基于非平稳信号处理的公路路面健康度检测

郑俊 王晓娟 郑仲品

摘 要：公路路面是公路交通的重要构成，路面的健康度会直接影响到道路交通安全。随着公路路面使用时间的增长，人为和自然条件下的不断侵蚀，以及急剧增长的车辆交通对道路路面来说都是巨大的挑战，一旦公路路面出现结构损伤等情况，得不到及时维修养护，会大大缩短道路的使用寿命，还会危及行人和车辆的安全，因此，对公路路面的健康度检测，意义重大。本文主要研究分析非平稳信号对路面健康度检测的效果，通过非平稳信号中的时频分析方法判断出公路路面的健康情况。

关键词：公路路面；健康度；非平稳信号；时频分析

随着科学技术的发展，公路检测引入了传感技术、信号处理与分析技术，以及结构分析等众多学科，延扩了公路检测内容，并且使得公路路面健康度的检测准确率得到大幅度提高。在公路检测中[1]，通过振动检测来发现公路路面内部产生的振动变化原因，并根据振动检测到的动态数据实时了解公路路面安全状况，对实际的采样数据进行信号处理，结合时频分析，根据不同的特征判别被测对象[2]。当车辆经过路面时，会产生振动信号，这种振动信号经过采样分析一般是非平稳信号，传统的纯时域分析和纯频域分析方法只能处理平稳信号，不能够同时得到时域和频域的信号信息。对于处理非平稳信号，需要同时获取时域和频域的局部信息，运用Wigner-Ville分布在处理非平稳信号方面优势明显[3]，且被广泛应用于振动信号、图像处理等工程领域中。

一、公路路面健康检测系统组成

公路路面检测系统主要由数据测量和后台处理分析两大部分组成，包含传感器系统、数据采集与传输系统、数据分析处理与控制系统及后台信息处理系统四个子系统。检测系统可以应对各种天气条件并进行自动检测，存储信息能力强，可以连接网络，根据采集获得的信息对公路路面的健康状况做出判断。

二、Wigner-Ville分布在公路路面检测中的应用

Wigner-Ville分布主要从时域和频域来分析处理信号，直观上去观察数据时频特征点，通过频率随时间分布的关系图来确定变化规律[4]，从公路路面传感器上去分析采样的振动信号，对不同情况下的时频信息进行分段处理，完成对公路路面健康度的检测。

WVD方法把时频域划分为若干个小区域，然后在每个小区域沿着时间频率轴做双重积分，這个二重积分值就是每个小区域的能量，能量值就是诊断公路路面面的特征值。根据之前的分析健康公路路面的振动信号能量主要处于低频段[5]，受损害的公路路面，其振动信号能量主要处于高频段。所以选取能量作为特征值来检测路面健康是较为合理的。

三、实验信号分析

公路路面的振动信号属于低频率信号，路面出现受损后，会夹杂着高频信号，时域图就会掺杂一些瑕疵信号，高频信号就是它的故障信号，振动信号的频谱就会发生变化。对于健康的公路路面振动信号的频谱，基频处幅值最大，倍频处幅值逐步衰减，傅里叶变换无法同时对时域和频域信号进行处理，而Wigner-Ville分布可以在时间和频率上对信号进行联合分析处理，直观上观察信号的时频特征，从传感器上获得的振动信号进行时频分析时，观察频谱图能量集中区强度变化情况和位置的分布，来判别公路路面是否出现损害和损害的程度情况。

四、结论

通过对预处理后的公路路面信号进行傅里叶变换和Wigner-Ville分布，观察其频谱图和时频分布图。通过对频谱图和时频图的分析，可以判断出公路路面的健康状况属于没有病害、轻微病害、病害中的哪一种。对信号的时频特征信息进行观察，获取不同情况下的时频信息，完成对公路路面的健康度检测。

参考文献：

[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]刘本永．非平稳信号分析与导论[M]．北京：国防工业出版社，2006

[4] 张永立. 冲击波场测试关键技术研究[D]．博士学位论文，吉林：长春理工大学，2019

[5]张玉彦. 基于深度自编码器的机械故障诊断方法研究[D]．博士学位论文，湖北：华中科技大学，2019