CN110926383B - 基于毫米波传感器的隧道管片错台检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于毫米波传感器的隧道管片错台检测装置及检测方法。检测装置包括转轴，转轴上安装有第一毫米波雷达测距传感器、第二毫米波雷达测距传感器；第一毫米波雷达测距传感器、第二毫米波雷达测距传感器交替设置；当转轴位于第一转动位置且轨道车辆位于第一管片区段时，K1个第一毫米波雷达测距传感器的天线波束中心分别与该第一管片区段中位于轨道上方的K1个第一接缝对准；当转轴位于第二转动位置且轨道车辆位于第二管片区段时，K2个第二毫米波雷达测距传感器的天线波束中心分别与该第二管片区段中位于轨道上方的K2个第二接缝对准。本发明利用毫米波雷达高精度高分辨率的优势达到精确检测的目的，可实时一次性检测，检测效率高。

Description

基于毫米波传感器的隧道管片错台检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及一种隧道轮廓变形检测系统方法与装置，尤其涉及一种基于智能毫米波雷达的隧道轮廓变形检测系统方法与装置。

背景技术

如图1所示，对于由管片拼接而成的隧道，管片接缝位置经常存在错台问题，因此需要对管片接缝位置进行检测。

对于管片接缝位置的检测，现有技术中一般采用轮廓变形检测的方式，即一般采用三维激光扫描和图像视觉技术，设备成本昂贵；抗干扰性差，获取的图像和点云数据易受隧道恶劣环境干扰，需要人工进行图像和数据的拟合拼接，系统稳定性和鲁棒性欠缺；需要在隧道壁上安装反射标靶，需要大量的人力进行检测，便利性和检测效率欠缺。

发明内容

本发明要解决的问题是针对现有隧道管片接缝位置检测中三维激光扫描、图像检测技术易受隧道恶劣环境干扰、检测效率的问题，提供一种基于毫米波雷达的隧道轮廓变形检测方法与装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于毫米波传感器的隧道管片错台检测装置，在隧道长度方向上交替设置有第一管片区段、第二管片区段；

定义第一管片区段中相邻管片之间的接缝为第一接缝；

定义第二管片区段中相邻管片之间的接缝为第二接缝；

每个第一管片区段内，位于轨道上方的第一接缝的个数为K1；

每个第二管片区段内，位于轨道上方的第二接缝的个数为K2；

所述第一接缝与第二接缝相互错开且均在隧道长度方向上设置；

隧道内沿隧道长度方向上设置有轨道，所述轨道上设置有轨道车辆；

所述检测装置包括设置于轨道车辆上且在隧道长度方向上设置的转轴，所述转轴上安装有K1个第一毫米波雷达测距传感器、K2个第二毫米波雷达测距传感器；

围绕转轴方向上，相邻的两个第一毫米波雷达测距传感器之间均设置有第二毫米波雷达测距传感器，且相邻的两个第二毫米波雷达测距传感器之间均设置有第一毫米波雷达测距传感器；

所述转轴具有第一转动位置，当所述转轴位于第一转动位置且轨道车辆位于第一管片区段时，K1个第一毫米波雷达测距传感器的天线波束中心分别与该第一管片区段中位于轨道上方的K1个第一接缝对准；

所述转轴还具有第二转动位置，当所述转轴位于第二转动位置且轨道车辆位于第二管片区段时，K2个第二毫米波雷达测距传感器的天线波束中心分别与该第二管片区段中位于轨道上方的K2个第二接缝对准。

本发明采用的毫米波雷达测距传感器与光学和红外相比，不受目标物体形状颜色的干扰，因而具有稳定的探测性能、环境适应性好、受外界环境的变化的影响小、测量速度快、测量精度高的优点。另外，申请人在研究时发现，采用错缝形式对管片进行拼接的隧道中，由于第一管片区段中的各个第一接缝、第二管片区段中的各个第二接缝的位置在隧道内周的布置可能存在差别，对第一管片区段的各个第一接缝进行检测的测距传感器无法直接应用于检测第二管片区段中的各个第二接缝，如果在轨道车辆行驶中不断调整各个测距传感器之间的相对角度，则为了不影响检测，轨道车辆只能在较低的速度下行驶而无法提高速度，而且操作复杂，可能会带来较多测量误差而影响对错台的检测。本发明中，利用第一毫米波雷达测距传感器、第二毫米波雷达测距传感器分别对第一管片区段中的第一接缝、第二管片区段中的第二接缝进行检测，当从第一管片区段行驶到第二管片区段，或从第二管片区段行驶到第一管片区段时，仅需对转轴进行转动，而无需对所有毫米波雷达测距传感器的角度进行调整。由于调整方便，且毫米波雷达传感器测量速度快，因此无需将轨道车辆行驶速度限制为较低的值，因此可以提高检测速度。每个毫米波雷达传感器的天线波束可具有一定的检测角度。因此可检测接缝及接缝两侧的两个管片与转轴之间的距离，从而根据距离曲线是否出现突变即可确定是否出现错台。

进一步地，隧道断面为圆形，所述转轴在隧道断面上的投影位于所述圆形的圆心。

通过上述设置，使得对测距曲线的处理较为容易，更容易判断是否出现错台。

进一步地，所述第一毫米波雷达测距传感器、第二毫米波雷达测距传感器的测量精度均不大于0.1mm、测量分辨率均不大于1mm。

进一步地，所述第一毫米波雷达测距传感器、第二毫米波雷达测距传感器的探测视角范围均不小于1°。

本发明还提供一种利用上述隧道管片错台检测装置的隧道管片错台检测方法，所述隧道管片错台检测方法包括：

当轨道车辆位于每个第一管片区段时，令转轴转动到第一转动位置，采集第一毫米波雷达测距传感器的测量数据，根据第一毫米波雷达测距传感器的测量数据判断第一管片区段中是否存在管片错台；

当轨道车辆位于每个第二管片区段时，令转轴转动到第二转动位置，采集第二毫米波雷达测距传感器的测量数据，根据第二毫米波雷达测距传感器的测量数据判断第二管片区段中是否存在管片错台。

上述技术方案中，所述转轴具有用于表示转轴转动位置的角度刻度；当转轴位于第一转动位置时，转轴位于角度刻度θ₀的位置；所述第一转动位置与第二转动位置为同一个位置。

上述技术方案中，定义△θ为偏移角度；

所述隧道管片错台检测方法还包括：

当轨道车辆位于每个第一管片区段时，令转轴转动经过的角度刻度区间至少包括[θ₀-△θ、θ₀+△θ]，采集第一毫米波雷达测距传感器的测量数据，根据第一毫米波雷达测距传感器的测量数据判断第一管片区段中是否存在管片错台；

当轨道车辆位于每个第二管片区段时，令转轴转动经过的角度刻度区间至少包括[θ₀-△θ、θ₀+△θ]，采集第二毫米波雷达测距传感器的测量数据，根据第二毫米波雷达测距传感器的测量数据判断第二管片区段中是否存在管片错台；

本发明中，在每个第一管片区段、第二管片区段中均令转轴转动经过角度刻度区间[θ₀-△θ、θ₀+△θ]，从而可以扩大毫米波雷达测距传感器的测量范围。即使因管片安装误差造成各个第一管片区段同一位置的第一接缝或各个第二管片区段同一位置的第二接缝的位置存在差别时，也可实现对各个接缝区域的检测。而且，通过检测管片上更多位置与转轴之间的距离，可以更容易地得出距离曲线的变化趋势，从而更为准确的判断错台的具体尺寸，也可得到导致发生错台的管片的倾斜位置等信息，便于后续采用相应措施。本发明中，通过令转轴在上述角度刻度区间内连续转动，从而随着轨道车辆行驶，通过各个毫米波雷达测距传感器可以获得隧道内壁与转轴距离的连续变化趋势。

上述技术方案中，当轨道车辆位于每个第一管片区段时，转轴在转动时至少两次经过角度刻度区间[θ₀-△θ、θ₀+△θ]；当轨道车辆位于每个第二管片区段时，转轴在转动时至少两次经过角度刻度区间[θ₀-△θ、θ₀+△θ]。

通过上述设置，使得转轴两次经过上述角度刻度区间时，可以避免仅一次经过该角度刻度区间时因测量误差造成的误判，使得测量更为准确。

上述技术方案中，所述隧道管片错台检测方法还包括：

在轨道车辆行驶过程中，第一毫米波雷达测距传感器1、第二毫米波雷达测距传感器2均连续进行测量，根据第一毫米波雷达测距传感器的测量数据、第二毫米波雷达测距传感器的测量数据判断隧道长度方向上第一管片区段与第二管片区段之间的接缝位置是否存在管片错台。

本发明中，在轨道车辆行驶过程中，第一毫米波雷达测距传感器、第二毫米波雷达测距传感器均连续进行测量，因此轨道车辆经过第一管片区段、第二管片区段的衔接处时，即可以通过二者的距离测量数据确定第一管片区段、第二管片区段之间的接缝位置是否存在管片错台。

上述技术方案中，所述轨道车辆上还设置有用于测量轨道车辆行驶速度的车速传感器；所述隧道管片错台检测方法还包括：

根据车速传感器的测量数据、第一毫米波雷达测距传感器的测量数据确定第一管片区段中管片错台在隧道长度方向上的位置；

根据车速传感器的测量数据、第二毫米波雷达测距传感器的测量数据确定第二管片区段中管片错台在隧道长度方向上的位置。

通过设置车速传感器，从而可以确定管片错台在隧道长度方向上的位置，无需随时停车确定错台的位置。

本发明创新性采用毫米波雷达作为基础测距传感器实现检测功能，利用毫米波雷达高精度高分辨率的优势达到精确检测的目的，利用毫米波的抗干扰强的特性使得系统可以在隧道恶劣环境内工作。系统采用传感器阵列布置检测，可对管片容易出现病害问题的地方——管片衔接处重点检测，毫米波雷达传感器的天线波束阵列可实时一次性检测。系统可进行数据分析并实时预警，给出出问题的地方具体位置。本发明采用毫米波技术不易受干扰，不受隧道内恶劣环境的影响，检测精度和分辨率性能都较好，无需人工布置标靶，可实现车载无人化智能检测。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是隧道管片结构的立体结构示意图；

图2是本发明实施例的基于毫米波传感器的隧道管片错台检测装置的结构示意图；

图3是图2中转轴上设置第一毫米波雷达测距传感器、第二毫米波雷达测距传感器的简化示意图；

图4是本发明实施例的轨道断面为圆形或弧形时，相邻的毫米波雷达测距传感器的夹角、转轴与接缝之间距离、弧长的示意图；

图5是本发明实施例的基于毫米波传感器的隧道管片错台检测方法的流程示意图；

图6是根据本发明隧道管片检测装置测得的实验数据。

上述附图中，10、第一管片区段，20、第二管片区段，101、第一接缝，201、第二接缝，30、轨道，40、轨道车辆，1、第一毫米波雷达测距传感器，2、第二毫米波雷达测距传感器，11、第一连接杆，21、第二连接杆，3、转轴，4、角度校准装置。

具体实施方式

下面将结合本申请的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1-3所示，本发明提供一种基于毫米波传感器的隧道管片错台检测装置，在隧道长度方向上交替设置有第一管片区段10、第二管片区段20；

定义第一管片区段10中相邻管片之间的接缝为第一接缝101；

定义第二管片区段20中相邻管片之间的接缝为第二接缝201；

每个第一管片区段10内，位于轨道上方的第一接缝101的个数为K1；

每个第二管片区段20内，位于轨道上方的第二接缝201的个数为K2；

所述第一接缝101与第二接缝201相互错开且均在隧道长度方向上设置；

隧道内沿隧道长度方向上设置有轨道30，所述轨道30上设置有轨道车辆40；

所述检测装置包括设置于轨道车辆40上且在隧道长度方向上设置的转轴3，所述转轴3上安装有K1个第一毫米波雷达测距传感器1、K2个第二毫米波雷达测距传感器2。K1个第一毫米波雷达测距传感器1、K2个第二毫米波雷达测距传感器2均用于测量隧道管片与转轴3之间的距离。

围绕转轴3方向上，相邻的两个第一毫米波雷达测距传感器1之间均设置有第二毫米波雷达测距传感器2，且相邻的两个第二毫米波雷达测距传感器2之间均设置有第一毫米波雷达测距传感器1；

所述转轴3具有第一转动位置，当所述转轴3位于第一转动位置且轨道车辆40位于第一管片区段10时，K1个第一毫米波雷达测距传感器1的天线波束中心分别与该第一管片区段10中位于轨道上方的K1个第一接缝101对准；

所述转轴3还具有第二转动位置，当所述转轴3位于第二转动位置且轨道车辆40位于第二管片区段20时，K2个第二毫米波雷达测距传感器2的天线波束中心分别与该第二管片区段20中位于轨道上方的K2个第二接缝201对准。

在一种优选实施方式中，隧道断面为圆形，所述转轴3在隧道断面上的投影位于所述圆形的圆心。

在一种优选实施方式中，所述第一毫米波雷达测距传感器1、第二毫米波雷达测距传感器2的测量精度均不大于0.1mm、测量分辨率均不大于1mm。

在一种优选实施方式中，所述第一毫米波雷达测距传感器1、第二毫米波雷达测距传感器2的探测视角范围均不小于1°。

本发明还提供一种利用上述隧道管片错台检测装置的隧道管片错台检测方法，所述隧道管片错台检测方法包括：

当轨道车辆40位于每个第一管片区段10时，令转轴3转动到第一转动位置，采集第一毫米波雷达测距传感器1的测量数据，根据第一毫米波雷达测距传感器1的测量数据判断第一管片区段10中是否存在管片错台；

当轨道车辆40位于每个第二管片区段20时，令转轴3转动到第二转动位置，采集第二毫米波雷达测距传感器2的测量数据，根据第二毫米波雷达测距传感器2的测量数据判断第二管片区段20中是否存在管片错台。

在一种优选实施方式中，所述转轴3具有用于表示转轴3转动位置的角度刻度；当转轴3位于第一转动位置时，转轴3位于角度刻度θ₀的位置；所述第一转动位置与第二转动位置为同一个位置。

转轴3的角度刻度可任意设置，只要可以指示转轴3转动的角度即可。例如，可设置转轴3位于第一转动位置时，转轴3位于角度刻度θ₀=0°的位置。

在一种优选实施方式中，定义△θ为偏移角度；

所述隧道管片错台检测方法还包括：

当轨道车辆40位于每个第一管片区段10时，令转轴3转动经过的角度刻度区间至少包括[θ₀-△θ、θ₀+△θ]，采集第一毫米波雷达测距传感器1的测量数据，根据第一毫米波雷达测距传感器1的测量数据判断第一管片区段10中是否存在管片错台；

当轨道车辆40位于每个第二管片区段20时，令转轴3转动经过的角度刻度区间至少包括[θ₀-△θ、θ₀+△θ]，采集第二毫米波雷达测距传感器2的测量数据，根据第二毫米波雷达测距传感器2的测量数据判断第二管片区段20中是否存在管片错台；

在一种优选实施方式中，在轨道车辆40行驶过程中，转轴3在角度刻度区间[θ₀-△θ、θ₀+△θ]连续转动。

△θ可根据轨道车辆速度、每个管片在隧道长度方向上的尺寸进行设定，以保证轨道车辆经过每个管片时，转轴3均至少在角度刻度区间[θ₀-△θ、θ₀+△θ]转动一次。在一种优选实施方式中，1°≤△θ≤2°。

在一种优选实施方式中，当轨道车辆40位于每个第一管片区段10时，转轴3在转动时至少两次经过角度刻度区间[θ₀-△θ、θ₀+△θ]；当轨道车辆40位于每个第二管片区段20时，转轴3在转动时至少两次经过角度刻度区间[θ₀-△θ、θ₀+△θ]。

转轴在两次经过角度刻度区间[θ₀-△θ、θ₀+△θ]时，可从不同方向经过该角度刻度区间，例如，先顺时针转动经过再逆时针转动经过该角度刻度区间，或先逆时针转动经过再顺时针转动经过该角度刻度区间。

在一种优选实施方式中，所述隧道管片错台检测方法还包括：

在轨道车辆40行驶过程中，第一毫米波雷达测距传感器1、第二毫米波雷达测距传感器2均连续进行测量，根据第一毫米波雷达测距传感器1的测量数据、第二毫米波雷达测距传感器2的测量数据判断隧道长度方向上第一管片区段10与第二管片区段20之间的接缝位置是否存在管片错台。

在一种优选实施方式中，所述轨道车辆40上还设置有用于测量轨道车辆行驶速度的车速传感器；所述隧道管片错台检测方法还包括：

根据车速传感器的测量数据、第一毫米波雷达测距传感器1的测量数据确定第一管片区段10中管片错台在隧道长度方向上的位置；

根据车速传感器的测量数据、第二毫米波雷达测距传感器2的测量数据确定第二管片区段20中管片错台在隧道长度方向上的位置。

毫米波雷达测距传感器的工作原理是：毫米波天线发射波长毫米级电磁波，电磁波打到管片上反射回毫米波雷达接收天线，接收机接收回波信号并进行测距算法的运算，计算出传感器到管片的距离，进一步将距离数据通过数据线输出到控制单元。

隧道衬砌是由管片拼接而成，隧道变形管片错台常发生在管片衔接处，本发明就是使用高精度高分辨率的毫米波雷达专门针对隧道管片衔接处进行检测。本发明提高了检测的鲁棒性和智能化自动检测。

本发明的检测装置包括高精度高分辨率的智能毫米波雷达测距传感器，其精度优于0.1mm，分辨率优于1mm。毫米波雷达传感器包括毫米波天线阵列。检测装置还包括控制单元，控制单元与各个毫米波雷达测距传感器的输出端连接，从而对毫米波雷达测距传感器的输出信号进行处理。

由于隧道管片是规则的，缝隙也是规则的，毫米波雷达传感器的波束中心与接缝对准后，二者之间的距离数据可以在曲线上反应出来。

各个第一毫米波雷达测距传感器1组成传感器阵列A，各个第二毫米波雷达测距传感器2组成传感器阵列B。

第一毫米波雷达测距传感器1、第二毫米波雷达测距传感器2可采用长沙瑞感电子科技有限公司的高精度高分辨率毫米波雷达测距传感器，型号为RSHA7905。

可根据管片尺寸进行估算。若隧道界限圆直径12米，周长=3.14*12=37.68米，一圈分12块拼装，管片每块弧长约3.14米；管片厚度0.3米，管片宽度1.5米。传感器阵列A同一时刻检测一圈管片衔接处的数据，每个第一毫米波雷达测距传感器1检测第一管片区段10中的一处管片衔接数据，毫米波雷达测距传感器1在检测每一圈数据过程中会整体以一定弧度转动扫描两次。在轨道车辆行进方向上，传感器阵列B在下一时刻可以检测到下一圈管片的数据，每个第二毫米波雷达测距传感器2检测第二管片区段20中的一处管片衔接数据。在圈与圈的衔接处可通过传感器阵列A和B在一圈到下一圈的过渡的时刻检测出数据。

在如图1所示的管片的检测中，所述第一管片区段10中管片的数量、第二管片区段20中管片的数量均为N。第一管片区段10中位于隧道内壁面底部的第一接缝无需检测；第二管片区段20中位于隧道内壁面底部最下方的两个第二接缝无需检测。因此，K1=N-1，K2=N-2。K1个第一接缝在第一管片区段中沿隧道内壁周向连续设置。K2个第二接缝在第二管片区段中沿隧道内壁周向连续设置；

所述转轴3位于第一转动位置时，K1个第一毫米波雷达测距传感器1到转轴3的垂线在第一隧道断面上的投影分别与位于轨道上方的K1个第一接缝101与转轴3之间的垂线在第一隧道断面上的投影对应重合；

所述转轴3还具有第二转动位置，K2个第二毫米波雷达测距传感器2到转轴3的垂线在第二隧道断面上的投影分别与位于轨道上方的K2个第二接缝201与转轴3之间的垂线在第二隧道断面上的投影对应重合。

所述K1个第一毫米波雷达测距传感器1分别用于测量K1个第一接缝101所在区域与转轴3之间距离，所述K2个第二毫米波雷达测距传感器2分别用于测量K2个第二接缝201所在区域与转轴3之间距离。

每个毫米波雷达测距传感器的天线波束中心对准接缝区域位置即可。传感器的中心测得距离就是测得距离有效值。

每个毫米波雷达测距传感器的安装角度是根据隧道内壁面实际尺寸计算的，隧道的轮廓实际数据可根据实际场景获得。

如图2、图3所示，每个第一毫米波雷达测距传感器1可通过第一连接杆11与转轴3连接。每个第二毫米波雷达测距传感器2可通过第二连接杆21与转轴3连接。

各个毫米波雷达测距传感器的安装角度可依据隧道内壁面周长、轮廓形状、尺寸、转轴中心位置和传感器个数等参数计算得到，本领域技术人员可以理解。

可设置角度校准装置4。当本检测装置设置在隧道中，可根据计算的传感器安装角度，通过角度校准装置4自动校准各个传感器的角度位置。角度校准装置4可采用电机和齿轮的结构。

通过隧道界限设计原始数据和传感器安装的位置计算出每个传感器安装的角度，这样的每个传感器的角度和到隧道内壁面的理论距离作为初值。将检测装置设置在隧道中之后，控制单元可控制第一连接杆11、第二连接杆21上的角度校准装置，令各个毫米波雷达测距传感器的安装角度调整为所需角度。

若隧道断面形状为规则圆形（如图4中虚线部分所示），第一管片区段10、第二管片区段20中的管片个数均为N=6个，且各个管片大小相同，第一管片区段10中位于轨道下方的一个第一接缝无需检测；第二管片区段20中位于轨道下方的两个第二接缝无需检测，则K1=N-1=5，K2=N-2=4，且相邻的毫米波雷达测距传感器之间的角度差值相同，均为360°/12=30°，即第一毫米波雷达测距传感器1与其相邻的两个第二毫米波雷达测距传感器2之间的角度应在转轴转动过程中保持为30°，第二毫米波雷达测距传感器2与其相邻的两个第一毫米波雷达测距传感器1之间的角度应在转轴转动过程中保持为30°，即完成对准。

若隧道断面形状是弧形（如图4中实线部分所示），则可以根据隧道内壁面形状、尺寸、转轴位置、传感器个数计算得到各个传感器的角度，从而通过角度校准装置调整得到所需角度，即完成对准。如图4所示，隧道断面形状、尺寸都是已知的，各个接缝M1、M2、M3、M4的位置是已知的，转轴在隧道断面上投影的位置是已知的，从而可以确定相邻的两个接缝之间的弧长、接缝M1到转轴O的距离（即R1）、接缝M2到转轴O的距离（即R2）、接缝M3到转轴O的距离、接缝M4到转轴O的距离。例如M1、M2之间的弧长为l，θ₁为OM1与OM2之间的夹角，则cosθ₁=[(R1)²+ (R2)²-l ²]/(2×R1×R2)，由此可以确定相邻的两个毫米波雷达测距传感器之间的角度，从而可以利用角度校准装置进行调整。

将各个毫米波雷达测距传感器对准后固定在转轴3上，所有的传感器形成一个整体，转轴3就是转动中心。

轨道车辆上可安装车速传感器。车速传感器可采用毫米波雷达测速传感器。通过距离=速度×时间的公式，可以得到车辆的实时位置，并可以通过位置数据形成车辆轨迹，从而与检测的错台位置相对应，得到错台数据对应的车辆的位置。

检测装置中设置数据存储和无线传输模块。可将数据进行存储，并通过无线传输模块传送到控制中心。控制中心可设置在轨道车辆上，也可设置在其他位置。

检测每一圈（即每个管片区段）时，转轴3可旋转两次，例如在轨道车辆分别经过每一圈的开始部分和结尾部分时各旋转一次。

如图5所示，传感器阵列A可检测一圈数据（即第一管片区段10的第一接缝101的位置区域），圈与圈衔接处传感器A和B检测数据，转轴旋转两次传感器阵列B检测一圈数据（即第二管片区段20的第二接缝201的位置区域）。此时检测出一个周期两圈的数据，通过分析每一圈的数据可知每一圈衔接处是否发生管片错台，通过分析圈与圈衔接处（即第一管片区段10与第二管片区段20的衔接处）与转轴3的一段区域内距离值是否发生突变来判断是否有管片错台。通过长周期的数据可以描绘出一个隧道段的轮廓曲线数据，通过将各个时间监测的数据进行对比，可知管片长时间的变形情况。

将本发明的检测装置安装在轨道车辆上，轨道车辆可保持在匀速运行（例如10KM/H），传感器实时测量传感器到隧道管片的距离，由于各个第一连接杆11、第二连接杆21的长度也是可知的，从而得到接缝位置两侧管片与转轴3之间的距离，从而可以监测隧道管片衔接区域的距离数据。

每个传感器将测量的距离数据实时传入控制单元，控制单元将传感器阵列的数据进行小规模边缘数据分析，给出分析结果，具体哪个位置发生了隧道管片错台，划分管片错台病害风险等级，并进行预警。系统还可以包括数据记录单元、隧道位置分析单元、数据传输单元。数据记录单元将传感器阵列的数据可统一记录备份到存储盘里，方便后期人工进一步分析。数据传输单元可将核心系统的所有数据可通过无线的方式传输出去，方便远方服务器进一步进行大数据分析。

若毫米波雷达测距传感器测量的距离测量曲线中存在突变，则由此可确定存在管片错台。

本领域技术人员可以理解如何确定隧道内壁面在第一隧道断面上的投影形状、投影尺寸以及转轴3在第一隧道断面上的投影位置。

根据本发明的检测方法，可持续对隧道管片错台进行监控。检测得到管片错台数据后，可划分病害风险等级。对于本实施例的铁路隧道，定义V为每一年管片与转轴之间的距离变化。若V<3mm/year，则判断病害风险等级为C级，若3mm/year ≤V＜10mm/year ，则判断判断病害风险等级为B级；若V≥10mm/year，则判断病害风险等级为A级。通过多次检测的大数据分析可以确定在一定时间周期内，管片局部衔接处整体变形情况演变发生过程，通过长时间的大数据检测，对管片错台变化速度进行等级划分，从而实现大数据实时预警。

图6所示为根据本发明的实测试验结果，其中隧道断面形状为规则圆形，图中为同一个毫米波雷达测距传感器的测量结果。图中，横坐标为时间，纵坐标为实时测得距离值。在检测过程中，当没有发生错台时，毫米波雷达测距传感器检测的距离值是不变的，当检测到错台时，毫米波雷达测距传感器检测的距离值也会发生突变。

图6中，S1、S2、……、S21为同一个第一毫米波雷达测距传感器1以固定采集周期采集的距离测量值，其中θ₀=0°，△θ=1°，一个采集周期为0.5s，即每隔0.5s对距离进行一次测量。从S2到S9，转轴从-1°的角度刻度转动到1°的角度刻度，从S10-S17，转轴从1°的角度刻度转动到-1°的角度刻度。从S2到S17，均位于同一个第一管片区段10中。从S18开始，进入到下一个管片区段。从图中的距离测量结果可以明显看出，S3到S4存在距离突变，即表明该管片区段中相邻的管片中存在错台，而S13到S14与S3到S4是转轴以不同方向转动经过的同一个管片错台的位置，因此反映的是同一个管片错台，该错台为1mm的错台。从S17到S18存在距离突变，即说明该第一管片区段10与下一个管片区段（即第二管片区段20）之间存在错台，该错台为2mm错台。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (10)

1.一种基于毫米波传感器的隧道管片错台检测装置，在隧道长度方向上交替设置有第一管片区段（10）、第二管片区段（20）；

定义第一管片区段（10）中相邻管片之间的接缝为第一接缝（101）；

定义第二管片区段（20）中相邻管片之间的接缝为第二接缝（201）；

每个第一管片区段（10）内，位于轨道上方的第一接缝（101）的个数为K1；

每个第二管片区段（20）内，位于轨道上方的第二接缝（201）的个数为K2；

所述第一接缝（101）与第二接缝（201）相互错开且均在隧道长度方向上设置；

隧道内沿隧道长度方向上设置有轨道（30），所述轨道（30）上设置有轨道车辆（40）；

其特征在于，所述检测装置包括设置于轨道车辆（40）上且在隧道长度方向上设置的转轴（3），所述转轴（3）上安装有K1个第一毫米波雷达测距传感器（1）、K2个第二毫米波雷达测距传感器（2）；

围绕转轴（3）方向上，相邻的两个第一毫米波雷达测距传感器（1）之间均设置有第二毫米波雷达测距传感器（2），且相邻的两个第二毫米波雷达测距传感器（2）之间均设置有第一毫米波雷达测距传感器（1）；

所述转轴（3）具有第一转动位置，当所述转轴（3）位于第一转动位置且轨道车辆（40）位于第一管片区段（10）时，K1个第一毫米波雷达测距传感器（1）的天线波束中心分别与该第一管片区段（10）中位于轨道上方的K1个第一接缝（101）对准；

所述转轴（3）还具有第二转动位置，当所述转轴（3）位于第二转动位置且轨道车辆（40）位于第二管片区段（20）时，K2个第二毫米波雷达测距传感器（2）的天线波束中心分别与该第二管片区段（20）中位于轨道上方的K2个第二接缝（201）对准。

2.根据权利要求1所述的隧道管片错台检测装置，其特征在于，隧道断面为圆形，所述转轴（3）在隧道断面上的投影位于所述圆形的圆心。

3.根据权利要求1所述的隧道管片错台检测装置，其特征在于，所述第一毫米波雷达测距传感器（1）、第二毫米波雷达测距传感器（2）的测量精度均不大于0.1mm、测量分辨率均不大于1mm。

4.根据权利要求1所述的隧道管片错台检测装置，其特征在于，所述第一毫米波雷达测距传感器（1）、第二毫米波雷达测距传感器（2）的探测视角范围均不小于1°。

5.一种利用权利要求1所述的隧道管片错台检测装置的隧道管片错台检测方法，其特征在于，所述隧道管片错台检测方法包括：

当轨道车辆（40）位于每个第一管片区段（10）时，令转轴（3）转动到第一转动位置，采集第一毫米波雷达测距传感器（1）的测量数据，根据第一毫米波雷达测距传感器（1）的测量数据判断第一管片区段（10）中是否存在管片错台；

当轨道车辆（40）位于每个第二管片区段（20）时，令转轴（3）转动到第二转动位置，采集第二毫米波雷达测距传感器（2）的测量数据，根据第二毫米波雷达测距传感器（2）的测量数据判断第二管片区段（20）中是否存在管片错台。

6.根据权利要求5所述的隧道管片错台检测方法，其特征在于，所述转轴（3）具有用于表示转轴（3）转动位置的角度刻度；当转轴（3）位于第一转动位置时，转轴（3）位于角度刻度θ₀的位置；所述第一转动位置与第二转动位置为同一个位置。

7.根据权利要求6所述的隧道管片错台检测方法，其特征在于，定义△θ为偏移角度；

所述隧道管片错台检测方法还包括：

当轨道车辆（40）位于每个第一管片区段（10）时，令转轴（3）转动经过的角度刻度区间至少包括[θ₀-△θ、θ₀+△θ]，采集第一毫米波雷达测距传感器（1）的测量数据，根据第一毫米波雷达测距传感器（1）的测量数据判断第一管片区段（10）中是否存在管片错台；

当轨道车辆（40）位于每个第二管片区段（20）时，令转轴（3）转动经过的角度刻度区间至少包括[θ₀-△θ、θ₀+△θ]，采集第二毫米波雷达测距传感器（2）的测量数据，根据第二毫米波雷达测距传感器（2）的测量数据判断第二管片区段（20）中是否存在管片错台。

8.根据权利要求6所述的隧道管片错台检测方法，其特征在于，当轨道车辆（40）位于每个第一管片区段（10）时，转轴（3）在转动时至少两次经过角度刻度区间[θ₀-△θ、θ₀+△θ]；

当轨道车辆（40）位于每个第二管片区段（20）时，转轴（3）在转动时至少两次经过角度刻度区间[θ₀-△θ、θ₀+△θ]；

其中△θ为偏移角度。

9.根据权利要求6所述的隧道管片错台检测方法，其特征在于，所述隧道管片错台检测方法还包括：

在轨道车辆（40）行驶过程中，第一毫米波雷达测距传感器（1）、第二毫米波雷达测距传感器（2）均连续进行测量，根据第一毫米波雷达测距传感器（1）的测量数据、第二毫米波雷达测距传感器（2）的测量数据判断隧道长度方向上第一管片区段（10）与第二管片区段（20）之间的接缝位置是否存在管片错台。

10.根据权利要求6所述的隧道管片错台检测方法，其特征在于，所述轨道车辆（40）上还设置有用于测量轨道车辆行驶速度的车速传感器；所述隧道管片错台检测方法还包括：

根据车速传感器的测量数据、第一毫米波雷达测距传感器（1）的测量数据确定第一管片区段（10）中管片错台在隧道长度方向上的位置；

根据车速传感器的测量数据、第二毫米波雷达测距传感器（2）的测量数据确定第二管片区段（20）中管片错台在隧道长度方向上的位置。

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