基于非平穩信號處理的公路路面健康度檢測

鄭俊 王曉娟 鄭仲品

摘 要：公路路面是公路交通的重要構成，路面的健康度會直接影響到道路交通安全。隨著公路路面使用時間的增長，人為和自然條件下的不斷侵蝕，以及急劇增長的車輛交通對道路路面來說都是巨大的挑戰，一旦公路路面出現結構損傷等情況，得不到及時維修養護，會大大縮短道路的使用壽命，還會危及行人和車輛的安全，因此，對公路路面的健康度檢測，意義重大。本文主要研究分析非平穩信號對路面健康度檢測的效果，通過非平穩信號中的時頻分析方法判斷出公路路面的健康情況。

關鍵詞：公路路面；健康度；非平穩信號；時頻分析

隨著科學技術的發展，公路檢測引入了傳感技術、信號處理與分析技術，以及結構分析等眾多學科，延擴了公路檢測內容，并且使得公路路面健康度的檢測準確率得到大幅度提高。在公路檢測中[1]，通過振動檢測來發現公路路面內部產生的振動變化原因，并根據振動檢測到的動態數據實時了解公路路面安全狀況，對實際的采樣數據進行信號處理，結合時頻分析，根據不同的特征判別被測對象[2]。當車輛經過路面時，會產生振動信號，這種振動信號經過采樣分析一般是非平穩信號，傳統的純時域分析和純頻域分析方法只能處理平穩信號，不能夠同時得到時域和頻域的信號信息。對于處理非平穩信號，需要同時獲取時域和頻域的局部信息，運用Wigner-Ville分布在處理非平穩信號方面優勢明顯[3]，且被廣泛應用于振動信號、圖像處理等工程領域中。

一、公路路面健康檢測系統組成

公路路面檢測系統主要由數據測量和后臺處理分析兩大部分組成，包含傳感器系統、數據采集與傳輸系統、數據分析處理與控制系統及后臺信息處理系統四個子系統。檢測系統可以應對各種天氣條件并進行自動檢測，存儲信息能力強，可以連接網絡，根據采集獲得的信息對公路路面的健康狀況做出判斷。

二、Wigner-Ville分布在公路路面檢測中的應用

Wigner-Ville分布主要從時域和頻域來分析處理信號，直觀上去觀察數據時頻特征點，通過頻率隨時間分布的關系圖來確定變化規律[4]，從公路路面傳感器上去分析采樣的振動信號，對不同情況下的時頻信息進行分段處理，完成對公路路面健康度的檢測。

WVD方法把時頻域劃分為若干個小區域，然后在每個小區域沿著時間頻率軸做雙重積分，這個二重積分值就是每個小區域的能量，能量值就是診斷公路路面面的特征值。根據之前的分析健康公路路面的振動信號能量主要處于低頻段[5]，受損害的公路路面，其振動信號能量主要處于高頻段。所以選取能量作為特征值來檢測路面健康是較為合理的。

三、實驗信號分析

公路路面的振動信號屬于低頻率信號，路面出現受損后，會夾雜著高頻信號，時域圖就會摻雜一些瑕疵信號，高頻信號就是它的故障信號，振動信號的頻譜就會發生變化。對于健康的公路路面振動信號的頻譜，基頻處幅值最大，倍頻處幅值逐步衰減，傅里葉變換無法同時對時域和頻域信號進行處理，而Wigner-Ville分布可以在時間和頻率上對信號進行聯合分析處理，直觀上觀察信號的時頻特征，從傳感器上獲得的振動信號進行時頻分析時，觀察頻譜圖能量集中區強度變化情況和位置的分布，來判別公路路面是否出現損害和損害的程度情況。

四、結論

通過對預處理后的公路路面信號進行傅里葉變換和Wigner-Ville分布，觀察其頻譜圖和時頻分布圖。通過對頻譜圖和時頻圖的分析，可以判斷出公路路面的健康狀況屬于沒有病害、輕微病害、病害中的哪一種。對信號的時頻特征信息進行觀察，獲取不同情況下的時頻信息，完成對公路路面的健康度檢測。

參考文獻：

[1] Ghaffari A， Roshanian J， Tayefi M. Time-varying transfer function extraction

of an unstable launch vehicle via closed-loop identification[J]. Aerospace

[2] Gr chenig K. Foundations of time-frequency analysis[M]， Springer Science &

Business Media; 2013.

[3]劉本永．非平穩信號分析與導論[M]．北京：國防工業出版社，2006

[4] 張永立. 沖擊波場測試關鍵技術研究[D]．博士學位論文，吉林：長春理工大學，2019

[5]張玉彥. 基于深度自編碼器的機械故障診斷方法研究[D]．博士學位論文，湖北：華中科技大學，2019