监测时，将换能器安装在钢轨轨腰处，利用换能器发送经汉宁窗函数调制后的正弦信号s(t)，以激励换能器产生超声导波信号。然后由安装在换能器附近的超声传感器接收钢轨中的回波信号，其中回波信号包括基准信号和测量信号，基准信号表示在温度t0时获得的回波信号，测量信号表示在温度变化δt后获得的回波信号。
[0086]
所述调制后的正弦信号为:
[0087]
s(t)＝a0w(t)sin(2πft)
[0088]
其中，s(t)表示换能器发送经汉宁窗调制的正弦信号，a0表示激励超声导波信号的幅值，f是激励超声导波信号的频率，w(t)表示汉宁窗函数，t表示时间变量。
[0089]
其中，汉宁窗函数为：
[0090][0091]
其中，e(t)表示汉宁窗函数，f是激励信号的频率，n’是汉宁窗中的正弦信号周期数，t表示时间变量。
[0092]
所述基准信号表示u0(t),表示为在温度t0时的回波信号，可以表示为多个不同幅值、不同到达时间的特征回波的叠加；所述基准信号为：
[0093][0094]
其中，u0(t)表示基准信号，λi表示第i个钢轨特征结构回波的反射系数，si(t)表示t时刻接收到的第i个特征回波信号，ti为第i个特征回波的到达时间，s表示换能器发送经汉宁窗调制的正弦信号，t表示时间变量。
[0095]
钢轨特征回波在温度变化时产生的时移量主要由波速变化引起。因此，温度变化δt时，传感器接收到的回波信号，即测量信号表示为：
[0096][0097]
其中，u1(t)表示测量信号，λi表示第i个钢轨特征结构回波的反射系数，s表示换能器发送经汉宁窗调制的正弦信号，t'i表示温度变化后第i个特征回波的到达时间，ti表示第
i个特征回波的到达时间，β为时域拉伸因子，t表示时间变量。
[0098]
然后根据基准信号和测量信号计算其二者的最小归一化能量均方差以及对应的最佳拉伸因子。在计算之前首先对时域拉伸因子β和最小归一化能量均方差进行初始化定义；定义时域拉伸因子β的极值范围为[β
min
,β
max
]，定义第一次计算的时域拉伸因子β＝β
min
，以及定义第一次计算的最小归一化能量方差
[0099]
计算时，在时域拉伸因子β的极值范围[β
min
,β
max
]内，以步长μ遍历时域拉伸因子β的值，对基准信号或测量信号进行拉伸并计算二者的归一化能量均方差直到获得最小归一化能量均方差及最佳时域拉伸因子；其中，最佳时域拉伸因子为最小归一化能量均方差对应的时域拉伸因子β的值。
[0100]
如图2所示，具体的计算流程为：
[0101]
首先对β和进行初始化定义；然后判断当前计算的时域拉伸因子β是否大于初始化定义的时域拉伸因子最大值β
max
：
[0102]
若当前计算的时域拉伸因子β不大于初始化定义的时域拉伸因子最大值β
max
，则判断当前计算的时域拉伸因子β是否大于1；
[0103]
若当前计算的时域拉伸因子β大于初始化定义的时域拉伸因子最大值β
max
，则输出计算得到的最小归一化能量均方差
[0104]
所述则判断当前计算的时域拉伸因子β是否大于1，包括：
[0105]
若当前计算的时域拉伸因子β不大于1，表示测量信号被拉长，则对测量信号进行三次样条插值实现时域拉伸，计算拉伸后的测量信号与基准信号的归一化能量均方差；
[0106]
若当前计算的时域拉伸因子β大于1，表示测量信号被压缩，则对基准信号进行三次样条插值实现时域拉伸，计算测量信号与拉伸后的基准信号的归一化能量均方差。
[0107]
最后判断每次循环中，计算得到的归一化能量均方差是否大于初始化定义的最小归一化能量均方差
[0108]
若拉伸计算后的归一化能量均方差大于初始化定义的最小归一化能量均方差则以步长μ遍历时域拉伸因子β的值，即β＝β+μ；然后继续返回执行判断当前计算的时域拉伸因子β是否大于初始化定义的时域拉伸因子最大值β
max
这一步骤；
[0109]
若拉伸计算后的归一化能量均方差不大于初始化定义的最小归一化能量均方差则此时归一化能量均方差为最小归一化能量均方差，即然后继续返回执行判断当前计算的时域拉伸因子β是否大于初始化定义的时域拉伸因子最大值β
max
这一步骤。
[0110]
其中，拉伸计算后得到的归一化能量均方差的计算过程包括：时域拉伸处理、去均值处理和归一化处理，
[0111]
时域拉伸处理：为了减小或消除波速变化导致的信号差异，对基准信号或测量信号进行三次样条插值实现时域拉伸，从而保证基准信号与测量信号在时域拉伸后的数据长度一致；
[0112]
去均值处理：分别对经过时域拉伸处理这一步骤后的基准信号和测量信号进行去均值处理，可以排除直流分量的干扰，得到去均值处理的基准信号和去均值处理的测量信
号；
[0113]
归一化处理：分别对经过去均值处理这一步骤后的基准信号和测量信号进行能量归一化处理，可以排除掉信号幅值随温度整体线性变化带来的干扰，得到归一化的基准信号和归一化的测量信号；
[0114]
根据归一化的基准信号和归一化的测量信号，获得归一化能量均方差；归一化能量均方差可以反应能量归一化后的基准信号和测量信号的差异，既可以作为最佳拉伸因子的判断标准，也可以作为无损检测中判断伤损是否存在的特征参数。当测量信号与基准信号之间的归一化能量均方差最小时，对应的β值即为最佳拉伸因子。
[0115]
计算归一化能量均方差时，时域拉伸处理的具体判断过程为：
[0116]
当第一次循环计算时：
[0117]
若判断的时域拉伸因子β≤1时，对测量信号进行第一次拉伸变换，分别对一次拉伸后的测量信号与基准信号进行去均值处理和归一化处理，直至获得归一化能量均方差；
[0118]
若判断的时域拉伸因子β＞1时，对基准信号进行第一次拉伸变换，分别对测量信号与一次拉伸变换后的基准信号进行去均值化处理和归一化处理，直至获得归一化能量均方差；
[0119]
当第二次循环计算时:
[0120]
若第一次循环判断的β≤1且第二次循环判断的β≤1时，对测量信号进行第二次拉伸变换，分别对二次拉伸变换后的测量信号与基准信号进行去均值化处理和归一化处理，直至获得归一化能量均方差；
[0121]
若第一次循环判断的β≤1,且第二次循环判断的β＞1时，对基准信号进行第一次拉伸变换，分别对一次拉伸变换后的测量信号和一次拉伸变换后的基准信号进行去均值化处理和归一化处理，直至获得归一化能量均方差；
[0122]
若第一次循环判断的β＞1,且第二次循环判断的β≤1时，对测量信号进行第一次拉伸变换，分别对一次拉伸变换后的测量信号与一次拉伸变换后的基准信号进行去均值化处理和归一化处理，直至获得归一化能量均方差；
[0123]
若第一次循环判断的β＞1,且第二次循环判断的β＞1时，对基准信号进行第二次拉伸变换，分别对测量信号与二次拉伸变换后的基准信号进行去均值化处理和归一化处理，直至获得归一化能量均方差；
[0124]
...
[0125]
直至第n次循环判断后获得最小归一化能量均方差
[0126]
其中，根据模拟信号的推导获得：
[0127]
所述拉伸变换后的测量信号为：
[0128][0129]
其中，u'1(t)表示拉伸后的测量信号，u1(βt)表示拉伸后的测量信号，β为时域拉伸因子，t表示时间变量，λi表示第i个钢轨特征结构回波的反射系数，s表示换能器发送经汉宁窗调制的正弦信号，ti表示第i个特征回波的到达时间。
[0130]
在数据处理过程中，若β》1，表示测量信号被压缩，在与基准信号对比时，可以等效为对基准信号以拉伸因子1/β进行拉伸，因此，根据模拟信号的推导获得的所述拉伸变换后
的基准信号为：
[0131]
u'0(t)＝u0[(1/β)
·
t]
[0132]
其中，u'0(t)表示为拉伸后的基准信号，u0表示为基准信号，β为时域拉伸因子，t表示时间变量。
[0133]
针对实际采集得到的数字信号进行处理，获得：
[0134]
通过下式获得去均值处理的基准信号和去均值处理的测量信号：
[0135][0136]
其中，u'
0m
(n)表示经过去均值处理后的基准信号，u'
1m
(n)表示经过去均值处理后的测量信号，u'0(n)表示经过时域拉伸处理这一步骤后的基准信号，u'1(n)表示经过时域拉伸处理这一步骤后的测量信号，n为采集的数字信号的长度，n为采样序列点数。
[0137]
通过下式获得归一化的基准信号和归一化的测量信号：
[0138][0139]
其中，u'
0mn
(n)表示经过归一化的基准信号，u'
1mn
(n)表示经过归一化的测量信号，u'
0m
(n)表示经过去均值处理后的基准信号，u'
1m
(n)表示经过去均值处理后的测量信号，n为采集的数字信号的长度，n为采样序列点数。
[0140]
通过下式获得归一化能量均方差为：
[0141][0142]
其中，表示归一化能量均方差，u'
0mn
(n)表示经过归一化的基准信号，u'
1mn
(n)表示经过归一化的测量信号，n为采集的数字信号的长度，n为采样序列点数。
[0143]
本发明还公开了一种变温环境下钢轨超声导波信号处理系统，如图3所示，包括采集单元和计算获取单元，
[0144]
采集单元，用于采集无损伤环境下钢轨中的基准信号和当前环境下钢轨中的测量信号；
[0145]
计算获取单元，用于获取基准信号与测量信号的最小归一化能量均方差和最佳拉伸因子，以判断钢轨是否存在伤损。
[0146]
具体的，所述采集单元用于根据钢轨上安装的换能器，利用汉宁窗调制信号以激励换能器产生超声导波信号；
[0147]
所述采集单元用于利用钢轨上安装的超声传感器接收钢轨中的回波信号；其中，回波信号包括基准信号和测量信号，所述基准信号表示在温度t0时获得的回波信号，所述测量信号表示在温度变化δt后获得的回波信号。
[0148]
所述计算获取单元，用于获取基准信号与测量信号的最小归一化能量均方差和最佳时域拉伸因子，包括：
[0149]
所述计算获取单元用于对时域拉伸因子β的极值范围[β
min
,β
max
]以及最小归一化能量均方差进行初始化定义；
[0150]
所述计算获取单元用于在时域拉伸因子β的极值范围[β
min
,β
max
]内，以步长遍历时域拉伸因子β的值，对基准信号或测量信号进行拉伸并计算二者的归一化能量均方差，直到获得最小归一化能量均方差及最佳时域拉伸因子；其中，最佳时域拉伸因子为最小归一化能量均方差对应的时域拉伸因子β。
[0151]
关于上述实施例中的系统，其中各个单元模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
[0152]
对本技术提出的变温环境下钢轨超声导波信号处理方法进行实验验证：
[0153]
在钢轨上安装布置换能器和传感器后，采用30khz汉宁窗调制信号作为激励，采集了4天的导波信号数据，共346组，在第4天测试前(采集第213组信号前)，在钢轨轨底制造了约2.8cm的裂缝。同时，通过温度传感器采集了钢轨的温度信息，四天内总的温度波动范围为在11.5至38.6℃。
[0154]
将第1组信号作为基准信号，第212组信号作为测量信号，图4为基准信号和测量信号的局部波形对比；由于温度的变化，钢轨中导波的波速发生改变，且导波信号的幅值也发生了一定变化，如图4可知温度变化后的测量信号的幅值波动明显小于基准信号。计算测量信号与基准信号的归一化能量均方差，计算结果如图5所示，可知，在第2天测试时，由于温度升高，归一化能量均方差明显增大，由温度带来的数值变化与轨底裂缝带来的数值变化难以区分，无法检测出轨底裂缝的存在。
[0155]
为了减小温度对伤损检测的影响，对数据进行时域拉伸温度补偿，在0.99至1.01范围内以步长0.001遍历拉伸因子β，在归一化能量均方差最小时得到最佳拉伸因子，实现波速补偿，图6为补偿后第212组测量信号与基准信号波形对比。同时，归一化能量均方差可作为判断钢轨有无伤损的参数，图7为补偿后每组数据与基准信号间归一化能量均方差，可以看到，经过本技术方法的处理，在第2天温度升高后，能量均方差有所增大，但仍在0.5以下，在制造轨底缺陷后，能量均方差高于0.75，与温度导致的数值变化区分明显，可以实现伤损的准确监测。
[0156]
本发明针对现有技术钢轨超声导波监测存在的问题，本发明提出在时域上通过三次样条插值对数字信号进行处理，实现信号的拉伸，补偿温度对钢轨导波波速的影响，降低了算法的复杂度，同时，引入了归一化能量均方差作为选择最佳拉伸因子的准则及钢轨伤损判断的标准，在实现温度补偿的同时，排除温度或系统电压波动导致的信号幅值变化对钢轨伤损辨识的干扰，最终实现在较大温度变化范围内，对钢轨伤损的准确、可靠监测。
[0157]
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可
以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种变温环境下钢轨超声导波信号处理方法，其特征在于，包括：采集无损伤环境下钢轨中的基准信号和当前环境下钢轨中的测量信号；获取基准信号与测量信号的最小归一化能量均方差和最佳时域拉伸因子，以判断钢轨是否存在伤损。2.根据权利要求1所述的一种变温环境下钢轨超声导波信号处理方法，其特征在于，所述采集无损伤环境下钢轨中的基准信号和当前环境下钢轨中的当前信号，包括，在钢轨上安装换能器，利用汉宁窗调制信号以激励换能器产生超声导波信号；利用钢轨上安装的超声传感器接收钢轨中的回波信号；其中，回波信号包括基准信号和测量信号，基准信号表示在温度t0时获得的回波信号，测量信号表示在温度变化δt后获得的回波信号。3.根据权利要求2所述的一种变温环境下钢轨超声导波信号处理方法，其特征在于，所述换能器发送经汉宁窗函数调制后的正弦信号，以激励所述换能器产生超声导波信号；所述调制后的正弦信号为：s(t)＝a0w(t)sin(2πft)其中，w(t)表示换能器发送经汉宁窗函数调制的正弦信号，a0表示激励超声导波信号的幅值，f是激励超声导波信号的频率，w(t)表示汉宁窗函数，t表示时间变量。4.根据权利要求3所述的一种变温环境下钢轨超声导波信号处理方法，其特征在于，所述汉宁窗函数为：其中，w(t)表示汉宁窗函数，f是激励信号的频率，n’是汉宁窗中的正弦信号周期数，t表示时间变量。5.根据权利要求3或4所述的一种变温环境下钢轨超声导波信号处理方法，其特征在于，所述基准信号为：u0(t)＝∑s
i
(t)＝∑λ
i
s(t-t
i
)其中，u0(t)表示基准信号，λ
i
表示第i个钢轨特征结构回波的反射系数，s
i
(t)表示t时刻接收到的第i个特征回波信号，t
i
为第i个特征回波的到达时间，s表示换能器发送经汉宁窗调制的正弦信号，t表示时间变量。6.根据权利要求3或4所述的一种变温环境下钢轨超声导波信号处理方法，其特征在于，所述测量信号为：u1(t)＝∑λ
i
s(t-t'
i
)＝∑λ
i
s(t-t
i
β)其中，u1(t)表示测量信号，λ
i
表示第i个钢轨特征结构回波的反射系数，s表示换能器发送经汉宁窗调制的正弦信号，t'
i
表示温度变化后第i个特征回波的到达时间，t
i
表示第i个特征回波的到达时间，β为时域拉伸因子，t表示时间变量。
7.根据权利要求1所述的一种变温环境下钢轨超声导波信号处理方法，其特征在于，所述获取基准信号与测量信号的最小归一化能量均方差和最佳时域拉伸因子，包括，对时域拉伸因子β的极值范围[β
min
,β
max
]以及最小归一化能量均方差进行初始化定义；在时域拉伸因子β的极值范围[β
min
,β
max
]内，以步长遍历时域拉伸因子β的值，对基准信号或测量信号进行时域拉伸处理并计算二者的归一化能量均方差直到循环计算获得最小归一化能量均方差及最佳时域拉伸因子；其中最佳时域拉伸因子为最小归一化能量均方差对应的时域拉伸因子β。8.根据权利要求7所述的一种变温环境下钢轨超声导波信号处理方法，其特征在于，所述对基准信号或测量信号进行时域拉伸处理并计算二者的归一化能量均方差包括，时域拉伸处理：对基准信号或测量信号进行三次样条插值的拉伸变换；去均值处理：分别对时域拉伸处理后的基准信号和测量信号进行去均值处理；归一化处理：分别对去均值处理后的基准信号和测量信号进行能量归一化处理，得到归一化的基准信号和归一化的测量信号；根据归一化的基准信号和归一化的测量信号，获得归一化能量均方差。9.根据权利要求7所述的一种变温环境下钢轨超声导波信号处理方法，其特征在于，初始化定义第一次计算时的时域拉伸因子值β＝β
min
、最小归一化能量均方差判断当前计算的时域拉伸因子β是否大于初始化定义的时域拉伸因子最大值β
max
：若当前计算的时域拉伸因子β不大于初始化定义的时域拉伸因子最大值β
max
，则判断当前计算的时域拉伸因子β是否大于1；若当前计算的时域拉伸因子β大于初始化定义的时域拉伸因子最大值β
max
，则输出计算得到的最小归一化能量均方差10.根据权利要求7或8所述的一种变温环境下钢轨超声导波信号处理方法，其特征在于，判断计算中的时域拉伸因子β是否大于1，以进行时域拉伸处理，包括：若当前计算的时域拉伸因子β不大于1，表示测量信号被拉长，则对当前计算的测量信号进行拉伸变换，计算拉伸变换后的测量信号与当前计算的基准信号，获得二者的归一化能量均方差；若当前计算的时域拉伸因子β大于1，表示测量信号被压缩，则对当前计算的基准信号进行拉伸变换，计算当前计算的测量信号与拉伸变换后的基准信号，获得二者的归一化能量均方差。11.根据权利要求10所述的一种变温环境下钢轨超声导波信号处理方法，其特征在于，所述直到循环计算获得最小归一化能量均方差及最佳时域拉伸因子，包括，判断每次循环计算中得到的归一化能量均方差是否大于初始化定义的最小归一化能量均方差若拉伸计算后的归一化能量均方差大于初始化定义的最小归一化能量均方差则以步长μ遍历时域拉伸因子β的值，即β＝β+μ；然后继续返回执行判断当前计算的时域拉伸因子β是否大于初始化定义的时域拉伸因子最大值β
max
；
若拉伸计算后的归一化能量均方差不大于初始化定义的最小归一化能量均方差则此时归一化能量均方差为最小归一化能量均方差，即然后继续返回执行判断当前计算的时域拉伸因子β是否大于初始化定义的时域拉伸因子最大值β
max
。12.根据权利要求8或11所述的一种变温环境下钢轨超声导波信号处理方法，其特征在于，所述拉伸变换后的测量信号为：u'1(t)＝u1(βt)＝∑λ
i
s(βt-t
i
)其中，u'1(t)表示拉伸后的测量信号，u1(βt)表示拉伸后的测量信号，β为时域拉伸因子，t表示时间变量，λ
i
表示第i个钢轨特征结构回波的反射系数，s表示换能器发送经汉宁窗调制的正弦信号，t
i
表示第i个特征回波的到达时间。13.根据权利要求8或11所述的一种变温环境下钢轨超声导波信号处理方法，其特征在于，所述拉伸变换后的基准信号为：u
′0(t)＝u0[(1/β)
·
t]其中，u'0(t)表示为拉伸后的基准信号，u0表示为基准信号，β为时域拉伸因子，t表示时间变量。14.根据权利要求8或11所述的一种变温环境下钢轨超声导波信号处理方法，其特征在于，通过下式获得去均值处理的基准信号和去均值处理的测量信号：其中，u'
0m
(n)表示经过去均值处理后的基准信号，u'
1m
(n)表示经过去均值处理后的测量信号，u'0(n)表示经过时域拉伸处理后的基准信号，u'1(n)表示经过时域拉伸处理后的测量信号，n为采集的数字信号的长度，n为采样序列点数。15.根据权利要求8或11所述的一种变温环境下钢轨超声导波信号处理方法，其特征在于，通过下式获得归一化的基准信号和归一化的测量信号：其中，u'
0mn
(n)表示经过归一化的基准信号，u'
1mn
(n)表示经过归一化的测量信号，u'
0m
(n)表示经过去均值处理后的基准信号，u'
1m
(n)表示经过去均值处理后的测量信号，n为采
集的数字信号的长度，n为采样序列点数。16.根据权利要求8或11所述的一种变温环境下钢轨超声导波信号处理方法，其特征在于，通过下式获得归一化能量均方差为：其中，表示经过归一化能量均方差，u'
0mn
(n)表示经过归一化的基准信号，u'
1mn
(n)表示经过归一化的测量信号，n为采集的数字信号的长度，n为采样序列点数。17.一种变温环境下钢轨超声导波信号处理系统，其特征在于，包括采集单元和计算获取单元，所述采集单元，用于采集无损伤环境下钢轨中的基准信号和当前环境下钢轨中的测量信号；所述计算获取单元，用于获取基准信号与测量信号的最小归一化能量均方差和最佳时域拉伸因子，以判断钢轨是否存在伤损。18.根据权利要求17所述的一种变温环境下钢轨超声导波信号处理系统，其特征在于，所述采集单元，用于采集无损伤环境下钢轨中的基准信号和当前环境下钢轨中的测量信号，包括，所述采集单元用于根据钢轨上安装的换能器，利用汉宁窗调制信号以激励换能器产生超声导波信号；所述采集单元用于利用钢轨上安装的超声传感器接收钢轨中的回波信号；其中，回波信号包括基准信号和测量信号，所述基准信号表示在温度t0时获得的回波信号，所述测量信号表示在温度变化δt后获得的回波信号。19.根据权利要求17或18所述的一种变温环境下钢轨超声导波信号处理系统，其特征在于，所述计算获取单元，用于获取基准信号与测量信号的最小归一化能量均方差和最佳时域拉伸因子，包括，所述计算获取单元用于对时域拉伸因子β的极值范围[β
min
,β
max
]以及最小归一化能量均方差进行初始化定义；所述计算获取单元用于在时域拉伸因子β的极值范围[β
min
,β
max
]内，以步长遍历时域拉伸因子β的值，对基准信号或测量信号进行拉伸并计算二者的归一化能量均方差直到获得最小归一化能量均方差及最佳时域拉伸因子；其中，最佳时域拉伸因子为最小归一化能量均方差对应的时域拉伸因子β。

技术总结
本发明公开了一种变温环境下钢轨超声导波信号处理方法和系统，所述方法包括采集无损伤环境下钢轨中的基准信号和当前环境下钢轨中的测量信号；通过对基准信号和测量信号进行各种处理后，获取基准信号与测量信号的最小归一化能量均方差和最佳时域拉伸因子，以判断钢轨是否存在伤损。通过归一化能量均方差判断钢轨伤损，对环境温度变化等干扰有较强的鲁棒性，降低了误检、漏检的可能性，实现了钢轨结构健康的可靠监测。健康的可靠监测。健康的可靠监测。


技术研发人员：王鹏跃 史龙 谭树林 方建 徐凯 李阳 马一凡 韩明媚 刘雪梅 郭海雯 张天赋
受保护的技术使用者：北京全路通信信号研究设计院集团有限公司
技术研发日：2023.03.10
技术公布日：2023/7/21