CN107560578B - 一种非接触式激光铁路接触网检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种非接触式激光铁路接触网检测装置及方法。该检测装置包括固定壳体、数据处理单元，导电环，调制电路，激光驱动电路，光学系统，接收电路，解调及相位测量电路，转盘、直流电机、陀螺仪和绝对式编码器；该检测装置的检测方法具体是：1)DSP处理电路开始测量工作；2)DSP处理电路通过导电环触发调制电路工作，同时通过触发直流驱动电路开始驱动直流电机工作；3)距离信息以及角度信息的获取；4)通过距离信息以及角度信息进行计算得到铁路接触网的测试结果；5)测试结果对外输出。本发明实现了对铁路接触网中各导线高度、拉出值、导线接近和导线厚度的快速、实时、准确的测量。
Description
技术领域
本发明属于光电测量领域，涉及一种非接触式激光铁路接触网检测装置及方法。
背景技术
随着我国近些年经济的飞速增长，铁路运输交通的运输能力也在不断提升，无论是普通铁路建设和高速铁路建设，都已进入世界前列。但同时，对铁路建设质量的监管需要进一步加强，对各个环节的检测能力需要更高的要求。
接触网是铁路沿线上空架设备向电力机车供电的输电线路，电气化机车(包含高速电气化机车)运行时需要的电流全部依赖于接触网。接触网是铁路系统的重要组成部分，也是铁路电气工程的主架构。因此，在铁路建设过程中和日常运行维护中，需要对接触网进行准确有效的检测，包括导线高度、拉出值、导线接近距离、导线厚度等关键指标。国内外对接触网的检测技术研究也在不断更新，就目前阶段，主要有多功能接触网检测车、成像法和多点激光偏移量等方法，这些方法有着各自的一些特点：
(1)多功能接触网检测车
以瑞士OPTIMESS多功能检测车为例，该检测车近似于一个完整的车头，在车头的顶部装有激光扫描测量装置，扫描角度为60°-270°；在机车底部装有2纬激光传感器，可在动态运行检测时提供车身补偿数据；系统检测点间距为0.3-0.4m，系统测量精度为3mm。该多功能检测车的检测精度较高，但售价非常昂贵，大量采购比较困难。
(2)成像法
因为需要测量线缆距离车顶或者轨面的垂直距离，有人提出了应用双目视觉3D成像法来完成对接触网的测量。该方法需要使用两个成像器件，并提前标定好两个成像器件的光轴夹角，两个成像器件同时对目标成像，利用三角形测距法得到目标的深度信息(即距离)。但这种方法有一定的局限性，首先是距离和分辨率的关系，在一定的距离内，由于成像探测器的分辨率较高，因此能够得到较高的分辨率，但是随着距离的加大，分辨率会逐渐降低；其次，两片探测器的夹角需要预先精确标定，否则会引起严重误差；另外，该仪器一般需要该仪器竖直朝上对空拍摄测量，在白天户外使用时较强的背景阳光会引起探测器的饱和，严重时会烧毁成像器件靶面。
(3)多点激光偏移量法
在专利(申请公布号为CN 104019741 A)提出了一种激光器与四象限光电池板结合应用的接触网检测装置和方法。该方法中心原理是激光固定在接触网支架上，四象限光电池板固定在接触网导线上，当接触网导线未发生偏移时，激光光斑位于四象限光电池板的中心，当接触网导线发生偏移时，根据激光光斑在四象限光电池板的偏移量可计算出导线的偏移程度。该方法简单易行，但只能在固定位置测量接触网导线偏移，当需要对某一段铁路进行检测时，需要大量布点测量；其次，由于激光器和四象限光电池板均为固定状态，实际有效测量范围为四象限光电池板探测靶面的最大尺寸，当导线偏移已经超出此范围时，将无法测量；另外，测量内容单一，仅能测量导线是否偏移，无法完成导线高度、导线接近和导线厚度等关键指标。
发明内容
为了解决技术背景中现有技术产品所存在不足和局限性，实现了对铁路(含高速铁路)接触网中各导线高度、拉出值、导线接近和导线厚度的快速、实时、准确的测量，本发明提出了一种基于线阵扫描式相位激光测距法与陀螺仪相结合对铁路(含高速铁路)接触网参数进行检测的装置及方法。
本发明采用的技术解决方案如下：
本发明提供了一种非接触式激光铁路接触网检测装置，包括固定壳体、数据处理单元，导电环，调制电路，激光驱动电路，光学系统，接收电路，解调及相位测量电路，转盘、直流电机、陀螺仪和绝对式编码器；
其中，调制电路、激光驱动电路、光学系统、接收电路、解调及相位测量电路以及半导体激光管均安装在转盘的上方；
导电环与调制电路连接，调制电路通过激光驱动电路驱动半导体激光管发射出射激光，出射激光经过光学系统向铁路接触网发射；铁路接触网的反射光通过光学系统后会聚于接收电路，接收电路在将光信号转换为电信号传输至解调及相位测量电路；解调及相位测量电路通过导电环与数据处理单元电连接；
转盘与导电环的转子同轴安装，且导电环位于转盘的下方；导电环的定子与固定壳体连接固定；直流电机的定子与固定壳体连接固定，直流电机的转子穿过导电环与转盘的中心轴连接固定；绝对式编码器的定子与直流电机的定子固定连接，其转子与直流电机的转子同轴连接；
直流电机、导电环、陀螺仪和绝对式编码器均与数据处理单元电连接；
导电环、数据处理单元、直流电机、陀螺仪和绝对式编码器均位于固定壳体内。
具体的说，数据处理单元包括DSP处理电路、数据输出电路以及直流驱动电路；
其中，DSP处理电路分别与数据输出电路以及直流驱动电路电连接；
DSP处理电路分别用于控制直流驱动电路、调制电路；
数据输出电路用于接收外部指令后触发DSP处理电路工作以及向外部输出检测数据；
直流驱动电路用于控制直流电机工作。
具体的说，接收电路包括光电探测器、光电转换电路以及前置放大电路；
光电探测器用于接收铁路接触网反射的光信号；
光电转换电路用于将光信号转换为电压信号；
前置放大电路用于将微弱的电压信号进行放大；
光电转换电路中的转换信号路数与光电探测器中的像元数一致。
具体的说，光电探测器为线阵APD探测器,在光学系统的配合下能够实现10m物距单元像素分辨率为17.5mm。
具体的说，光学系统为普通球面镜，焦距≤50mm、视场角≤20度，镜面镀有红外增透膜。
具体的说，所述半导体激光管的激光波段为850nm。
进一步的，所述固定壳体的下方安装有移动小车。
优化的是，所述数据输出电路的输出端口采用LAN接口输出，最大传输速率为1000Mbps。
优化的是，该装置还包括安装在固定壳体上部用于保护调制电路、激光驱动电路、光学系统、接收电路、解调及相位测量电路、半导体激光管以及转盘的保护罩。
基于上述对非接触式激光铁路接触网检测装置的结构描述，现对其检测方法进行一下描述，该方法包括以下步骤：
1)DSP处理电路在接收到数据输出电路输入的外部测量指令开始测量工作；
2)DSP处理电路通过导电环触发调制电路工作，同时通过触发直流驱动电路开始驱动直流电机工作；
3)距离信息以及角度信息的获取；
A)计算距离信息；
A1)调制电路产生调制信号分别将其发送给激光驱动电路作为半导体激光管的触发信号，并同时将该信号送给解调及相位测量电路作为参考信号；
A2)半导体激光管发射与调制信号一致的连续的出射激光，半导体激光管位于光学系统的焦面位置；连续的出射激光经过光学系统后向接触网，接触网的每一路导线均对出射激光进行反射，每一路导线的反射光经过光学系统后会聚接收电路的光电探测器靶面上，接收电路将每一路微弱的反射光信号转换成与之对应的电压信号并发送至解调及相位测量电路；
A3)解调及相位测量电路将接收到的多路电压信号各自同时与本振信号混频，得到多路接收差频信号；解调及相位测量电路将调制电路产生的参考信号与本振信号混频得到发射差频信号；再将接收差频信号与发射差频信号做相位检测，得到多路相位差，并将这些差值送给DSP处理电路；
A4)DSP处理电路根据多路相位差值，计算出接触网的每一路导线与装置的距离信息；
B)获取角度信息；
绝对式编码器的获取转盘的角度数据；陀螺仪提供检测装置的姿态偏航信息；
4)DSP处理电路根据根据绝对式编码器的角度数据和陀螺仪提供的姿态偏航信息对当前检测装置的测量法线进行修正和补偿；再将每路导线的距离信息与角度信息进行融合和处理，建立多种三角形数学模型，可计算出被测接触网各导线距测量面的高度信息、导线拉出值、各导线的接近值和导线厚度值；
5)数据输出电路将DSP处理电路的测试结果对外输出。本发明的优点在于：
1、本发明基于线阵扫描式相位激光测距法与陀螺仪相结合，分别考虑了测量时的距离信息和角度信息，实现了铁路(含高速铁路)接触网参数的方便、快捷、高效、高精度的测量。
2、本发明采用相位激光测距扫描法测量距离信息，准直性好，精度高。
3、本发明带有绝对式编码器，设备自身扫描范围为0-360°，用户可根据应用需求，自行调整有效数据探测角度范围，角度分辨率为0.025°。
4、本发明带有陀螺仪，能够对当前设备自身的姿态进行测量，并将设备的偏航信息用于距离和角度测量数据的修正，使得测量结果更加真实、准确、有效。
5、本发明采用线阵APD光电传感器，扫描视场范围大，分辨率高。
6、本发明的半导体激光管采用850nm激光，可避免可见光的干扰，使得设备在白天和黑夜都能使用；
7、本发明在10m物距内垂直方向(即导线高度、导线厚度测量)精度为±1mm；水平方向测量(即拉出值测量、导线接近测量)精度为17.5mm，优于目前市面所见其它设备；
8、本发明无须在铁路沿线额外安装其它任何辅助设备，使用方便、快捷.
9、本发明可独立使用，也可架设在机车或者轨道形式设备上实现对铁路沿线接触网的连续测量；
10、本发明可快速测量出接触网的导线高度、拉出值、导线接近和导线高度，测量内容丰富；
11、本发明体积小巧，成本低廉，可大面积推广普及；
12、本发明采用LAN接口输出，最大传输速率为1000Mbps，数据量大，信息丰富，抗干扰能力强，传输距离远。
附图说明
图1为本发明的结构简图。
图2为图1的A部简图；
图3为数据处理单元的组成框图；
图4为检测装置工作时的简图。
附图标记如下：
1-DSP处理电路、2-导电环、3-调制电路、4-激光驱动电路、5-光学系统、6-接收电路、7-解调及相位测量电路、8-转盘、9-直流驱动电路、10-直流电机、11-绝对式编码器、12-陀螺仪、13-数据输出电路、14-固定壳体、15-数据处理单元、16-保护罩。
具体实施方式
下面通过一个实施例对本发明进行介绍：
如图1和图2所示，本发明的检测装置由固定壳体14，数据处理单元15、导电环2，调制电路3，激光驱动电路4，光学系统5，接收电路6，解调及相位测量电路7，转盘8，直流电机10，绝对式编码器11，陀螺仪12组成。
其中，调制电路3、激光驱动电路4、光学系统5、接收电路6、解调及相位测量电路7以及半导体激光管均安装在转盘8的上方且位于固定壳体14的上半部分；
导电环2与调制电路3电连接，调制电路3通过激光驱动电路4驱动半导体激光管发射出射激光，出射激光经过光学系统5向铁路接触网发射；铁路接触网的反射光通过光学系统5后会聚于接收电路6，接收电路6在将光信号转换为电信号传输至解调及相位测量电路7；解调及相位测量电路7通过导电环2与数据处理单元15电连接；
需要说明的是：接收电路包括光电探测器、光电转换电路以及前置放大电路；光电探测器用于接收铁路接触网反射的光信号；光电转换电路用于将光信号转换为电压信号；前置放大电路用于将微弱的电压信号进行放大；光电转换电路中的转换信号路数与光电探测器中的像元数一致。
转盘8与导电环2的转子同轴安装，且导电环2位于转盘8的下方；导电环2的定子与固定壳体14连接固定；直流电机10的定子与固定壳体14连接固定，直流电机10的转子穿过导电环2与转盘8的中心轴连接固定；绝对式编码器11的定子与直流电机10的定子固定连接；
直流电机10、导电环2、陀螺仪12和绝对式编码器11均与数据处理单元电连接；
导电环2、数据处理单元15、直流电机10、陀螺仪12和绝对式编码器11均位于固定壳体14的下半部分。
具体来说，如图3所示，数据处理单元15包括DSP处理电路1、数据输出电路13以及直流驱动电路9；
其中，DSP处理电路1分别与数据输出电路13以及直流驱动电路9电连接；
DSP处理电路1分别用于控制直流驱动电路9、调制电路3；
数据输出电路13用于接收外部指令后触发DSP处理电路1工作以及向外部输出检测数据；
直流驱动电路9用于控制直流电机10工作。
该装置中使用的光学系统为普通球面镜，焦距≤50mm、视场角≤20度，镜面镀有红外增透膜。
通过上述对检测装置结构的描述，现对采用该装置的检测方法进行一下描述，具体步骤如下：
步骤1)数据输出电路13在接收到外部测量指令后触发DSP处理电路1开始测量；
步骤2)DSP处理电路1通过导电环2触发调制电路3工作，同时触发直流驱动电路9开始工作；
步骤3)计算距离信息和角度信息；
A、距离信息的计算；
A1)调制电路3产生调制信号并将该信号送给解调及相位测量电路7作为参考信号；
A2)激光驱动电路4根据调制电路3产生的调制信号驱动半导体激光管发射与调制信号一致的连续激光，半导体激光管位于光学系统5的焦面位置，激光波段为850nm；
A3)激光经过光学系统5后向空间发射出去，视场角为10°；
A4)回光信号经过光学系统5后会聚在位于接收电路6上的光电探测器靶面上，探测器为线阵APD探测器,10m物距单元像素分辨率17.5mm；
A5)接收电路6经过光电转换和前置放大电路后，将微弱的光信号转换成信号较强的电压信号，转换信号路数与接收电路6上的探测器像元数一致；
A6)解调及相位测量电路7将多路接收信号各自同时与本振信号混频，得到多路接收差频信号；解调及相位测量电路7将调制电路3产生的参考信号与本振信号混频得到发射差频信号；再将接收差频信号与发射差频信号做相位检测，得到多路相位差，并将这些差值送给DSP处理电路1；
A7)DSP处理电路1根据多路相位差值，计算出每一路的距离信息；
B、角度信息的获取
B1)直流驱动电路9以电流闭环形式驱动直流电机10匀速转动，从而带动转盘8转动，位于转盘8上的调制电路3、驱动电路4、光学系统5、接收电路6和解调及相位测量电路7随之转动，从而实现了扫描，扫描区域为0-360°；
B2)绝对式编码器11在转盘转动时输出绝对角度信息数据，该数据传输给DSP处理电路1；
B3)陀螺仪12将设备目前的姿态偏航信息传输给DSP处理电路1；
步骤4)DSP处理电路1首先根据绝对式编码器11的角度数据和陀螺仪提供的姿态偏航信息对当前设备的测量法线进行修正和补偿；然后将每路的距离信息与修正后的角度信息进行融合和处理，可计算出被测接触网各导线距测量面的高度信息、导线拉出值、各导线的接近值和导线厚度值，垂直方向测量精度为±1mm，水平方向测量精度为17.5mm，角度分辨率为0.025°；
该步骤的基本测量原理如图4所示，其中Ae为陀螺仪测量得到的检测装置绝对零位相对于大地零位的偏航角度、L1—L4为本发明检测装置中心距接触网各部分的绝对距离、A1—A4为测量得到L1—L4时各自对应的绝对式编码器的角度值，基本运算如下：
1、将Ae与绝对式编码器角度数据A1-A4进行修正，得到A11、A21、A31、A41；
2、导线高度：H1＝L2×cos(A21)；
3、导线厚度：d＝H2-H1＝L3×cos(A21)-L4×cos(A41)；
4、导线接近值：D＝L3×sin(A21)+L3×sin(A31)；
5、导线拉出值2：S2＝L1×sin(A11)-L2×sin(A21)；
6、导线拉出值1：S 1＝S2+D；
步骤5)数据输出电路13将DSP处理电路1的测试结果以千兆LAN接口对外输出；
当需要沿铁路进行连续测量时，可将该设备架设在轨道车或机车上，即可实现连续检测。
为了防止恶劣天气以及落物等对检测装置的损坏，该检测装置还包括安装在固定壳体上部用于保护调制电路、激光驱动电路、光学系统、接收电路、解调及相位测量电路、半导体激光管以及转盘的保护罩。
Claims (10)
1.一种非接触式激光铁路接触网检测装置，其特征在于：
包括固定壳体、数据处理单元，导电环，调制电路，激光驱动电路，光学系统，接收电路，解调及相位测量电路，转盘、直流电机、陀螺仪和绝对式编码器；
其中，调制电路、激光驱动电路、光学系统、接收电路、解调及相位测量电路以及半导体激光管均安装在转盘的上方；
导电环与调制电路连接，调制电路通过激光驱动电路驱动半导体激光管发射出射激光，出射激光经过光学系统向铁路接触网发射；铁路接触网的反射光通过光学系统后会聚于接收电路，接收电路将光信号转换为电信号传输至解调及相位测量电路；解调及相位测量电路通过导电环与数据处理单元电连接；
转盘与导电环的转子同轴安装，且导电环位于转盘的下方；导电环的定子与固定壳体连接固定；直流电机的定子与固定壳体连接固定，直流电机的转子穿过导电环与转盘的中心轴连接固定；绝对式编码器的定子与直流电机的定子固定连接，其转子与直流电机的转子同轴连接；
直流电机、导电环、陀螺仪和绝对式编码器均与数据处理单元电连接；
导电环、数据处理单元、直流电机、陀螺仪和绝对式编码器均位于固定壳体内。
2.根据权利要求1所述的非接触式激光铁路接触网检测装置，其特征在于：所述数据处理单元包括DSP处理电路、数据输出电路以及直流驱动电路；
其中，DSP处理电路分别与数据输出电路以及直流驱动电路电连接；
DSP处理电路分别用于控制直流驱动电路、调制电路；
数据输出电路用于接收外部指令后触发DSP处理电路工作以及向外部输出检测数据；
直流驱动电路用于控制直流电机工作。
3.根据权利要求2所述的非接触式激光铁路接触网检测装置，其特征在于：所述接收电路包括光电探测器、光电转换电路以及前置放大电路；
光电探测器用于接收铁路接触网反射的光信号；
光电转换电路用于将光信号转换为电压信号；
前置放大电路用于将微弱的电压信号进行放大；
光电转换电路中的转换信号路数与光电探测器中的像元数一致。
4.根据权利要求3所述的非接触式激光铁路接触网检测装置，其特征在于：所述光电探测器为线阵APD探测器, 在光学系统的配合下能够实现10m物距单元像素分辨率为17.5mm。
5.根据权利要求4所述的非接触式激光铁路接触网检测装置，其特征在于：所述光学系统为普通球面镜，焦距≤50mm、视场角≤20度，镜面镀有红外增透膜。
6.根据权利要求5所述的非接触式激光铁路接触网检测装置，其特征在于：所述半导体激光管的激光波段为850nm。
7.根据权利要求6所述的非接触式激光铁路接触网检测装置，其特征在于：所述固定壳体的下方安装有移动小车。
8.根据权利要求7所述的非接触式激光铁路接触网检测装置，其特征在于：所述数据输出电路的输出端口采用LAN接口输出，最大传输速率为1000Mbps。
9.根据权利要求8所述的非接触式激光铁路接触网检测装置，其特征在于：还包括安装在固定壳体上部用于保护调制电路、激光驱动电路、光学系统、接收电路、解调及相位测量电路、半导体激光管以及转盘的保护罩。
10.基于权利要求9所述的非接触式激光铁路接触网检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）DSP处理电路在接收到数据输出电路输入的外部测量指令开始测量工作；
2）DSP处理电路通过导电环触发调制电路工作，同时通过触发直流驱动电路开始驱动直流电机工作；
3）距离信息以及角度信息的获取；
A）计算距离信息；
A1）调制电路产生调制信号分别将其发送给激光驱动电路作为半导体激光管的触发信号，并同时将该信号送给解调及相位测量电路作为参考信号；
A2）半导体激光管发射与调制信号一致的连续的出射激光，半导体激光管位于光学系统的焦面位置；连续的出射激光经过光学系统后向接触网，接触网的每一路导线均对出射激光进行反射，每一路导线的反射光经过光学系统后会聚接收电路的光电探测器靶面上，接收电路将每一路微弱的反射光信号转换成与之对应的电压信号并发送至解调及相位测量电路；
A3）解调及相位测量电路将接收到的多路电压信号各自同时与本振信号混频，得到多路接收差频信号；解调及相位测量电路将调制电路产生的参考信号与本振信号混频得到发射差频信号；再将接收差频信号与发射差频信号做相位检测，得到多路相位差，并将这些差值送给DSP处理电路；
A4）DSP处理电路根据多路相位差值，计算出接触网的每一路导线与装置的距离信息；
B）获取角度信息；
绝对式编码器的获取转盘的角度数据；陀螺仪提供检测装置的姿态偏航信息；
4）DSP处理电路根据根据绝对式编码器的角度数据和陀螺仪提供的姿态偏航信息对当前检测装置的测量法线进行修正和补偿；再将每路导线的距离信息与角度信息进行融合和处理，建立多种三角形数学模型，可计算出被测接触网各导线距测量面的高度信息、导线拉出值、各导线的接近值和导线厚度值；
5）数据输出电路将DSP处理电路的测试结果对外输出。
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