CN108225220B - 快速的高精度轨道静态不平顺特性测量系统与分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种快速的高精度轨道静态不平顺特性测量系统及分析方法，三维光学显微测量系统、载物车运动控制器和电源安装于载物车上，载物车安装于待测轨道上；电源连接三维光学显微测量系统、三维光学显微测量系统存储器和载物车运动控制器，用于向三维光学显微测量系统、三维光学显微测量系统存储器和载物车运动控制器供电。本发明通过光学系统对火箭橇试验轨道进行静态不平顺测量，测量前确定测量模式使测量装置在测量过程中自动运行，不需要人工测量，大大降低了人工成本。在对测量数据的处理过程中，通过对高维数组展开主要特征提取，可反映测点范围内的多点主要特征，而不仅仅是通过千分尺测量得到的单点结果。

Description

快速的高精度轨道静态不平顺特性测量系统与分析方法

技术领域

本发明涉及高超声速火箭橇高精度轨道测量领域，特别涉及一种沿轨道方向及水平方向静态不平顺谱的测量系统及与分析方法。

背景技术

火箭橇试验轨道系统是平直无砟无缝的轨道，与常规列车铁路轨道相比，该类轨道平直精度高，其上运行橇体速度极高(亚音速到10Ma甚至更高)、载重变化快。火箭橇试验轨道虽然平直精度很高，但仍然存在轨道静态不平顺，火箭橇运行过程中，其轨道随机不平顺将直接影响火箭橇运行的稳定性。

轨道不平顺按检测方式可分为静态不平顺和动态不平顺，其中静态不平顺指在没有靴轨作用下的轨道不平顺检测，而动态不平顺指存在靴轨作用下的轨道不平顺检测。火箭橇试验轨道表面的“粗糙度(Roughness)”主要影响靴轨之间摩擦力的大小，进而影响两者间产生的热量、轨道磨损程度及使用寿命；另外，根据研究，当轨道在安装调整点处的位置误差与理论直线在±0.2mm时，火箭橇运行过程受到的振动载荷将增大30％。目前国内外针对火箭橇试验轨道不平顺的研究较少。国内仅仅针对轨道的设计与建造、轨道直线度测量及评估进行了简单的研究；而国外针对轨道的安装进行研究，并通过千分尺等工具对轨道顶部、侧面及底部三个测量位置的“粗糙度”进行数据测量并展开频域处理。目前针对高精度轨道静态不平顺特性的相关研究也是通过采用上述测量数据展开分析。上述有关火箭橇试验轨道不平顺的分析过程仅针对美国霍洛曼高速测试轨道(Holloman High SpeedTest Track)，而顶部、侧面及底部的测量数据均为一维数据组，而靴轨接触并不是点接触；且上述数据仅为一次测量结果，火箭橇运行前后由于滑靴对轨道产生的磨损，轨道表面不平顺会发生一定变化，而采用千分尺等工具测量过程慢。

发明内容

本发明的目的在于提供一种快速的高精度轨道静态不平顺特性测量系统与分析方法，以解决上述现有技术通过千分尺进行测量过程太慢的问题。

本发明针对关心轨道段，通过设计的光学系统测量装置对该段轨道进行轨道静态不平顺测量，对测量的高维数据组通过特征提取，实现了对高维不平顺数据组的轨道静态不平顺特征分析。该方法具有测量速度快、调试容易、鲁棒性强、可靠易用等特点，可反映出整个轨道表面的不平顺特性。

为达到以上目的，本发明是采用如下技术方案予以实现：

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

一种快速的高精度轨道静态不平顺特性测量系统，包括三维光学显微测量系统、载物车、载物车运动控制器和电源；三维光学显微测量系统、载物车运动控制器和电源安装于载物车上，载物车安装于待测轨道上；电源连接三维光学显微测量系统、三维光学显微测量系统存储器和载物车运动控制器，用于向三维光学显微测量系统、三维光学显微测量系统存储器和载物车运动控制器供电；三维光学显微测量系统连接三维光学显微测量系统存储器，三维光学显微测量系统存储器用于存储三维光学显微测量系统采集数据；载物车运动控制器用于控制载物车的运动。定义轨道平面为XY平面，载物车沿轨道运动方向为Y向，与轨道平面垂直且向上的方向为Z向，X、Y、Z方向符合右手法则。

进一步的，三维光学显微测量系统包括激光光源、第一半透半反镜、XY扫描系统、第二半透半反镜、第三半透半反镜、镜头、聚光镜、针孔和光接收元件；三维光学显微测量系统工作时，从激光光源发出的激光依次通过第一半透半反镜、XY扫描系统、第二半透半反镜、第三半透半反镜和镜头聚光在待测轨道的测点处；测点处的反射光依次通过镜头、第三半透半反镜、第二半透半反镜、XY扫描系统、第一半透半反镜、聚光镜和针孔到达光接收元件。

进一步的，聚光后的点光源通过XY扫描系统进行扫描，扫描同时记录X、Y位置数据，扫描精度为1600×1200。

进一步的，镜头在垂直于待测轨道的Z轴方向运动，通过光接收元件接收测点处对焦位置的反射光量的信息，将反射光量最高的点确定为焦点；将对焦位置信息与Z轴方向重叠得到对焦位置处Z方向数据。

进一步的，其特征在于，还包括激光水准仪系统；三维光学显微测量系统在测量过程中相对基准的位置由激光水准仪系统确定；激光水准仪系统中配有光电接收靶的水准尺固定在三维光学显微测量系统上，当三维光学显微测量系统工作时记录激光水准仪系统测量数据。

快速的高精度轨道静态不平顺特性测量系统所采集数据的分析方法，包括：

待测轨道上每个测点i处，三维光学显微测量系统测量的焦点位置处的Z数据存储为D_i，激光水准仪系统测量的镜头工作时的Z方向位置为l_i；

将测量数据D_i与l_i叠加，获得矩阵A_i；矩阵A_i的每一列为该测点处沿轨道水平方向轨道不平顺的一个特征，每一行为该测点处沿轨道水平方向轨道不平顺的一个样本；为得到测点处沿轨道水平方向，即X方向轨道不平顺特征，首先计算每个测点矩阵A_i的特征自相关矩阵R_i：

R_i＝A_i×A_i' (1)

对矩阵R_i进行特征分解，得到对应单位化的特征向量υ_i,j及特征值λ_i,j，其中i为测点，j为第j阶对应的特征；最大特征值λ_i对应的特征向量υ_i是最能反映矩阵特征的坐标；

R_iυ_i＝λ_iυ_i (2)

将通过笛卡尔坐标表示的矩阵A_i映射到坐标υ_i得到向量即最大反映出A_i的特征；

因此，是最能反映测点i处水平方向轨道静态不平顺特征的向量。

将计算得到的每个测点对应的特征向量按顺序存储于C矩阵中，假设沿轨道方向共n个测点，则C为1200*n矩阵；矩阵C的每一列为沿轨道方向轨道不平顺的特征，每一行为沿轨道方向轨道不平顺的一个样本；为得到沿轨道方向轨道静态不平顺特征，计算矩阵C的特征自相关矩阵R₂：

R₂＝C×C′ (4)

并进行特征分解，得到对应单位化的特征向量δ_j及特征值η_j；取最大特征值η对应的特征向量δ为沿轨道方向轨道静态不平顺主要特征坐标；

R₂δ＝ηδ (5)

将矩阵C映射到坐标δ上，计算得到对应的向量即为最能反映沿轨道方向静态不平顺特征φ；

φ＝C′δ (6)

对φ进行频域分析，即为轨道的静态不平顺谱。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明通过光学系统对火箭橇试验轨道进行静态不平顺测量，测量前确定测量模式使测量装置在测量过程中自动运行，不需要人工测量，大大降低了人工成本。在对测量数据的处理过程中，通过对高维数组展开主要特征提取，可反映测点范围内的多点主要特征，而不仅仅是通过千分尺测量得到的单点结果。根据该方法得到的不平顺可为橇体的设计及轨道的养护维修提供支撑。

附图说明

图1为火箭橇试验轨道静态不平顺特性研究示意图；

图2为轨道测点位置截面图；

图3为沿轨道方向测点位置图；

图4为三维光学显微系统工作原理示意图；

图5为火箭橇试验轨道静态不平顺主要特征分析流程图；

图6为沿轨道方向轨道静态不平顺主要分布特征图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

请参阅图1所示，本发明一种快速的高精度轨道静态不平顺特性测量系统，包括：三维光学显微测量系统1、激光水准仪系统2、载物车3、载物车运动控制器4和电源5。三维光学显微测量系统1、载物车运动控制器4和电源5安装于载物车3上，载物车3安装于待测轨道100上；电源5连接三维光学显微测量系统1、三维光学显微测量系统存储器10和载物车运动控制器4，用于向三维光学显微测量系统1、三维光学显微测量系统存储器10和载物车运动控制器4供电；三维光学显微测量系统1连接三维光学显微测量系统存储器10，三维光学显微测量系统存储器10用于存储三维光学显微测量系统1采集数据；载物车运动控制器4用于控制载物车3的运动。

其中，设备安装完成后，对载物车运动控制器4进行路线设定，根据不平顺测量位置及测量时间确定载物车运动轨迹。当测量系统到达轨道不平顺测量位置处时，载物车3停止运动，三维光学显微测量系统1开始工作，对测点位置表面进行三维数据测量。

三维光学显微测量系统1包括激光光源11、第一半透半反镜12、XY扫描系统13、第二半透半反镜14、第三半透半反镜15、镜头16、聚光镜17、针孔18和光接收元件19。

三维光学显微测量系统1工作时，从激光光源1发出的激光依次通过第一半透半反镜12、XY扫描系统13、第二半透半反镜14、第三半透半反镜15和镜头16聚光在轨道100测点处，聚光后的点光源通过XY扫描系统进行扫描，扫描同时记录X、Y位置数据，扫描精度为1600×1200；测点处的反射光依次通过镜头16、第三半透半反镜15、第二半透半反镜14、XY扫描系统13、第一半透半反镜12、聚光镜17和针孔18到达光接收元件19。镜头16在垂直于待测轨道100的Z轴方向运动，通过光接收元件19接收测点处对焦位置的反射光量的信息，将反射光量最高的点确定为焦点；将对焦位置信息与Z轴方向重叠得到对焦位置处Z方向数据。

三维光学显微测量系统1在测量过程中相对基准的位置由激光水准仪系统2确定。激光水准仪系统2中配有光电接收靶的水准尺21固定在三维光学显微测量系统1结构上，当三维光学显微测量系统工1作时记录激光水准仪系统2测量数据。通过该测量系统测量的不平顺数据为三维光学显微测量系统1及激光水准仪系统2测量数据之和，该测量数据为高维数据组。

针对测量得到的不平顺高维数据组展开特征提取的步骤如下：

根据光学系统对轨道每个测量点进行静态不平顺数据采集，每个测点处的数据集均为1600×1200的高维数组。由于测量点处的1600×1200个高低不平顺数据是试验环境、滑靴摩擦因素共同造成的结果，因此，该测点处各数据具有一定的相关性。而若要得到轨道整个测量段的轨道谱特征，需要将每个测点处的测量结果进行水平方向上的特征提取，将提取的特征进行整理，再通过水平方向上轨道的不平顺特征计算得到沿轨道方向测量段的轨道谱特征。

将本发明一种快速的高精度轨道静态不平顺特性测量系统对测点i测量数据组记为A_i，其中1200表示轨道水平数据，1600表示沿轨道方向数据。由于系统测量范围很小，约为1.1×1.5cm，因此认为该范围内的测量数据反映出该测点范围中心点的特征。

测点i处，矩阵A_i的每一行为该测点处轨道不平顺的一个样本，因此沿轨道方向每个测点共有1600个样本；而每个沿轨道水平方向的数据表示一个测量维度，因此每个测点均有1200维数据。计算每个测点矩阵A_i的特征自相关矩阵R_i，该矩阵关于主对角线对称，表明了不同维度之间的相关性。

R_i＝A_i×A_i' (1)

对矩阵R_i进行特征分解，得到对应单位化的特征向量υ_i,j(1600*1)及特征值λ_i,j，其中i为测点，j为第j阶对应的特征；其中，最大特征值λ_i对应的特征向量υ_i是最能反映矩阵特征的坐标。

R_iυ_i＝λ_iυ_i (2)

将通过笛卡尔坐标表示的矩阵A_i映射到坐标υ_i得到向量即最大反映出A_i的特征；

因此，是最能反映测点i处水平方向轨道静态不平顺特征的向量。

将计算得到的每个测点对应的特征向量按顺序存储于C矩阵中，假设沿轨道方向共n个测点，则C为1200*n矩阵；为得到沿轨道方向轨道静态不平顺特征，计算矩阵C的特征自相关矩阵R₂(1200*1200)：

R₂＝C×C′ (4)

并进行特征分解，得到对应单位化的特征向量δ_j(1200*1)及特征值η_j；取最大特征值η对应的特征向量δ(1200*1)为沿轨道方向轨道静态不平顺主要特征坐标；

R₂δ＝ηδ (5)

将矩阵C映射到坐标δ上，计算得到对应的向量即为最能反映沿轨道方向静态不平顺特征φ(n*1)。

φ＝C′δ (6)

对φ进行频域分析，即为轨道的静态不平顺谱。

参考图1，对轨道静态不平顺特征研究过程进行具体说明。测点分布见图2、图3所示。

由于试验条件的限制，根据需要，对轨道分段进行测量。沿轨道方向测量长度L＝30m，测点间距d＝0.01m。

安装设备，根据上述测点位置，向载物车运动控制器中输入载物车运动轨迹，设定车辆运行速度为2cm/s，每隔5s载物车停止运动5s，5s内光学系统开展轨道测点位置处不平顺的测量工作。

虽然火箭橇试验轨道存在不平顺，但其不平顺的高低范围很小，在三维光学显微系统聚焦范围内，因此系统中镜头的位置可不进行调节而通过激光水准仪系统确定其相对基准的位置。当测量装置到达第i个测点位置处，在光学系统中的三维光学显微系统展开工作前，由于激光水准仪系统中带有光电接收靶的水准尺固定在三维光学显微系统中的镜头位置，因此通过激光水准仪读取并记录镜头工作时的Z方向位置l_i。

记录三维光学显微系统中镜头的位置后，使三维光学显微系统开展工作。其工作原理见图4。本发明一种快速的高精度轨道静态不平顺特性测量系统的工作流程如下：

1)激光光源11发射出极短波形激波通过第一半透半反镜12；

2)通过半第一透半反镜12后的光线通过XY扫描系统13再通过第二半透半反镜14、第三半透半反镜15及镜头16到达轨道测点；

3)光线在轨道测点位置反射，再次经过镜头16、第三半透半反镜15、第二半透半反镜14到达XY扫描系统13；

4)通过XY扫描系统13的反射光线在第一半透半反镜12的作用下到达聚光镜17，将光线汇聚，汇聚后的光线通过针孔18将反射光传至光接收元件19(光电倍增管)；

5)光接收元件19接受通过针孔18的光信号并转变为电信号传输至三维光学显微测量系统存储器10，三维光学显微测量系统存储器10连接计算机，通过计算机可以确定光接收元件接收的反射能量，并将能量最大位置确定为测量点的焦点位置；

6)将测点位置处焦点位置处的Z向数据存储为D_i。

将上述每个测点i处的测量数据D_i与l_i叠加，获得数组A_i，数据得到后其处理过程见图5，具体操作过程如下：

1)计算A_i的特征自相关矩阵R_i，对R_i进行特征分解，将矩阵A_i映射在最大特征值λ_i对应的特征向量v_i上，得到向量并记录在矩阵C；

2)计算C的特征自相关矩阵R₂，对R₂进行特征分解，提取最大特征值η对应的特征向量δ,将矩阵C映射到特征向量δ上，得到向量φ；

3)对φ进行谱分析，得到沿轨道方向的高精度轨道不平顺谱。

沿轨道方向的30m长火箭橇试验轨道的不平顺结果见图6。本实例中轨道的测点位置在轨道上表面中心位置处，见图2。该方法同样可在轨道表面其余位置处进行测量分析及沿轨道水平方向上轨道不平顺分析。

Claims (4)

1.快速的高精度轨道静态不平顺特性测量系统所采集数据的分析方法，其特征在于，所述快速的高精度轨道静态不平顺特性测量系统，包括三维光学显微测量系统(1)、载物车(3)、载物车运动控制器(4)和电源(5)；三维光学显微测量系统(1)、载物车运动控制器(4)和电源(5)安装于载物车(3)上，载物车(3)安装于待测轨道(100)上；电源(5)连接三维光学显微测量系统(1)、三维光学显微测量系统存储器(10)和载物车运动控制器(4)，用于向三维光学显微测量系统(1)、三维光学显微测量系统存储器(10)和载物车运动控制器(4)供电；三维光学显微测量系统(1)连接三维光学显微测量系统存储器(10)，三维光学显微测量系统存储器(10)用于存储三维光学显微测量系统(1)采集数据；载物车运动控制器(4)用于控制载物车(3)的运动；所述快速的高精度轨道静态不平顺特性测量系统还包括激光水准仪系统(2)；三维光学显微测量系统在测量过程中相对基准的位置由激光水准仪系统(2)确定；激光水准仪系统(2)中配有光电接收靶的水准尺(21)固定在三维光学显微测量系统(1)上，当三维光学显微测量系统(1)工作时记录激光水准仪系统(2)测量数据；

所述分析方法包括：

待测轨道上等间隔确定n个测点，每个测点i处，三维光学显微测量系统(1)测量的焦点位置处的Z向数据存储为D_i，激光水准仪系统(2)测量的镜头工作时的Z方向位置为l_i；

将测量数据D_i与l_i叠加，获得矩阵A_i；矩阵A_i的每一列为该测点处沿轨道水平方向轨道不平顺的一个特征，每一行为该测点处沿轨道水平方向轨道不平顺的一个样本；为得到测点处沿轨道水平方向，即X方向轨道不平顺特征，首先计算每个测点矩阵A_i的特征自相关矩阵R_i：

R_i＝A_i×A_i' (1)

对矩阵R_i进行特征分解，得到对应的特征向量υ_i,j及特征值λ_i,j，其中i为测点，j为第j阶对应的特征；最大特征值λ_i对应的单位化特征向量υ_i是最能反映矩阵特征的坐标；

R_iυ_i＝λ_iυ_i (2)

将通过笛卡尔坐标表示的矩阵A_i映射到坐标υ_i得到向量即最大反映出A_i的特征；

因此，是最能反映测点i处水平方向轨道静态不平顺特征的向量；

将计算得到的每个测点对应的特征向量按顺序存储于C矩阵中；矩阵C的每一列为沿轨道方向轨道不平顺的特征，每一行为沿轨道方向轨道不平顺的一个样本；为得到沿轨道方向轨道静态不平顺特征，计算矩阵C的特征自相关矩阵R₂：

R₂＝C×C′ (4)

并进行特征分解，得到对应单位化的特征向量δ_j及特征值η_j；取最大特征值η对应的特征向量δ为沿轨道方向轨道静态不平顺主要特征坐标；

R₂δ＝ηδ (5)

将矩阵C映射到坐标δ上，计算得到对应的向量即为最能反映沿轨道方向静态不平顺特征φ；

φ＝C′δ (6)

对φ进行频域分析，即为轨道的静态不平顺谱。

2.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，三维光学显微测量系统(1)包括激光光源(11)、第一半透半反镜(12)、XY扫描系统(13)、第二半透半反镜(14)、第三半透半反镜(15)、镜头(16)、聚光镜(17)、针孔(18)和光接收元件(19)；

三维光学显微测量系统(1)工作时，从激光光源(1)发出的激光依次通过第一半透半反镜、XY扫描系统、第二半透半反镜、第三半透半反镜和镜头聚光在待测轨道的测点处；测点处的反射光依次通过镜头、第三半透半反镜、第二半透半反镜、XY扫描系统、第一半透半反镜、聚光镜和针孔到达光接收元件。

3.根据权利要求2所述的分析方法，其特征在于，聚光后的点光源通过XY扫描系统进行扫描，扫描同时记录X、Y位置数据，扫描精度为1600×1200。

4.根据权利要求2所述的分析方法，其特征在于，镜头(16)在垂直于待测轨道的Z轴方向运动，通过光接收元件(19)接收测点处对焦位置的反射光量的信息，将反射光量最高的点确定为焦点；将对焦位置信息与Z轴方向重叠得到对焦位置处Z方向数据。