基于盲信号分离技术的铁路轨道安全检测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了基于盲信号分离技术的铁路轨道安全检测系统及方法，其系统包括处理器模块，以及分别连接到处理器模块上的超声波发射模块、超声波接收模块、声速测量模块和报警模块；所述处理器模块驱动超声波发射模块发射超声波信号，控制声速测量模块获得超声波速度，获取超声波接收模块的信号并进行处理，计算测距结果，并控制报警模块的输出。本发明专利技术采用了盲信号分离技术接收到的阵列信号进行分离处理，从混叠信号中分离出各路发射超声波的回波信号，解决了由于同一接收传感器接收到多个不同发射器的混叠回波信号而引起的处理器误判断问题，从而提高了检测系统的可靠性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及信号处理在铁路轨道安全检测中的应用，具体涉及基于盲信号分离技 术的铁路轨道安全检测系统及方法。
技术介绍
铁路是交通运输的主动脉，许多铁路穿梭于崇山峻岭之间，在这些地区，特别是易 于发生事故的地点，例如山体旁，隧道口等，在刮台风或下暴雨时容易出现塌方、路基损坏 现象。这些区域由于地处偏远，铁路线较长，进行人工监护既费力又费时，也很难及时发现 事故。因此铁路线上防不胜防的塌方或存在障碍物等现象，常常由于无法及时防范而导致 铁路行车受阻或列车出轨从而发生翻车危险，带来巨大的经济损失甚至导致人员伤亡。为了解决以上问题，国内外学者致力于研究一种能够自动监测铁路轨道安全，报 告事故信息的系统° 如 Garcia J. J. , Hemhndez Α.等人在《Low cost obstacle detection for smartrailway infrastructures))中设计出一种基于光流发射机的铁道障碍物的检测 系统，在铁道两侧分别布上光流发射机和接收机的阵列，依靠检测是否正常接收到发射机 信号来判断是否有障碍物。但该系统占用空间大而且不能检测铁路轨道路面的下陷。公告 号为CN100497060C的中国专利技术专利《铁路沿线两侧坡地路基塌方自动监测报警装置》通过 在铁路的一侧或两侧坡地路基布置传感器来监测塌方现象。但该装置不能检测落在铁路轨 道上的障碍物，而且埋在地下的传感器容易在火车经过时因地面有震动而产生误报。在日常应用中，超声波由于其指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远等特 点，在测距中得到广泛应用。利用超声波测距时，超声波发射器向某一方向发射超声波，在 发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接 收器收到反射波时就立即停止计时。根据接收和发射之间所需要的时间以及声速，就可确 定受测目标的距离。采用超声波进行测距时，由于铁路轨道、路基所处地面通常不是充分平坦的，因此 从这些界面处反射的超声波回波信号并非垂直于接收器所在平面，反射角度会有偏差，特 别是当路面有塌方现象或者是存在障碍物时，超声波回波信号的方向偏差会更大，所以在 有多个超声波发射器和接收器的情况下，一个接收器通常会收到多个回波信号的混叠；这 将会造成处理器对回波信号的判断及处理发生错误，从而影响了系统的可靠性。
技术实现思路
本专利技术的首要目的在于克服上述现有技术的不足，提供基于盲信号分离技术的铁 路轨道安全检测系统，该系统结构简单，成本低，采用超声波测距技术对铁路轨道重要地带 进行监控，以检测铁路轨道上的实时状况，发现异常情况则及时发出警报并报告铁路管理 行车指挥管理部门以及时处理。本专利技术的另一目的在于提供基于盲信号分离技术的铁路轨道安全检测方法，该方 法采用盲信号分离技术对超声波接收器阵列获得的信号进行分离处理，从混叠信号中分离出各路发射超声波的回波信号，解决了由于同一接收传感器接收到多个不同发射器的混叠 回波信号而引起的处理器误判断问题，从而提高了本专利技术中铁路轨道安全检测系统的可靠 性。本专利技术的首要目的通过以下技术方案实现基于盲信号分离技术的铁路轨道安全 检测系统，包括处理器模块，以及分别连接到处理器模块上的超声波发射模块、超声波接收 模块、声速测量模块和报警模块；所述处理器模块驱动超声波发射模块发射超声波信号，控 制声速测量模块获得超声波速度，获取超声波接收模块的信号并进行处理，计算测距结果， 并控制报警模块的输出。所述处理器模块包括逻辑控制单元和信号处理单元，逻辑控制单元分别与超声波 发射模块、超声波接收模块、声速测量模块、报警模块连接，信号处理单元与超声波接收模 块连接。所述超声波发射模块包括超声波发射驱动单元和超声波发射传感器组，超声波发 射驱动单元分别与处理器模块、超声波发射传感器组连接；所述超声波发射驱动单元接收 来自处理器模块的编码脉冲信号，驱动所述的超声波传感器组发射超声波；所述的超声波 发射传感器组包括由N个超声波发射传感器所构成的超声波发射传感器阵列；所述超声波接收模块包括依次连接的超声波接收传感器组、带通滤波单元、放大 器单元和模数转换单元，模数转换单元与处理器模块连接；所述超声波接收传感器组接收 超声波回波信号，并通过所述带通滤波单元滤除噪声信号；所述放大器单元对经带通滤波 单元滤波后的超声波回波信号进行放大；所述模数转换单元将模拟信号转换为数字信号； 所述的超声波接收传感器组包括由N个超声波接收传感器所构成的超声波接收传感器阵 列，N个超声波接收传感器分别接收N个超声波发射传感器的超声波信号。所述声速校正模块包括一个小型的超声波发射接收系统，通过设定固定距离，并 测得超声波在该距离中的往返时间，可求得当前环境中的超声波声速并保存在处理器模块 中。所述的报警模块与处理器模块相连接，当处理器模块中测量距离的结果超出预设 的范围时，发出警报并将故障信号传递到铁路行车安全管理监控部门。本专利技术的另一目的通过以下技术方案实现基于盲信号分离技术的铁路轨道安全 检测方法，包括以下步骤1)、处理器模块生成N个不同的编码序列，所述的N个编码序列之间必须满足盲信 号处理的条件，如相互统计独立；2)、处理器模块将步骤1)中生成的N个编码序列分别发送到超声波发射模块中， 产生N路超声波信号，同时，处理器模块对各路发射信号分别开始计时；3)、延时τ后，超声波接收模块等待N路超声波回波信号；4)、超声波接收模块接收到N路超声波回波信号后，对N路超声波回波信号进行处 理，然后将处理后的N路信号传输给处理器模块；5)、处理器模块采用盲信号分离技术对步骤4)所述的N路信号进行分离处理，得 到分离后的各路信号；6)、处理器模块将步骤5)中分离后的各路信号与源超声波发射信号进行匹配，求 得各路信号的往返时间，根据声速测量模块得到的超声波速度计算得到测距结果，然后进行判断处理，控制报警模块；7)、延时T后，返回步骤1)，开始下一次测量。所述步骤5)中采用盲信号分离技术对步骤4)所述的N路信号进行分离处理，包 括如下步骤(1)对输入到处理器模块的的N路信号所组成的阵列x(t)进行中心化处理；(2)寻找一个白化矩阵Q，将步骤(1)中心化处理后的信号进行白化处理；(3)通过迭代变换求解分离矩阵W的各个列分量w ；(4)由步骤(3)中求出的分离矩阵W的各个列分量W，计算出分离后的信号阵列。步骤⑴所述的中心化处理为用阵列x(t)减去N路信号的均值，将阵列x(t)转 换成零均值的信号。步骤(3)所述的求解分离矩阵W的各个列分量W，通过下列迭代式得到W+ = E {xg (W1X) } -E {g ‘ (W1X) } Ww = w+/ I IW+ I其中，g是一个非线性平稳函数，E是求期望值，W+是每一次迭代更新后的w值。本专利技术可以对铁路轨道安全对行实时监测，及时反映铁路轨道的安全情况。相对 于现有技术，本专利技术的有益效果及优点主要有1、采用了超声波测距实现铁路轨道路面的监测，系统简单，成本低，安装快速，而 且测量精度高。2、不仅可以监测由塌方引起的轨道路面覆盖和落在轨道路面上的障碍物，而且可 以监测轨道路面被冲垮的现象，从多方面实施铁路轨道路面的安全监测，保证铁路行车安全。3、在对超声波接收阵列信本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于盲信号分离技术的铁路轨道安全检测系统，其特征在于：包括处理器模块，以及分别连接到处理器模块上的超声波发射模块、超声波接收模块、声速测量模块和报警模块；所述处理器模块驱动超声波发射模块发射超声波信号，控制声速测量模块获得超声波速度，获取超声波接收模块的信号并进行处理，计算测距结果，并控制报警模块的输出。

【技术特征摘要】
基于盲信号分离技术的铁路轨道安全检测系统，其特征在于包括处理器模块，以及分别连接到处理器模块上的超声波发射模块、超声波接收模块、声速测量模块和报警模块；所述处理器模块驱动超声波发射模块发射超声波信号，控制声速测量模块获得超声波速度，获取超声波接收模块的信号并进行处理，计算测距结果，并控制报警模块的输出。2.根据权利要求1所述的铁路轨道安全检测系统，其特征在于所述处理器模块包括 逻辑控制单元和信号处理单元，逻辑控制单元分别与超声波发射模块、超声波接收模块、声 速测量模块、报警模块连接，信号处理单元与超声波接收模块连接。3.根据权利要求1所述的铁路轨道安全检测系统，其特征在于所述超声波发射模块 包括超声波发射驱动单元和超声波发射传感器组，超声波发射驱动单元分别与处理器模 块、超声波发射传感器组连接；所述超声波发射驱动单元接收来自处理器模块的编码脉冲 信号，驱动所述的超声波传感器组发射超声波；所述的超声波发射传感器组包括由N个超 声波发射传感器所构成的超声波发射传感器阵列；所述超声波接收模块包括依次连接的超声波接收传感器组、带通滤波单元、放大器单 元和模数转换单元，模数转换单元与处理器模块连接；所述超声波接收传感器组接收超声 波回波信号，并通过所述带通滤波单元滤除噪声信号；所述放大器单元对经带通滤波单元 滤波后的超声波回波信号进行放大；所述模数转换单元将模拟信号转换为数字信号；所述 的超声波接收传感器组包括由N个超声波接收传感器所构成的超声波接收传感器阵列，N 个超声波接收传感器分别接收N个超声波发射传感器的超声波信号。4.采用权利要求1所述的铁路轨道安全检测系统的基于盲信号分离技术的铁路轨道 安全检测方法，其特征在于，包括以下步骤1)、处理器模块生成N个不同的...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢胜利，傅予力，方韶茂，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]