CN106896157A - 基于距离自适应的3d拼接可视化超声钢轨探伤方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于距离自适应的3D拼接可视化超声钢轨探伤方法及装置。本发明采用超声波发射与接收探头阵列探测轮搭载于运行列车底部，在列车运行过程中实时探测钢轨伤损；测速器实时跟踪列车运行速度，通过距离自适应脉冲探测算法控制超声脉冲发射频率，采集到的沿铁路运行方向的固定距离横截面信息相关性强，便于3D拼接成像；处理系统分析超声回波，结合全球定位装置和成像定位算法，可以对伤损位置实现精确定位，可视化程度高。具体实现时，需在车轮部位安装超声探轮与测速器，在列车上安装定位装置与处理系统，并保持四者之间稳定通信即可。

Description

基于距离自适应的3D拼接可视化超声钢轨探伤方法及装置

技术领域

本发明涉及钢轨探伤技术领域，具体涉及一种搭载在运行列车上的基于距离自适应的3D拼接可视化超声钢轨探伤方法。

背景技术

随着我国铁路向高速、重载方向发展，列车的运行安全越来越引起人们的重视。在这其中，钢轨又是列车车辆运行的基础，钢轨状态的好坏直接关系到铁路运输的安全，更关系到人民群众的生命财产安全。

轮轨之间存在着复杂的作用力，车轮对钢轨的作用力有垂直力、横向水平力和纵向水平力，使钢轨产生各种各样的应力，这些应力会导致钢轨产生压缩、伸长、弯曲、扭转等损伤，继而出现表面的或者内部的裂缝。因此，有必要对钢轨的健康度做一个检查。目前，国内外通用的主流检测技术主要是超声波检测与涡流检测，此外还有射线检测、磁粉检测等技术。采用的方法主要是手推车式检测与全自动轨道车检测相结合的方式。

然而，目前的人工手推车式检测法和大型轨道车检测方式，还存在一些难以解决的问题。手推车需要人工手工操作，效率低下；大型钢轨探伤车投资大，需要额外安排人员开行、调度。在检测时，目前的检测结果一般以超声波回波波形的方式展示，或者转化为人耳可听的声波频率。检测工人需要实时盯着屏幕上的超声波回波波形或者监听声音，可视化程度低，工作量大而繁杂。另一方面，在列车开动时，由于横向作用力与纵向作用力的结果，列车车轮会在两条钢轨之间左右滑动，列车速度也会无时无刻变化，因此接收到的回波波形还会因为列车车速的不稳定与车轮滑动产生更大偏差，进一步加大了检测员的人工监测难度。高强度的实时监测，波形的不确定性，使得检测结果的误差大大增加。因此，目前的超声波钢轨探伤检测技术，存在着检测结果不直观，波形不确定性强、偏差大，可视化程度低，对波形观测或监听的专业要求高等问题。这些问题，使得钢轨损伤的检测结果，不仅人力成本高而且误差较大。

因此，本发明提供一种可装载在运营列车上、在开行过程中对钢轨的损伤裂缝进行探测拼接成像的钢轨探伤方法与装置。

发明内容

现有的超声探伤检测结果是一维波形，需要专业工人实时监听或观测波形，可视化程度低，工作量大，容易出错。本发明的目的在于提供一种能在速度变化的列车上进行稳定的超声脉冲检测并对结果进行3D拼接可视化的方法，及实现该方法的装置。

基于距离自适应的3D拼接可视化的超声波钢轨探伤方法，具体是：超声波发射与接收探头阵列探测轮直接搭载于运行列车底部，在列车运行过程中实时探测钢轨伤损；利用测速器实时跟踪列车运行速度，通过距离自适应脉冲探测算法控制超声脉冲发射频率；处理系统分析超声回波得到钢轨检测结果，结合全球定位装置和成像定位算法，可以对伤损位置实现精确定位，并对检测结果进行3D拼接，提升检测结果的可视化。

所述的全球定位装置，为列车上搭载的全球定位系统，安装于超声波发射与接收探头阵列正上方。在列车运行途中，每隔一段时间，自动给予一次定位并记录时间，位置可以标记为S_i，时间为T_i，同样送入处理系统进行数据处理。此定位系统也可以为GPS或者北斗导航等同类全球定位系统。

进一步地，上述的探伤方法中，利用距离自适应脉冲探测算法来保证在列车车速变化时，所采集到的钢轨横截面信息沿钢轨以相等间距均匀分布，具体是：列车运行过程中，在全球定位系统的位置和时间(S_i,T_i)区间内，测速器第n次接收到信号的时间记为t_in，每2个发射器间隔车轮行驶过的定值距离记为L，所要求的超声波探测的等距离间隔记为s₀，则，超声波发射探头的实时脉冲频率应为

其中t_i(n-1)为上一次即测速器第n‐1次接收到信号的时间。

进一步地，上述的探伤方法中，利用成像定位算法给出伤损的精确定位，具体是：在全球定位装置与测速器的记录数据下，发现损伤位于S_i与S_i+1位置的t_ij与t_i(j+1)时间间隔内，则定位为S＝S_i+L·j处与S＝S_i+L(j+1)之间；若发现钢轨损伤需要回查，钢轨损伤发生的时间位于GPS的第i次定位时间T_i，位置S_i之后，且在T_i之后的第j个探测器时间间隔t_ij内，则可以给出较为精确的损伤位置为S＝S_i+L·j延后一个L之内处。

4.根据权利要求1所述的基于距离自适应的3D拼接可视化的超声波钢轨探伤方法，其特征在于包含以下步骤：

步骤1：安装调试好各个设备并通电，等待列车起步后开始运行；

步骤2：GPS定位开始工作并记录下第一个(S₀,T₀)，同时处理系统立即发送起步默认超声脉冲频率给超声波发射与接收探头阵列，超声探头开始以起步默认频率工作；处理系统同时记录下时间t₀₀；

步骤3：等到测速器监测到下一个接收信号时，记录下时间t₀₁；

步骤4：处理系统计算f＝v/s₀＝L/s₀(t₁-t₀)，并发送给超声探头改变发射脉冲的频率；

步骤5：重复步骤3～4，直到下一个GPS定位信号(S₁,T₁)；

重定位后，重复步骤3～5，时间相应从t₁₀开始，下一次重定位以此类推；

步骤6：列车开行的实时过程，利用此回波数据，处理系统即可实时3D拼接成像；

步骤7：在列车一次行程结束后，处理系统的存储模块应记录下所有的3D拼接成像结果；在回查发现的伤损时，若要对其精确定位，可检查到伤损位于GPS区间(S_i,T_i)与(S_i+1,T_i+1)的t_ij～t_i(j+1)时间之间；根据时间区间，确定伤损的大致空间位置为S＝S_i+L·j与S＝S_i+L(j+1)之间；位于两个GPS区间的情况则处理方法相同；确定大致位置之后，从而再进行更为细致的人工检查。

用于所述的基于距离自适应的3D拼接可视化的超声波钢轨探伤方法的装置，其包括超声波发射与接收探头阵列探测轮、测速器、全球定位装置、处理系统；

所述的超声波发射与接收阵列探测轮滚动于钢轨上，超声波发射与接收阵列探测轮内部为超声波发射与接收阵列与超声耦合剂；超声波探头有若干个，为电‐声换能器；列车开动时，超声波发射与接收阵列探测轮在钢轨上滚动，但内部的超声波发射与接收阵列方向则保持不变；在处理系统的控制下，超声波发射探头以确定的脉冲频率发射超声脉冲信号，经钢轨反射后接收回波信号送回给处理系统；

所述的测速器位于列车钢轮处，分为射线发射器与接收器；在列车运行时，测速器实时发送接收器的信号给处理系统，处理系统记录下每个接收器的时间点，经过距离自适应算法后反馈给超声波发射与接收探头阵列，实时控制其发射脉冲的频率，以保证列车速度变化时超声波接收探头接收到等距离间隔的钢轨横截面信号；

所述的全球定位装置搭载于列车上，安装于超声波发射与接收探头正上方；以设定时间间隔记录位置信息与时间信息(S_i,T_i)，并送回给处理系统；

所述的处理系统将超声波发射与接收探头阵列、测速器、全球定位装置三者的数据进行处理，并控制超声波发射探头的发射脉冲频率。

所述的处理系统自带存储模块，将存储行程过程的所有数据。

进一步地，上述的探伤方法中，上述的距离自适应脉冲探测算法保证在列车车速变化时，所采集到的钢轨横截面信息沿钢轨以相等间距均匀分布。算法具体描述为：由于需要对钢轨的裂缝损伤进行成像与定位，这就需要对钢轨每隔一定距离发射一次超声波脉冲，为使成像分辨率在运行途中一直不变，因此距离间隔应当相同。在列车启动，减速，加速的过程中，由于速度的变化，如果以相同时间间隔发送信号脉冲，难以做到对钢轨的采集距离做到间隔相同。因此，需要运用测速器采集回的数据，控制超声波发射探头的发射脉冲的时间间隔。其操作方法为：全球定位装置每隔一定时间间隔记录定位消息和时间，设定位位置为S_i，时间为T_i；测速器位于车轮内，其沿一周分布N个发射器，每2个发射器间隔车轮行驶过的距离为定值设为L，其值为车轮周长的1/N。全球定位装置每定位一次(S_i,T_i)，测速器则重新从t_i0开始计数；测速器接收器每检测到一个射线接收信号，列车也就开行经过L的距离，并记为t_ij。等到下个定位时，则重置为t_(i+1)0开始计数。

假设对钢轨探测成像所需的2次脉冲的距离要求为恒定的s₀，则列车行驶时，超声波发射探头所需的发射频率为f＝v/s₀。其中v为实时车速。

在列车开行过程中可以近似认为2个测速区间的车速近似相等。则v＝v_in＝L/(t_in-t_i(n-1))。因此得出，列车实时运行时，超声波发射探头所需要的发射脉冲频率为

即为每秒发射超声脉冲的次数。

进一步地，上述的探伤方法中，成像定位算法可以根据所测数据，给出某一数据点的实际地点，在某数据点发现伤损时，就可借此确定此伤损的较为精确的地理位置。具体算法如下：在超声探头接收到疑似损伤时，需要对损伤位于钢轨的位置做出推断，其精度越高，则在随后的精密检测时所需的成本也将越低。同时，这个数据也能应用于整条钢轨的3D损伤成像。其操作方法为：在全球定位装置与测速器的记录数据下，发现某损伤位于S_i与S_i+1位置的t_ij与t_i(j+1)时间间隔内，则可以定位为S＝S_i+L·j处与S＝S_i+L(j+1)之间。

与现有的钢轨探测手段相比，本发明的有益效果有：

1、相比于传统的二维波形图显示，本发明可视化程度高，检测结果直观，减小了工人的操作成本。

2、沿铁路运行方向的基于距离自适应的脉冲探测算法，使得采集的横截面沿钢轨均匀分布，减小了因列车速度波动导致的检测结果不稳定，使得相邻数据的相关性加强，便于提高3D拼接成像的图像质量。

3、实现难度较小，需要在车轮部位安装超声探头轮与测速装置，在列车上安装全球定位装置与包含存储模块的处理系统并保持四者之间的稳定通信即可。

附图说明

图1为所述的超声波发射与接收探头阵列探测轮示意图；

图2为所述的测速器立体示意图；

图3为本实施例所述系统的原理框图。

具体实施方式

为明确展示本发明的技术方案及优点，下面以搭载于普速列车与应用GPS全球定位系统为例，进一步说明使用方法。应明确，本发明的实现方式不仅于此。

基于距离自适应的3D拼接可视化的超声波钢轨探伤方法，其包括超声波发射与接收探头阵列探测轮，测速器，全球定位装置，处理系统(可采用现有的各种处理器，如DSP等)、距离自适应脉冲探测算法和成像定位算法。

所述的超声波发射与接收探头阵列探测轮1，内部包含超声波发射与接收探头阵列3与超声耦合剂2；超声波探头有若干个，浸没于耦合剂中，以不同角度朝向钢轨，其为电‐声换能器；探测轮用耐磨透声材料制成，并应安装于列车底部两侧，以保证列车在运行过程中，探测轮在钢轨上转动；超声波发射与接收探头阵列则保持一定角度不变，不随探测轮转动而改变方向。发射探头以一定时间间隔对钢轮发射超声波，超声波通过耦合剂穿过探测轮传导入钢轨内，并在钢轨内部反射后传回探测轮内的接收探头。接收探头在将声波转化为电信号后，传入处理系统进行处理。以3个探头阵列为例，。如图1，超声波发射与接收探头位于探测轮内，以一定角度朝向钢轨，探头有若干个，浸于超声耦合剂内，并保证探头朝向固定，不随探测轮转动。探头需要一条有线线路用于与处理系统进行通信，一条供电线路用于供电。超声波发射探头根据处理系统发出的指令以一定频率发射超声脉冲信号，同时接收超声回波信号并反馈给处理系统。

所述的测速器，其安装于车轮内与车底某处，目的是做到精确测速以调整超声波发射探头的发射时间间隔，保证时间间隔的距离自适应性。测速器由发射射线的发射器阵列4与接收器5组成，发射器有若干个，安装于以车轮轴为中心的某一半径圆周上，并在其上均匀分布，不间断发射射线，其个数可以调整，对应着不同的测量精度；接收器装于车底，与发射器所在的圆周平面保持一定的轴向距离，与其中一只发射器相对，能接收到来自于发射器的信号。当车轮转动时，应保证接收器能依次接收到所有发射器的信号。在装置运行期间，当接收器收到信号时，将送入处理系统进行处理，并记录每次接收的时间。以6个发射器为例，如图2所示。

如图2，测速器应安装于一列车车轮内，其包含射线发射器与接收器。射线发射器有6个，均分分布于以车轴为圆心的同心圆上。接收探头位于车底另一处，位置应平行于射线发射器，保证车轮转动时能间断接收到射线。射线发射器只需要一条供电线路，而接收器除了需要供电线路还需要一条有线通信线路用于与处理系统通信。在车轮转动时，每隔一段时间，接收器就能接收到一次信号，接收到信号的时间间隔跟车速紧密相关。接收到信号后，接收器立刻发送给处理系统。

如图3，超声波发射与接收探头和测速器从列车车轮处接收信号并与处理系统通信。GPS定位装置每隔一定时间给予处理系统超声波发射与接收探头的位置S与时间T。在每次定位完成后，保持上个定位区间的超声探头发射脉冲频率，等待下一个测速器信号。监测到测速器信号时，记录下时间t₁，若上一个监测到的信号时间为t₀，则改变超声探头的发射脉冲频率为L/s₀(t₁-t₀)。其中，L为相邻2个测速器传回的信号间隔中车轮开过的距离，应为定值。s₀为对钢轨的超声探测成像所需的标准的分辨率，也即两次脉冲的稳定距离间隔。以此类推，每次接收到测速器信号时，都以上一个信号相比较实时控制超声探头发射脉冲的频率。与此同时，可以在列车上进行实时3D图像拼接显示并对结果进行存储。在列车一次行程结束后，若发现钢轨损伤需要回查，数据表明钢轨损伤发生的时间位于GPS的第i次定位时间T_i，位置S_i之后，且在T_i之后的第j个探测器时间间隔t_ij内，则可以给出较为精确的损伤位置为S＝S_i+L·j延后一个L之内处。

下面给出具体数据描述各个步骤：

步骤1：安装调试好各个设备并通电，等待列车起步后开始运行。

步骤2：GPS定位开始工作并记录下第一个(S₀,T₀)，同时处理系统立即发送起步默认超声脉冲频率给超声波发射与接收探头阵列，超声探头开始以起步默认频率工作；处理系统同时记录下时间t₀₀。

步骤3：等到测速器监测到下一个接收信号时，记录下时间t₀₁。

步骤4：处理系统计算f＝v/s₀＝L/s₀(t₁-t₀)，并发送给超声探头改变发射脉冲的频率。

步骤5：重复步骤3～4，直到下一个GPS定位信号(S₁,T₁)。

重定位后，重复步骤3～5，时间相应从t₁₀开始，下一次重定位以此类推。

步骤6：列车开行的实时过程，利用此回波数据，处理系统即可实时3D拼接成像。

步骤7：在列车一次行程结束后，处理系统的存储模块应记录下所有的3D拼接成像结果。在回查发现的伤损时，若要对其精确定位，可以检查到伤损位于GPS区间(S_i,T_i)与(S_i+1,T_i+1)的t_ij～t_i(j+1)时间之间。根据时间区间，可以确定伤损的大致空间位置为S＝S_i+L·j与S＝S_i+L(j+1)之间。位于两个GPS区间的情况则处理方法类似。确定大致位置之后，从而在进行更为细致的人工检查。

Claims (6)

1.基于距离自适应的3D拼接可视化的超声波钢轨探伤方法，其特征在于超声波发射与接收探头阵列探测轮直接搭载于运行列车底部，在列车运行过程中实时探测钢轨伤损；利用测速器与全球定位装置实时跟踪列车运行速度，通过距离自适应脉冲探测算法控制超声脉冲发射频率；处理系统分析超声回波得到钢轨检测结果，结合全球定位装置和成像定位算法，对检测结果进行3D拼接，能对伤损进行精确定位，并提升检测结果的可视化。

2.根据权利要求1所述的基于距离自适应的3D拼接可视化的超声波钢轨探伤方法，其特征在于利用距离自适应脉冲探测算法来保证在列车车速变化时，所采集到的钢轨横截面信息沿钢轨以相等间距均匀分布，具体是：列车运行过程中，在全球定位系统的位置和时间(S_i,T_i)区间内，测速器第n次接收到信号的时间记为t_in，每2个发射器间隔车轮行驶过的定值距离记为L，所要求的超声波探测的等距离间隔记为s₀，则，超声波发射探头的实时脉冲频率应为

$f=v/s_0=\frac{L}{s_0(t_{in}-t_{i(n-1)})}$

其中t_i(n-1)为上一次即测速器第n‐1次接收到信号的时间。

3.根据权利要求1所述的基于距离自适应的3D拼接可视化的超声波钢轨探伤方法，其特征在于利用成像定位算法给出伤损的精确定位，具体是：在全球定位装置与测速器的记录数据下，发现损伤位于S_i与S_i+1位置的t_ij与t_i(j+1)时间间隔内，则定位为S＝S_i+L·j处与S＝S_i+L(j+1)之间；若发现钢轨损伤需要回查，钢轨损伤发生的时间位于GPS的第i次定位时间T_i，位置S_i之后，且在T_i之后的第j个探测器时间间隔t_ij内，则可以给出较为精确的损伤位置为S＝S_i+L·j延后一个L之内处。

4.根据权利要求1所述的基于距离自适应的3D拼接可视化的超声波钢轨探伤方法，其特征在于包含以下步骤：

步骤1：安装调试好各个设备并通电，等待列车起步后开始运行；

步骤2：GPS定位开始工作并记录下第一个(S₀,T₀)，同时处理系统立即发送起步默认超声脉冲频率给超声波发射与接收探头阵列，超声探头开始以起步默认频率工作；处理系统同时记录下时间t₀₀；

步骤3：等到测速器监测到下一个接收信号时，记录下时间t₀₁；

步骤4：处理系统计算f＝v/s₀＝L/s₀(t₁-t₀)，并发送给超声探头改变发射脉冲的频率；

步骤5：重复步骤3～4，直到下一个GPS定位信号(S₁,T₁)；

重定位后，重复步骤3～5，时间相应从t₁₀开始，下一次重定位以此类推；

步骤6：列车开行的实时过程，利用此回波数据，处理系统即可实时3D拼接成像；

步骤7：在列车一次行程结束后，处理系统的存储模块应记录下所有的3D拼接成像结果；在回查发现的伤损时，若要对其精确定位，可检查到伤损位于GPS区间(S_i,T_i)与(S_i+1,T_i+1)的t_ij～t_i(j+1)时间之间；根据时间区间，确定伤损的大致空间位置为S＝S_i+L·j与S＝S_i+L(j+1)之间；位于两个GPS区间的情况则处理方法相同；确定大致位置之后，从而再进行更为细致的人工检查。

5.用于权利要求1所述的基于距离自适应的3D拼接可视化的超声波钢轨探伤方法的装置，其特征在于包括超声波发射与接收探头阵列探测轮、测速器、全球定位装置、处理系统；

所述的超声波发射与接收阵列探测轮滚动于钢轨上，超声波发射与接收阵列探测轮内部为超声波发射与接收探头阵列与超声耦合剂；超声波发射与接收探头阵列中的超声波探头有若干个，为电‐声换能器；列车开动时，超声波发射与接收阵列探测轮在钢轨上滚动，但内部的超声波发射与接收阵列方向则保持不变；在处理系统的控制下，超声波发射探头以确定的脉冲频率发射超声脉冲信号，经钢轨反射后接收回波信号送回给处理系统；

所述的测速器位于列车钢轮处，分为射线发射器与接收器；在列车运行时，测速器实时发送接收器的信号给处理系统，处理系统记录下每个接收器的时间点，经过距离自适应算法后反馈给超声波发射与接收探头阵列，实时控制其发射脉冲的频率，以保证列车速度变化时超声波接收探头接收到等距离间隔的钢轨横截面信号；

所述的全球定位装置搭载于列车上，安装于超声波发射与接收探头正上方；以设定时间间隔记录位置信息与时间信息(S_i,T_i)，并送回给处理系统；

所述的处理系统将超声波发射与接收探头阵列、测速器、全球定位装置三者的数据进行处理，并控制超声波发射探头的发射脉冲频率。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于所述的处理系统自带存储模块，将存储行程过程的所有数据。