阅读说明：本技术 一种利用振幅谱自相关的高铁运行速度估计方法 (It is a kind of to utilize the autocorrelative high-speed rail speed of service estimation method of amplitude spectrum ) 是由 王晓凯 陈文超 师振盛 于 2019-08-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种利用振幅谱自相关的高铁运行速度估计方法,在单检波器地震数据中截取高铁经过时所激发的信号；对截取的信号做傅里叶变换,得到其振幅谱；计算前一步骤截取的信号的能量谱累积函数,确定能量频率区间；计算信号振幅谱的自相关函数；在自相关函数中寻找最大峰值、第二峰值以及其对应的频率,进而获得最大峰值与第二峰值之间的频率间隔；利用最大峰值与第二峰值之间的频率间隔及高铁列车单个车厢长度,获得高铁列车运行速度的估计。(The autocorrelative high-speed rail speed of service estimation method of amplitude spectrum is utilized the invention discloses a kind of, the signal excited when high-speed rail is passed through is intercepted in single detector seismic data；Fourier transformation is done to the signal of interception, obtains its amplitude spectrum；The energy spectrum cumulative function for calculating the signal of previous step interception, determines energy frequency section；Calculate the auto-correlation function of signal amplitude spectrum；Peak-peak, the second peak value and its corresponding frequency are found in auto-correlation function, and then obtain the frequency interval between peak-peak and the second peak value；Using the frequency interval and the single car length of high-speed rail train between peak-peak and the second peak value, the estimation of high-speed rail train running speed is obtained.)

一种利用振幅谱自相关的高铁运行速度估计方法

技术领域

本发明属于勘探地球物理领域，特别涉及一种利用振幅谱自相关的高铁运行速度估计方法。

背景技术

截至目前，中国高铁营业里程达3.1万公里，接近世界高铁总营业里程的70％。2019年7月10日零时起，全国铁路实施新的列车运行图，每天开行动车组列车超过3000对。高铁列车高速运行在高铁线路上，其运行速度是不但是反映列车运行安全的重要参数，同时也是后续利用高铁列车引起震动信号的关键。目前已有的获得高铁列车运行速度的方法主要包含：

现有技术1：利用车载设备获取列车运行速度，即直接利用列车上的转速计可以获得列车运行速度，但无法确定列车在通过某个位置时的速度。此外，高铁列车携带的GPS设备可提供列车速度以及列车实时位置。上述方法所需的设备均安装在列车上，因此需要与高铁部门的许可。

现有技术2：在高铁线路隔离区内安装视频、光学及雷达等设备，常用的外部测速系统和方法有基于摄像机的速度估计系统、基于光学传感器或两个震动传感器的列车速度估计方法、利用多普勒效应的雷达测速方法以及基于车轮计数的速度估计方法等。上述方法需要安装在能够看到铁轨的位置，需要进入隔离区及在隔离区内安装设备的许可。

现有技术3：基于振幅谱模板匹配的方法，即在高铁线路隔离区外埋置一个地震检波器，然后利用检波器接收到信号的振幅谱与预设的一系列振幅谱模板做互相关系数，选择最大互相关函数对应的速度作为列车运行速度的估计，此方法需要大量的振幅谱模板函数，同时需要两次速度扫描过程，运算量大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种利用振幅谱自相关的高铁运行速度估计方法，仅使用高铁线路隔离区外单个检波器采集到的地震数据，利用采集到数据的振幅谱自相关来估计列车运行速度，为后续判断列车运行状态提供数据。

本发明采用以下技术方案：

一种利用振幅谱自相关的高铁运行速度估计方法，包括以下步骤：

S1、在单检波器地震数据中截取高铁经过时所激发的信号；

S2、对截取的信号做傅里叶变换，得到其振幅谱；

S3、计算步骤S2截取信号的能量谱累积函数，确定能量频率区间；

S4、计算信号振幅谱的自相关函数；

S5、在自相关函数中寻找最大峰值、第二峰值以及其对应的频率，进而获得最大峰值与第二峰值之间的频率间隔；

S6、利用最大峰值与第二峰值之间的频率间隔及高铁列车单个车厢长度，获得高铁列车运行速度的估计值v_final。

具体的，步骤S2中，假设截取出的高铁运行所引起的信号为y(t)，对该信号做傅里叶变换，得到其振幅谱|Y(ω)|为：

其中，[t₁，t₂]为检波器获取的有效信号所对应的时间范围，y(t)为截取出的高铁运行所引起的信号，j为虚数单位ω为频率，t为速度。

具体的，步骤S3具体为：

首先得到截取信号的总能量E_y，然后计算截取信号的频率上界，对幅值的平方由频率的零值开始累加，直到累加值与总能量E_y的比值高于设定的保留率η₁，对应的频率是频率上界ω_max；在获取频率下界时，由频率上界开始累加，直到累加值与总能量E_y的比值高于设定的保留率η₂，此时对应的频率是频率下界ω_min，确定95％的能量所在的频率区间为[ω_min，ω_max]。

进一步的，截取的信号总能量E_y为：

频率上界ω_max为：

频率下界ω_min为：

具体的，步骤S4中，在频率区间[ω_min，ω_max]范围内，计算信号振幅谱|Y(ω)|的自相关函数Corr(u)为：

其中，自相关函数Corr(u)的取值范围为[0，1]。

具体的，步骤S5中，在自相关函数中寻找最大峰值、第二峰值以及其对应的频率，获得最大峰值与第二峰值之间的频率间隔u_interval。

具体的，步骤S6中，高铁列车运行速度v_final为：

v_final＝Lu_interval

其中，L是单节高铁列车车厢的长度，u_interval为最大峰值与第二峰值之间的频率间隔。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明为利用振幅谱自相关进行高铁运行速度估计的一种方法，仅利用一个在隔离区外的地震检波器数据即可实现高铁列车运行速度的估计。本发明首先计算检波器所接收到的高铁列车运行所激发的信号振幅谱，然后计算该振幅谱的自相关函数，接着使用自相关函数中的最大峰值及第二大峰值之间的频率间隔，最后利用该频率间隔估计高铁列车运行速度。相比较于常规高铁列车速度估计方法，本发明仅依赖于隔离区外的一个地震检波器数据即可方便地获得高铁列车的运行速度。

进一步的，在单检波器地震数据中截取高铁经过时所激发的信号，有利于估计每趟经过检波器列车的速度，同时有利于减少后续计算振幅谱的运算量。

进一步的，截取的信号的能量谱累积函数并确定能量频率区间，有利于减少参与互相关函数计算的频率范围，同时有利于提高方法的抗噪性。

进一步的，计算信号振幅谱的自相关函数，有利于后续确定最大峰值和第二峰值的间隔；。

进一步的，在自相关函数中寻找最大峰值、第二峰值以及其对应的频率，进而获得最大峰值与第二峰值之间的频率间隔，可获得列车运行速度与信号频谱中最为密切的变化量。

进一步的，利用最大峰值与第二峰值之间的频率间隔及高铁列车单个车厢长度，获得高铁列车运行速度的估计，有利于获得高铁列车运行速度的准确估计。

综上所述，本发明可以有效、快速地实现仅利用一个地震检波器数据的高铁列车运行速度估计，所采用的方法为计算振幅谱自相关函数，具有可靠性高等特点，同时为检测高铁列车运行速度提供了一个独立于车载/隔离区内设备的方法。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为列车1经过时单个检波器接收到的一道高铁震源地震信号；

图3为列车1经过时单个检波器接收到的一道高铁震源地震信号的振幅谱；

图4为图3所示信号振幅谱的自相关函数。

具体实施方式

本发明提供了一种利用信号振幅谱自相关的高铁运行速度估计方法，仅利用一个在隔离区外的地震检波器数据即可实现高铁列车运行速度的估计。首先计算检波器所接收到的高铁列车运行所激发的信号振幅谱，然后计算该振幅谱的自相关函数，接着使用自相关函数中的最大峰值及第二大峰值之间的频率间隔，最后利用该频率间隔估计高铁列车运行速度。相比较于常规高铁列车速度估计方法，本发明仅依赖于隔离区外的一个地震检波器数据即可方便地获得高铁列车的运行速度。

请参阅图1，本发明一种利用信号振幅谱自相关的高铁运行速度估计方法，包括以下步骤：

S1、在单检波器地震数据中截取高铁经过时所激发的信号；

在高铁线路隔离区外埋置检波器，在高铁经过时从检波器接收到的信号中截取高铁经过时所激发的信号，获取的有效信号所对应的时间范围为[t₁，t₂]。

S2、对截取的信号做傅里叶变换，得到其振幅谱；

假设截取出的高铁运行所引起的信号为y(t)，对该信号做傅里叶变换，得到其振幅谱|Y(ω)|为：

S3、计算此信号能量谱的累积函数，确定其大部分能量所在的频率区间；

首先得到该信号的总能量E_y：

然后计算该信号的频率上界，对幅值的平方由频率的零值开始累加，直到累加值与总能量E_y的比值高于设定的保留率η₁，此时对应的频率便是所求的频率上界ω_max：

同理，在获取频率下界时，可以由频率上界开始累加，直到累加值与总能量E_y的比值高于设定的保留率η₂，此时对应的频率便是所求的频率下界ω_min：

将η₁和η₂分别设为0.975和0.95，由此确定95％的能量所在的频率区间为[ω_min，ω_max]。

S4、计算信号振幅谱的自相关函数；

在频率区间[ω_min，ω_max]范围内，计算信号振幅谱|Y(ω)|的自相关函数Corr(u)为：

该自相关函数的取值范围在[0，1]之间。

S5、在自相关函数中寻找最大峰值、第二峰值以及其对应的频率，进而获得最大峰值与第二峰值之间的频率间隔；

根据自相关函数的特性，最大峰值的位置一般在零频率，因此在自相关函数中寻找第二峰值，记录其位置为u_interval，则最大峰值与第二峰值之间的频率间隔即为u_interval。

S6、利用最大峰值与第二峰值之间的频率间隔u_interval及高铁列车单个车厢长度，获得高铁列车运行速度的估计v_final。

高铁列车车厢通常为L米(中国高铁列车车厢长度通常为25米)，以及最大峰值与第二峰值之间的频率间隔u_interval可以估计高铁列车运行速度v_final：

v_final＝Lu_interval (6)

其中，L是单节高铁列车车厢的长度，单位为米。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

本发明一种利用速度扫描的高铁运行速度估计方法，以高铁经过时距高铁线路75m的单个低频检波器所接收到的信号为例。

表1为8趟列车经过时利用本方法估计的高铁列车运行速度

请参阅图2，图2为列车1经过时单个检波器所接收到的高铁震源所引起的震动信号，采样间隔为5ms，共有3001个采样点。请参阅图3和图4，图3为列车1经过时所引起震动信号的振幅谱，图4为利用图3得到的振幅谱自相关函数，可以得到最大峰值及第二峰值之间的距离为3.3396赫兹，车厢长度为25米时，可以得到该趟列车的运行速度为83.49米/秒(即300.56千米/小时)。对8趟列车经过时单个检波器所接收到的数据利用本专利方法进行分析，得到的8趟列车速度估计值如表1所示，与我国高铁的商业运营速度吻合。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。