一种寒区隧洞衬砌外覆冰层厚度的测量方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种寒区隧洞衬砌外覆冰层厚度的测量方法及系统。本发明专利技术的测量方法是采用小波变换法，有效提取信号奇异点，利用小波变换的多分辨率性质，实现对信号奇异点的检测，提取冰层的上、下界面信息，计算出冰层厚度。本发明专利技术的测量系统包括主控系统、通讯系统和监控系统；主控系统包括超声波发射与接收两用的宽带窄脉冲换能器、超声分析仪以及A/D转换器；超声波发射与接收两用的宽带窄脉冲换能器、超声分析仪、A/D转换器、通讯系统分别与主控系统电连接，通讯系统与监控系统通讯。本发明专利技术的测量方法和系统均基于小波变换，对衬砌扰动小，能够高效、高精度测量衬砌后冰厚的信息；且本发明专利技术的测量系统结构简单，应用方便。

Method and system for measuring thickness of ice layer outside tunnel lining in cold area

The invention relates to a method and a system for measuring the thickness of the ice layer outside the tunnel lining. The measuring method of the invention is the use of wavelet transform method, effectively extract the signal singularity point, using the multi-resolution properties of wavelet transform, to detect the singular points of signal extraction, ice, interface information, calculate the ice thickness. The measuring system includes main control system, communication system and monitoring system; main control system comprises an ultrasonic transmitting and receiving broadband narrow pulse transducer, ultrasonic analyzer and the A/D converter; ultrasonic transmitting and receiving broadband narrow pulse transducer, ultrasonic analyzer, A/D converter, communication system and main control system is electrically connected. The communication system and monitoring system. The measuring method and the system of the invention are based on the wavelet transform, which has the advantages of small disturbance to the lining, high efficiency and high precision for measuring the ice thickness of the lining, and the measuring system of the invention has simple structure and convenient application.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于冰层厚度测量
，具体涉及一种寒区隧洞衬砌外覆冰层厚度的测量方法及系统。
技术介绍
严寒地区铁路隧道冻害现象普遍存在，极大影响了衬砌结构的使用性能。寒区隧道衬砌往往覆盖一定厚度的冰层，一定范围内的冰厚不会影响衬砌力学性能，但是当冰厚超过界限值时，为保证衬砌安全，需采集冰厚信息，做出适当除冰措施。因此，如何精准、小扰动的采取寒区隧道衬砌背后的冰厚信息是研究寒区隧道衬砌的难点。传统做法是：通过机械、电钻等手段穿过衬砌及衬砌后冰层开孔，将探测仪器伸入孔内进行测量。测量过程复杂、耗时，测量方法会给衬砌及外覆冰层带来损失。而且，采用超声波进行冰厚测量时，需要对超声波检测信号经行处理。但传统的去噪方法会使得信号的有用信号被模糊化，影响测量准确度和精度。因此，很有必要研究一种对衬砌扰动小、高效、高精度测量衬砌后冰厚的方法。小波变换是一种新的变换分析方法，它继承和发展了短时傅立叶变换局部化的思想，同时又克服了窗口大小不随频率变化等缺点，能够提供一个随频率改变的“时间-频率”窗口，是进行信号时频分析和处理的理想工具。小波变换作为一种信号处理手段，已经在科技信息产业领域取得了令人瞩目的成就。小波变换由于有着多分辨率分析和在时—频两域都可表征信号局部特征的优点，可以聚焦到信号的任意细节。采用小波变换法，能有效提取信号奇异点，利用小波变换的多分辨率性质，能实现对信号奇异点的检测，因而有可能提取出冰的上、下界面信息。但小波变换在测量寒区隧洞衬砌外覆冰层厚度方面还未见有相关应用报导。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种寒区隧洞衬砌外覆冰层厚度的测量方法及系统。本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：一种测量寒区隧洞衬砌外覆冰层厚度的方法，其特征在于：所述方法是基于小波变换法的超声波脉冲测量法；具体包括以下步骤：步骤1，根据小波函数、伸缩因子和平移因子定义生成的连续小波记基本小波函数为是平方可积函数，伸缩因子和平移因子分别为a和b，则由依赖于a和b的母函数生成的连续小波定义为：其中，t为时间自变量；步骤2，定义冰厚信号f(t)：设函数f(t)是平方可积函数，即f(t)∈L2(R)，则冰厚信号函数f(t)的连续小波变换定义为：步骤3，定义由Wf(a,b)重构的冰厚信号f(t)的小波逆变换：当采用的小波变换满足相容性条件时，由Wf(a,b)重构的冰厚信号f(t)的小波逆变换定义为：步骤4，根据上述步骤，采用不同的的中心频率和带宽都不同，但品质因数Q不变；采用小波变换对信号处理的结果，从频域上看，用不同a值作处理相当于用不同中心频率但恒Q的带通滤波器作处理；从时域上看，表现的是信号各局部时段的处理结果；两者结合起来，在某一尺度下在一定范围内把信号特征加以突出，把在这一尺度下的特定范围内突出出来的信号特征做反演变换，就可以用于突变信号和奇异信号的检测；其中Q为中心频率/带宽。步骤5，利用小波分析检测信号突变点，对信号进行多尺度分析，当信号出现突变时，其小波变换后的系数具有模极大值，由于在给定尺度上设定统计检测阀值，因而可以通过检测模极大值点来确定信号突变发生的位置时间点。步骤6，根据步骤5计算得到冰的下界面和上界面回波的时间差，提取出冰厚信息。一种寒区隧洞衬砌外覆冰层厚度的测量系统，包括主控系统、通讯系统和监控系统；所述通讯系统分别与所述主控系统电连接，所述通讯系统与所述监控系统通讯；所述主控系统包括超声波发射与接收两用的宽带窄脉冲换能器、超声分析仪、A/D转换器、示波器和计算机。所述超声波发射与接收两用的宽带窄脉冲换能器布置于测量点上，与超声分析仪连接，超声分析仪与示波器相连，超声分析仪与A/D转换器相连，A/D转换器与计算机相连。优选地，所述超声波发射与接收两用的宽带窄脉冲换能器有多个，测量时安装在衬砌不同待测点上。优选地，所述主控系统控制超声波发射与接收两用的工作并分析计算衬砌外覆冰层厚度的数据，同时控制通讯系统将覆冰厚度数据输送给监控系统；所述通讯系统在主控系统的控制下将覆冰厚度数据输送给监控系统；所述监控系统，远程监控隧洞衬砌外覆冰层厚度状态；所述宽带窄脉冲换能器用于发射和接收超声波。优选地，所述主控系统控制超声波发射与接收两用的工作并分析计算衬砌外覆冰层厚度的数据具体是指主控系统控制每个超声波发射与接收两用的宽带窄脉冲换能器发射和接收超声波；此外还控制超声分析仪完成超声激励脉冲和接收放大，由50MHz采样频率的A/D获得数字信号后，控制计算机采用小波变换法有效提取声波信号，反映回波的时间差，并最终根据时间差计算所对应的径向覆冰层厚度。优选地，所述主控系统内设有绘图系统，绘图系统根据测得的冰厚信息进行绘图形成隧洞衬砌外覆冰层厚度切面图。上述寒区隧洞衬砌外覆冰层厚度的测量系统的测量方法，包括如下步骤：步骤1：将超声波收发两用宽带窄脉冲换能器安装在衬砌待测点上，连接主控系统、通讯系统和监控系统。步骤2：控制主控系统依次命令每一个收发两用宽带窄脉冲换能器发射并接受超声波，并记录分析回波时间差；同时主控系统控制示波器实时观察系统的工作状态；步骤3：操作主控系统根据步骤2所述的回波时间差计算该超声波收发两用宽带窄脉冲换能器所对应的衬砌外覆冰层径向厚度；步骤4：操作主控系统将所述冰层厚度信息通过通讯系统传输给监控系统。优选地，所述步骤2具体包括：主控系统控制第一超声波收发两用宽带窄脉冲换能器工作，控制超声分析仪完成超声激励脉冲和接收放大，由50MHz采样频率的A/D获得数字信号后，控制计算机采用小波变换法，根据重构的冰厚信号函数对声波信号进行处理，有效提取声波信号，反映回波的时间差，记为t1；停止第一超声波收发两用宽带窄脉冲换能器工作，主控系统控制第二超声波收发两用宽带窄脉冲换能器工作，控制超声分析仪完成超声激励脉冲和接收放大，由50MHz采样频率的A/D获得数字信号后，控制计算机采用小波变换法有效提取声波信号，反映回波的时间差，记为t2；以此类推，主控系统依次控制剩余超声波收发两用宽带窄脉冲换能器工作，直到记录第N个超声波收发两用宽带窄脉冲换能器，将其回波时间差记为tn；其中，N的取值与n相同。优选地，所述步骤3具体包括：主控系统根据记录的时间差t1、t2、……、tn分别计算出每一个超声波收发两用宽带窄脉冲换能器所对应的衬砌外覆冰层径向厚度值s1、s2、……、sn，按照一定绘图比例沿着衬砌外围进行绘图标示，标出n个数值点，采用平滑曲线将这n个数值点连接成隧洞衬砌外覆冰层厚度切面图，得到其厚度信息。优选地，所述步骤4具体包括：主控系统将隧洞衬砌外覆冰层厚度信息及其切面图通过通讯系统传输给监控系统。与现有技术相比，本专利技术的有益效果：1.本专利技术的测量方法和系统是基于小波变换，对衬砌扰动小，能够高效、高精度测量衬砌后冰厚的信息；2.本专利技术的测量系统结构简单，应用方便。附图说明图1是本专利技术寒区隧洞衬砌外覆冰层厚度的测量系统示意图。图2是本专利技术实施例3超声波装置与隧道洞室衬砌的位置关系图。图3是本专利技术小波变换法测量寒区隧洞衬砌外覆冰层厚度信息的原理图。图4是本专利技术寒区隧洞衬砌外覆冰层厚度测量技术路线图。图中：1、控制系统；2、通讯系统；3、监控系统；4、超声波发射与接收两用的宽本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测量寒区隧洞衬砌外覆冰层厚度的测量方法，其特征在于：所述方法是基于小波变换法的超声波脉冲测量法；具体包括以下步骤：步骤1，根据小波函数、伸缩因子和平移因子定义生成的连续小波记基本小波函数为是平方可积函数，伸缩因子和平移因子分别为a和b，则由依赖于a和b的母函数生成的连续小波定义为：其中，t为时间自变量；步骤2，定义冰厚信号f(t)：设函数f(t)是平方可积函数，即f(t)∈L2(R)，则冰厚信号函数f(t)的连续小波变换定义为：步骤3，根据步骤1和2定义由Wf(a,b)重构的冰厚信号f(t)的小波逆变换：当采用的小波变换满足相容性条件时，由Wf(a,b)重构的冰厚信号f(t)的小波逆变换定义为：步骤4，根据上述步骤，采用不同的的中心频率和带宽都不同，但品质因数Q不变；采用小波变换对冰厚测量信号处理的结果，从频域上看，用不同a值作处理相当于用不同中心频率但恒Q的带通滤波器作处理；从时域上看，表现的是冰厚测量信号各局部时段的处理结果；两者结合起来，在某一尺度下在一定范围内把冰厚测量信号特征加以突出，把在这一尺度下的特定范围内突出出来的冰厚测量信号特征做反演变换，就可以用于突变信号和奇异信号的检测；其中Q为中心频率/带宽。步骤5，利用小波分析检测信号突变点，对信号进行多尺度分析，当信号出现突变时，其小波变换后的系数具有模极大值，由于在给定尺度上设定统计检测阀值，因而可以通过检测模极大值点来确定信号突变发生的位置时间点。步骤6，根据步骤5计算得到冰的下界面和上界面回波的时间差，提取出冰厚信息。...

【技术特征摘要】
1.一种测量寒区隧洞衬砌外覆冰层厚度的测量方法，其特征在于：所述方法是基于小波变换法的超声波脉冲测量法；具体包括以下步骤：步骤1，根据小波函数、伸缩因子和平移因子定义生成的连续小波记基本小波函数为是平方可积函数，伸缩因子和平移因子分别为a和b，则由依赖于a和b的母函数生成的连续小波定义为：其中，t为时间自变量；步骤2，定义冰厚信号f(t)：设函数f(t)是平方可积函数，即f(t)∈L2(R)，则冰厚信号函数f(t)的连续小波变换定义为：步骤3，根据步骤1和2定义由Wf(a,b)重构的冰厚信号f(t)的小波逆变换：当采用的小波变换满足相容性条件时，由Wf(a,b)重构的冰厚信号f(t)的小波逆变换定义为：步骤4，根据上述步骤，采用不同的的中心频率和带宽都不同，但品质因数Q不变；采用小波变换对冰厚测量信号处理的结果，从频域上看，用不同a值作处理相当于用不同中心频率但恒Q的带通滤波器作处理；从时域上看，表现的是冰厚测量信号各局部时段的处理结果；两者结合起来，在某一尺度下在一定范围内把冰厚测量信号特征加以突出，把在这一尺度下的特定范围内突出出来的冰厚测量信号特征做反演变换，就可以用于突变信号和奇异信号的检测；其中Q为中心频率/带宽。步骤5，利用小波分析检测信号突变点，对信号进行多尺度分析，当信号出现突变时，其小波变换后的系数具有模极大值，由于在给定尺度上设定统计检测阀值，因而可以通过检测模极大值点来确定信号突变发生的位置时间点。步骤6，根据步骤5计算得到冰的下界面和上界面回波的时间差，提取出冰厚信息。2.一种寒区隧洞衬砌外覆冰层厚度的测量系统，其特征在于：包括主控系统(1)、通讯系统(2)和监控系统(3)；所述通讯系统(2)与所述主控系统(1)电连接，所述通讯系统(2)与所述监控系统(3)通讯；所述主控系统(1)包括超声波发射与接收两用的宽带窄脉冲换能器(4)、超声分析仪(5)、示波器(6)、A/D转换器(7)和计算机(8)；所述超声波发射与接收两用的宽带窄脉冲换能器(4)布置于测量点上，与超声分析仪(5)连接，超声分析仪(5)与示波器(6)相连，超声分析仪(5)与A/D转换器(7)相连，A/D转换器(7)与计算机(8)相连。3.根据权利要求2所述的测量系统，其特征在于：所述超声波发射与接收两用的宽带窄脉冲换能器(4)有多个，测量时安装在衬砌的不同测点上。4.根据权利要求2所述的测量系统，其特征在于：所述主控系统(1)控制超声波发射与接收两用的工作并分析计算衬砌外覆冰层厚度的数据，同时控制通讯系统(2)将覆冰厚度数据输送给监控系统(3)；所述通讯系统(2)在主控系统(1)的控制下将覆冰厚度数据输送给监控系统(3)；所述监控系统(3)，远程监控隧洞衬砌外覆冰层厚度状态；所述超声波发射与接收两用的宽带窄脉冲换能器(4)用于发射和接收超声波。5.根据权利要求4所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵鲁庆，申艳军，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61