一种基于超声兰姆波板式无砟轨道裂缝的拓扑成像方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于超声兰姆波板式无砟轨道裂缝的拓扑成像方法及装置，所述拓扑成像方法是先利用不同位置的空气耦合超声激发换能器激发超声波进入轨道板内部以激发兰姆波信号；然后由不同位置的空气耦合超声接收换能器接收兰姆波回波信号；然后由计算机采用MATLAB软件先对兰姆波回波信号进行滤波处理再依据拓扑成像算法进行轨道的裂缝成像。本发明专利技术可清晰的呈现出轨道板裂缝的位置及形状等信息，能为高铁日常的轨道板损伤检测提供及时预警和有力的评估手段。

A topological imaging method and device based on ultrasonic Lamb wave plate ballastless track cracks

【技术实现步骤摘要】
一种基于超声兰姆波板式无砟轨道裂缝的拓扑成像方法及装置
本专利技术是涉及一种基于超声兰姆波板式无砟轨道裂缝的拓扑成像方法及装置，属于轨道板无损检测

技术介绍
截至2019年末，中国铁路建设超额完成任务：预计全年将投产50个项目、新线超过7000公里，其中高铁20个项目、新线突破4000公里。全国铁路营业里程将达13.9万公里，其中高铁3.5万公里，稳居世界第一。其中，中国高铁网络中最重要的一环便是板式无砟轨道，中国从上世纪90年代开始从国外引进消化吸收板式无砟轨道技术，目前已在我国高速铁路建设中得到广泛应用，使得我国高铁技术处于世界领先水平。板式无砟轨道的生产对混凝土要求极高，使轨道板具有足够强度，可以承受列车高速的冲击；板式无砟轨道完全满足列车超过300公里/时的运行需求。同时板式无砟轨道具有较高的稳定性，使用寿命长，能减少后期的维护工作。但是面对高负荷的连续运行和多变的环境等诸多因素，使得板式无砟轨道产生了大量裂缝，严重影响列车运营和乘客人身安全。但目前轨道板检测工作主要是采取人工巡检进行，由于轨道交通用于可供线路检修维护的有效天窗时间仅为2-3小时，且高速铁路的线程又很长，以致巡检任务十分艰巨，要耗费大量人力，且使巡检员工作很辛苦、维护成本很高，并且检测质量不能保证，缺陷可能不能及时发现，以致使铁路安全存在隐患。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述问题和需求，本专利技术的目的是提供一种基于超声兰姆波板式无砟轨道裂缝的拓扑成像方法及装置，以解决目前高铁巡检工作繁多、效率低的问题，为高铁日常的轨道板损伤检测提供及时预警和有力的评估手段。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于超声兰姆波板式无砟轨道裂缝的拓扑成像方法，是先利用不同位置的空气耦合超声激发换能器激发超声波进入轨道板内部以激发兰姆波信号；然后由不同位置的空气耦合超声接收换能器接收兰姆波回波信号；然后由计算机采用MATLAB软件先对兰姆波回波信号进行滤波处理再依据拓扑成像算法进行轨道的裂缝成像。一种实施方案，所述拓扑成像方法，包括如下步骤：a)数据采集：利用超声波发射接收器的发射端发射超声波并由不同位置的空气耦合超声激发换能器将超声波激发至轨道板内部以在轨道板内部激发兰姆波信号，然后由不同位置的空气耦合超声接收换能器接收兰姆波回波信号并将兰姆波回波信号传输给超声波发射接收器的的接收端，由超声波发射接收器的接收端将接收的兰姆波回波信号传输给计算机；数据采集过程中，所述空气耦合超声激发换能器和空气耦合超声接收换能器采用“一发多位置接收”的方式激发和接收兰姆波信号；假设在分别在i个位置激发兰姆波信号，所有激励信号都为t0(t)：ti(t)＝[1-cos(2πfct/N)]sin(2πfct)，t0(t)＝ti(t)(1)；假设一个位置激发兰姆波信号对应j个位置接收信号，接收信号为：公式(1)中和公式(2)中：i为激发信号的位置数，j为接收信号的位置数，i和j均为大于1的整数，fc为激励信号的中心频率，0为空气耦合超声激发换能器的入射角度，t为信号的传播时间，x，y为接收信号的位置，N为激励信号周期数；a)数据处理：拓扑成像需要将直接声场和伴随声场的利用时域拓扑能量公式计算成像区域各点的像素值，首先计算直接声场D0(x，y，t)为：D0(x，y，t)＝F-1{F{t0(t)}exp(-i2πfcd/cP(fc)}(3)；公式(3)中，F{·}表示傅里叶变换，F-1{·}表示傅里叶逆变换，cP为相应兰姆波的相速度，d表示传播一定时间后的传播距离；计算伴随声场时，需要对接收到的信号进行时间反转作为第二次激励信号重新激励，再对检测区域内各点接收到的信号，即伴随声场进行第二次时间反转，第一次时间反转信号为：公式(4)中，T为信号传播的截止时间；将公式式(4)作为二次激励源在接收点处重新激励，将接收到的信号再进行一次时间反转，得到：A0(x，y，t)＝V0(x，y，T-t)(6)；公式(5)中，V0(x，y，t)表示伴随声场，A0(x，y，t)表示时间反转后的伴随声场，V0(x，y，T-t)表示对伴随声场进行时间反转；最后使用拓扑能量公式(7)得到成像结果：公式(7)中，(x，z)为成像区域的坐标位置，L(x，z)为检测区域内各点的能量值，dt表示对时间t的微积分；如此，综合全部激发和接收位置成像结果可得到轨道的裂缝图像。一种基于超声兰姆波板式无砟轨道裂缝的拓扑成像装置，包括轨检小车及设置在轨检小车上的超声波发射接收器和计算机，还包括空气耦合超声探头和角度调节机构，所述空气耦合超声探头包括空气耦合超声激发换器和空气耦合超声接收换能器，所述空气耦合超声激发换能器与超声波发射接收器的发射端信号连接，空气耦合超声接收换能器与超声波发射接收器的接收端信号连接，所述超声波发射接收器的接收端与计算机信号连接，所述空气耦合超声激发换能器和空气耦合超声接收换能器均连接在角度调节机构上，所述角度调节机构与一三轴位移调节机构相连接，且所述三轴位移调节机构固定连接在轨检小车的前端。一种实施方案，设有两个角度调节机构，每个角度调节机构均对应设有转动电机和连接件，所述转动电机通过连接件与三轴位移调节机构相连接，所述空气耦合超声激发换能器和空气耦合超声接收换能器分别连接在对应的转动电机的转轴上。一种实施方案，所述三轴位移调节机构包括纵向位移调节机构、垂向位移调节机构和横向位移调节机构，所述角度调节机构分别与对应的纵向位移调节机构相连接，所述纵向位移调节机构分别与对应的垂向位移调节机构相连接，所述垂向位移调节机构与横向位移调节机构相连接，且所述横向位移调节机构固定连接在轨检小车的前端。一种优选方案，所述纵向位移调节机构包括纵向驱动电机、纵向安装底座、纵向丝杆和纵向滑块，所述纵向驱动电机固定连接在纵向安装底座上，所述纵向丝杆的一端固定在纵向驱动电机的输出端，所述纵向滑块滑动设于纵向丝杆上，所述角度调节机构与纵向滑块相连接。一种优选方案，所述纵向安装底座上设有限位开关。一种优选方案，所述垂向位移调节机构包括垂向驱动电机、垂向延伸板、垂向移动连接件和垂向传送底座，所述垂向移动连接件在垂向驱动电机的驱动下沿着垂向传送底座上下移动，所述垂向延伸板通过垂向移动连接件与垂向传送底座相连接，所述纵向位移调节机构与垂向延伸板相连接。一种优选方案，所述横向位移调节机构包括横向驱动电机、横向安装底座、横向丝杆和横向滑块，所述横向驱动电机固定连接在横向安装底座上，所述横向丝杆的一端固定在横向驱动电机的输出端，所述横向滑块滑动设于横向丝杆上，所述垂向位移调节机构与横向滑块相连接，所述横向安装底座固定连接在轨检小车的前端。一种优选方案，在轨检小车的前端设有连接梁，所述横向位移调节机构通过连接梁固定连接在轨检小车的前端。一种实施方案，所述轨检小车包括小车底座、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于超声兰姆波板式无砟轨道裂缝的拓扑成像方法，其特征在于：是先利用不同位置的空气耦合超声激发换能器激发超声波进入轨道板内部以激发兰姆波信号；然后由不同位置的空气耦合超声接收换能器接收兰姆波回波信号；然后由计算机采用MATLAB软件先对兰姆波回波信号进行滤波处理再依据拓扑成像算法进行轨道的裂缝成像。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于超声兰姆波板式无砟轨道裂缝的拓扑成像方法，其特征在于：是先利用不同位置的空气耦合超声激发换能器激发超声波进入轨道板内部以激发兰姆波信号；然后由不同位置的空气耦合超声接收换能器接收兰姆波回波信号；然后由计算机采用MATLAB软件先对兰姆波回波信号进行滤波处理再依据拓扑成像算法进行轨道的裂缝成像。


2.根据权利要求1所述的拓扑成像方法，其特征在于，包括如下步骤：
a)数据采集：利用超声波发射接收器的发射端发射超声波并由不同位置的空气耦合超声激发换能器将超声波激发至轨道板内部以在轨道板内部激发兰姆波信号，然后由不同位置的空气耦合超声接收换能器接收兰姆波回波信号并将兰姆波回波信号传输给超声波发射接收器的接收端，由超声波发射接收器的接收端将接收的兰姆波回波信号传输给计算机；数据采集过程中，所述空气耦合超声激发换能器和空气耦合超声接收换能器采用“一发多位置接收”的方式激发和接收兰姆波信号；
假设分别在i个位置激发兰姆波信号，所有激励信号都为t0(t)：
ti(t)＝[1-cos(2πfct/N)]sin(2πfct),t0(t)＝ti(t)(1)；
假设一个位置激发兰姆波信号对应j个位置接收信号，接收信号为：



公式(1)中和公式(2)中：i为激发信号的位置数，j为接收信号的位置数，i和j均为大于1的整数，fc为激励信号的中心频率，θ为空气耦合超声激发换能器的入射角度，t为信号的传播时间，x,y为接收信号的位置，N为激励信号周期数；
a)数据处理：
拓扑成像需要将直接声场和伴随声场的利用时域拓扑能量公式计算成像区域各点的像素值，首先计算直接声场D0(x，y，t)为：
D0(x，y，t)＝F-1{F{t0(t)}exp(-i2πfcd/cP(fc)}(3)；
公式(3)中，F{·}表示傅里叶变换，F-1{·}表示傅里叶逆变换，cP为相应兰姆波的相速度，d表示传播一定时间后的传播距离；
计算伴随声场时，需要对接收到的信号进行时间反转作为第二次激励信号重新激励，再对检测区域内各点接收到的信号，即伴随声场进行第二次时间反转，第一次时间反转信号为：



公式(4)中，T为信号传播的截止时间；
将公式式(4)作为二次激励源在接收点处重新激励，将接收到的信号再进行一次时间反转，得到：



A0(x，y，t)＝V0(x，y，T-t)(6)；
公式(5)中，V0(x,y,t)表示伴随声场，A0(x,y,t)表示时间反转后的伴随声场，V0(x,y,T-t)表示对伴随声场进行时间反转；
最后使用拓扑能量公式(7)得到成像结果：



公式(7)中，(x,z)为成像区域的坐标位置，L(x,z)为检测区域内各点的能量值，dt表示对时间t的微积分；
如此，综合全部激发和接收位置成像结果可得到轨道的裂缝...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱文发，范国鹏，张海燕，张辉，邵伟，孙刘家，
申请(专利权)人：上海工程技术大学，
类型：发明
国别省市：上海;31