基于导波相位特性的高速公路立柱端面信号提取方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及道路交通安全设施无损检测领域，尤其涉及一种基于导波相位特性的 高速公路立柱端面信号提取方法。
【背景技术】
[0002] 高速公路护栏作为道路交通安全的重要保障，在发生交通事故时能够有效减缓车 速、防止车辆冲出路面或驶向对向车道从而避免造成二次交通事故，被称为"驾驶员的最后 一条安全带"。由于施工单位在施工过程中的不规范操作（偷工减料等）、恶劣地质环境中 的腐蚀等导致的立柱埋深不够成为了道路交通安全的重大隐患。公路护栏立柱属于隐蔽工 程，传统检测方法采用有损的拔粧检测，其不仅破坏边坡和路基的完整性，而且费时费力， 有二次埋深问题。目前高速公路护栏立柱无损检测技术已取得一定研究基础，对波的传播 特性、检测系统和专用传感器等进行了研究，比如《高速公路护栏立柱超声导波检测专用传 感器夹具研制》、《基于弹性波法的高速公路护栏立柱埋深检测方法研究》和《基于导波技术 的高速公路护栏立柱埋深检测》。实际检测中，针对覆有混凝土的埋地立柱，由于混凝土处 回波信号明显，检测信号经过多次反射后引入的噪声、信号叠加等导致端面信号位置难以 判断，从而难以判断立柱的埋置深度，为此提出一种基于导波相位特性的高速公路立柱端 面信号提取方法，方便立柱埋置深度的判断。
[0003] 对于公路立柱，设由激励信号Sl(t)在立柱中产生T(0，1)模态导波，传播过 程中遇到声阻抗发生变化时，比如立柱端面，导波信号就会反射，其回波（反射）信号 的时域波形可表示为：
I式中，S1(Co)为&⑴的傅里叶变 化，R(co)为反射系数，其表达式可以表示为：R(co) = IR(Co)Ie^'式中IR(Co)I和 θ (ω)反映了回波信号的幅值和相位的变化。可见，回波信号相对于导波入射信号只是 幅值和相位发生了变化。又，立柱端面处导波回波信号的反射系数为：假设立柱上有一 凹槽，其所在管壁横断面积为A 2,则凹槽处声阻抗为Z2= P lVlA2,则凹槽处反射系数为：
，立柱的端面可以看作凹槽的横断面积A2- 0的情况，则端面处反射 系数为：
，表明端面处导波信号被全部反射回来，故端面 回波与激励信号相位差为：
[0004] Θ = arctan(Im/Re) = I Θ Re-Θ In| = (2k+l) JT，式中 Θ Re，Θ 1(1分别为端面回波 信号和入射信号的相位。即立柱端面回波信号与入射信号反相。
【发明内容】
[0005] 本发明针对【背景技术】中现有技术的缺陷，提供了基于导波相位特性的高速公路立 柱端面信号提取方法。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：
[0007] 基于导波相位特性的高速公路立柱端面信号提取方法，包括如下步骤：
[0008] (1)通过导波无损检测技术对立柱进行检测，得到立柱导波检测信号；
[0009] (2)对导波检测信号进行截取处理得到待匹配信号，利用稀疏分解算法对待匹配 信号进行稀释分解，得到匹配原子集；
[0010] (3)根据立柱端面回波信号与激励脉冲信号反相的相位特性，对所得匹配原子集 进行相位检波，提取得到端面回波的匹配原子；
[0011] (4)对所得匹配原子进行重构，从而得到端面回波特征信号。
[0012] 作为一种优选方案，步骤（1)所述导波无损检测技术采用T(0, 1)扭转模态导波。
[0013] 本发明由于采用了以上技术方案，具有如下的有益效果：
[0014] 本发明通过高速公路立柱端面回波的导波相位特性，可以快速实现从信噪比低、 信号多次叠加的检测信号中自动提取出端面回波信号，方便判断出高速公路立柱的埋置深 度，降低立柱盲目拔粧检测带来的巨大经济成本，具有明显的现实经济意义。
【附图说明】
[0015] 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性的前提下，还可 以根据这些附图获得其他的附图。
[0016] 图1为本发明基于导波相位特性的高速公路立柱端面信号提取方法流程图；
[0017] 图2为本发明取脉冲宽度〇 = 4e_4、相位Θ = 〇rad、中心频率fc= 128KHZ的 Gabor激励脉冲波形和频谱图；
[0018] 图3为本发明通过导波无损检测技术对立柱进行检测，所得立柱导波检测信号；
[0019] 图4 ;为对所得立柱导波检测信号去掉初始盲区信号和超过埋置规定之外信号所 得的待匹配信号；
[0020] 图5为本发明通过基于过完备Gabor字典的匹配追踪算法对待匹配信号进行稀释 分解，所得匹配原子集波形；
[0021] 图6为通过端面回波与激励信号的相位关系对所得原子集进行相位检波，所得端 面匹配原子经过重构所得的端面特征信号；
[0022] 图7为对原信号稀疏分解后所得残差信号；
【具体实施方式】
[0023] 下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而 本发明并不局限于以下实施例。
[0024] 实施例1 :
[0025] 本实施例以具体的埋地立柱为例，对所得导波检测信号通过相位特性进行端面回 波特征信号的自动识别和提取，实施过程如下：
[0026] 1)所测高速公路立柱参数为：外径140mm，壁厚4. 5mm，管长2. 150m，埋深I. 20m， 导波检测换能器安装在距离地表h = 0. 54m处；
[0027] 2)用于导波检测的激励信号采用下式Gabor脉冲信号，相位取为=Orad，频率为 128kHz。通过导波检测换能器在立柱中激发出具有良好时频特性的T(0，1)模态导波：
[0028]
[0029] 式中〇、f。和Θ分别为脉冲宽度、中心频率和相位。图2所示为〇 = 4e_4、Θ =Orad、fc= 128KHz的激励脉冲波形和频谱图；
[0030] 3)通过导波无损检测技术设置激励信号参数，对该立柱进行检测，得到立柱导波 检测信号如图3所示；
[0031] 4)对导波检测信号进行截取处理得到待匹配信号，根据测得的混凝土层距离换能 器的位置h = 0. 54m，去掉盲区信号；查阅《高速公路交通安全设施设计细则JTG/TD81- 2006》得到所测类型立柱的标准尺寸，取一定余量长度，得到图4的待匹配信号；采用基于 Gabor字典的匹配追踪算法作为稀疏分解算法，对待匹配信号进行稀释分解，经过4此迭 代，下表所示匹配原子集参数、图5所示4个匹配原子波形和图7残差信号；
[0032]
[0033] 根据立柱端面回波信号与激励脉冲信号反相的相位特性，对所得匹配原子集进行 相位检波，观察上表知匹配原子g 2的相位为3. 110 (rad)，与激励脉冲信号（Θ = Orad)相 位相反，为端面回波的匹配原子；
[0034] 进一步进行验证，将立柱端面信号匹配原子g2的时移参数u (s)和导波速度V = 3180m/s，带入公式I = I uX v/2-h I，求得埋深为I = I. 209m，这与实际I. 20m相符，验证了 本方法的正确性。
[0035] (6)对所得匹配原子&进行重构，从而得到端面回波特征信号如图6所示。
[0036] 此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名 称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包 括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施 例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本 权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
【主权项】
1. 基于导波相位特性的高速公路立柱端面信号提取方法，其特征包括如下步骤： (1) 通过导波无损检测技术对立柱进行检测，得到立柱导波检测信号； (2) 对导波检测信号进行截取处理得到待匹配信号，利用稀疏分解算法对待匹配信号 进行稀释分解，得到匹配原子集； (3) 根据立柱端面回波信号与激励脉冲信号反相的相位特性，对所得匹配原子集进行 相位检波，提取得到端面回波的匹配原子； (4) 对所得匹配原子进行重构，从而得到端面回波特征信号。2. 根据权利要求1所述的基于导波相位特性的高速公路立柱端面信号提取方法，其特 征在于：所述导波无损检测技术采用T (0, 1)扭转模态导波对立柱进行无损检测；所述稀疏 分解算法采用基于过完备Gabor字典的匹配追踪算法。
【专利摘要】本发明公开了一种基于导波相位特性的高速公路立柱端面信号提取方法，其特征在于所述检测方法包括以下步骤：(1)通过导波无损检测技术得到立柱检测信号；(2)对检测信号进行截取处理得到待匹配信号，利用稀疏分解算法对待匹配信号进行稀释分解，得到匹配原子集；(3)根据端面回波信号与激励脉冲信号反相的相位特性，对所得匹配原子集进行相位检波，从而得到端面回波的匹配原子；(4)对所得匹配原子进行重构，得到端面回波特征信号。本高速公路埋地立柱端面回波特征信号提取方法，可以实现快速从低信噪比、信号多次叠加的检测信号中自动提取出端面回波特征信号，降低导波信号处理的难点，具有实际工程应用价值。
【IPC分类】G01B17/00
【公开号】CN105136074
【申请号】CN201510556523
【发明人】柳伟续, 唐志峰, 吕福在
【申请人】安徽科技学院
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年9月4日