IIR濾波器在智能軌道檢測車數(shù)據(jù)處理中的應用

摘 要：根據(jù)XG-2000智能軌道檢測車檢測系統(tǒng)的特點和性能要求設計相應的IIR濾波器，并將其應用于該檢測車對軌道超高和超寬的測量。其測量數(shù)據(jù)及波形圖和未進行濾波的數(shù)據(jù)及波形圖相比較，雜波少，與軌檢尺測量的數(shù)據(jù)接近，能較準確地反映軌道的超高和超寬，為鐵路路軌的安全維護作業(yè)提供良好的保障。

關鍵詞：IIR濾波器 智能軌道檢測車 數(shù)據(jù)處理 超高 超寬

中圖分類號：U216 文獻標識碼：A 文章編號：1007-3973（2013）011-032-02

1 引言

隨著列車的不斷提速，鐵路運輸?shù)陌踩栽絹碓街匾?，這對鐵路路軌提出了更高的要求。在鐵路路軌的安全維護中，路軌的測量是一個非常重要的環(huán)節(jié)。為了提高軌道檢查的效率，減輕檢查人員的勞動強度，道尺、弦繩等傳統(tǒng)測量估計逐漸被智能軌道檢測車取代。

使用智能軌道檢測車可以實現(xiàn)多種檢測項目同步進行，借助計算機強大的存儲、處理和輸出能力，積累歷史數(shù)據(jù)，找出線路上的薄弱地段，分析其病害，同時為軌道靜態(tài)幾何狀態(tài)的科學化，數(shù)字儀管理提供了條件。

雖然智能軌道檢測車在工作過程中能夠簡單便捷地得到準確的路軌尺寸，但由于外界環(huán)境的變化及檢測車電路元器件所受的電磁干擾，檢測車獲得的路軌數(shù)據(jù)含有不真實的成分，需要采用濾波技術對信號進行處理。

根據(jù)智能軌道檢測車的特點，本文對比了未使用濾波器、使用IIR濾波器、及使用軌檢尺三種情況下得到的XG-2000智能軌道檢測車超高和超寬測量數(shù)據(jù)和曲線，體現(xiàn)了IIR濾波器的優(yōu)良性能。

2 IIR數(shù)字濾波器設計

數(shù)字濾波器是對數(shù)字信號按照一定的要求進行運算，然后以數(shù)字形式輸出的系統(tǒng)。輸出不僅與過去及現(xiàn)在的輸入有關，而且與過去及現(xiàn)在的輸出有關的數(shù)字濾波器，稱為無限沖擊響應（IIR） 數(shù)字濾波器。使用濾波器可以消除干擾雜訊，對特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進行有效濾除，輸出經(jīng)過過濾而得到純凈的直流電。對本檢測車來說，可將數(shù)據(jù)采集模塊采集到的超高和超寬信號中的干擾信號濾除，輸出真實的超高及超寬信號。

由數(shù)字信號處理理論可知，數(shù)字濾波器的傳遞函數(shù)H（z）可表示為：

其中：z表示z變換算子；H（z）的分子與分母的系數(shù)全部為實數(shù)；X（z）為濾波器的輸入信號；Y（z）為輸出信號。

假設信號采樣周期為T，對上式作z逆變換，可得IIR濾波器的常系數(shù)微分方程為：

由于數(shù)字濾波器與模擬濾波器設計思路類似，將已知模擬濾波器變?yōu)閿?shù)字濾波器最有效的方法就是雙線性變換。最常用的為雙線性z變換。雙線性z變換使用以下兩式：

需要處理的雜波信號頻率約為50Hz至100Hz；需保留檢測車檢測信號頻率為2Hz；模擬信號采樣頻率為10kHz；通帶截止頻率為2Hz；阻帶截止頻率為50Hz。

當允許信號中較低頻率的成分通過濾波器時，這種濾波器叫做低通濾波器。由于本檢測車檢測到的信號近似于直流信號，因此選用低通濾波器。

根據(jù)上文各式及多次在Matlab中的FDAT仿真可得到較為合適的IIR濾波器參數(shù)：選用低通濾波方式，Elliptic型設計方式，F(xiàn)s為10kHz，F(xiàn)pass為2Hz，F(xiàn)stop為50Hz，Astop為25dB，Apass為0.3dB。

3 智能軌道檢測車數(shù)據(jù)處理與結果分析

將設計好的IIR濾波器移植在智能軌道檢測車的處理系統(tǒng)中，并使用其對鐵軌進行檢測。檢測內(nèi)容包括對鐵軌超高、超寬及里程值的測量。

測量軌道位于水平地面，測量總里程為100m，檢測車的前進速度為1.5m/s。選取左側(cè)軌道為基準，測量右側(cè)軌道與左側(cè)軌道的高度差和超寬。在同一路段上反復測量三次，進行中值平均后最終得到百余組數(shù)據(jù)。每個測量內(nèi)容均取1m到10m10個里程點，在這十個里程點內(nèi)將使用規(guī)檢尺、未使用濾波器及使用濾波器三種狀況下測得的數(shù)據(jù)加以比較，可得到表1、表2。

測量得到這十個里程點內(nèi)未使用濾波器的超高和超寬數(shù)據(jù)波形圖，以及使用IIR濾波器后的超高和超寬數(shù)據(jù)，繪制波形圖如圖1、圖2所示。

同時得到在這十個里程點內(nèi)，使用軌檢尺測得的超高和超寬數(shù)據(jù)折線圖。如圖3所示。

通過對比未使用濾波器、使用IIR濾波器和使用軌檢尺三種方式得到的超高和超寬數(shù)據(jù)曲線，可以看出，未經(jīng)濾波的檢測結果與軌檢尺檢測結果相比，偏差較大，波形圖曲線波動較大，難以得到準確數(shù)據(jù)。而使用IIR濾波器檢測與使用軌檢尺檢測的數(shù)據(jù)較為接近，IIR濾波器檢測波形圖也與軌檢尺檢測折線圖大致相同。

4 結論

本文根據(jù)智能軌道檢測車檢測系統(tǒng)硬件及軟件特點，設計了IIR濾波器，對鐵軌的彎道超高和超寬進行測量并濾波。濾波后的數(shù)據(jù)和波形圖與濾波前的數(shù)據(jù)和波形圖相比，數(shù)據(jù)更加精確，雜波明顯減少，使測量值更加接近軌檢尺測量值，為鐵路的安全維護提供了準確的數(shù)據(jù)，降低了測量難度，提高了鐵路安全性。因此加入了IIR濾波器的智能檢測車必將在鐵軌測量作業(yè)中得到廣泛應用。

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