CN111337574B - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

本发明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。

Description

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
技术领域
本发明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领域。
背景技术
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。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题和需求，本发明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，本发明采用如下技术方案：
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、小车驱动电机、小车主动轮和小车从动轮，所述小车主动轮和小车从动轮固定在小车底座下，所述小车驱动电机固定在小车主动轮之间的传动轴上。
一种优选方案，在轨检小车上还设有移动电源。
一种优选方案，在轨检小车上还设有集线柜台。
一种优选方案，在轨检小车上还设有照明灯。
一种优选方案，在轨检小车上还设有摄像仪。
与现有技术相比，本发明具有如下有益技术效果：
1、本发明采用空气耦合超声激发换能器和空气耦合超声接收换能器，可以激发并采集轨道板内的兰姆波信号，可以充分利用兰姆波的衰减小、传播距离远、信号易于接收等特点，便于之后对信号的处理与分析，有效简化了后续的信号处理与分析操作的程序；
2、本发明采用的空气耦合超声激发换能器和空气耦合超声接收换能器位置均可移动，使得信号激发位置和信号接收位置均可移动，有效提高了信号采集范围，提高了的检测范围，实现了轨道板的动态检测；
3、本发明采用时域拓扑成像方法，使得裂缝信号聚焦于裂缝缺陷处，非裂缝处信号不聚焦，实现了板式无砟轨道裂缝的可视化，提高了成像的精度与清晰度；
综上所述，本发明可大面积、高精度、高效、无损、准确、实时检测出板式无砟轨道的裂缝缺陷，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，也可为后续轨道维修工作提供有力支撑；因此，本发明相对于现有技术，具有显著进步性和应用价值。
附图说明
图1为实施例提供的一种基于超声兰姆波板式无砟轨道裂缝的拓扑成像装置的结构示意图；
图2为实施例所述装置在工作时的状态图；
图3为实施例所述空气耦合超声探头的布局图；
图4为实施例所述检测轨道板的剖面图；
图5为实施例所述轨道板拓扑成像图；
图中标号示意如下：1、轨检小车；2、角度调节机构；21a/21b、转动电机；22a/22b、连接件；3、纵向位移调节机构；31a/31b、纵向驱动电机；32a/32b、纵向安装底座；33a、纵向丝杆；34a/34b、纵向滑块；35a/35b、限位开关；4、空气耦合超声探头；4a、空气耦合超声激发换能器；4b、空气耦合超声接收换能器；5、垂向位移调节机构；51a/51b、垂向驱动电机；52a/52b、垂向延伸板；53a/53b、垂向移动连接件；54a/54b、垂向传送底座；6、横向位移调节机构；61a/61b、横向驱动电机；62a/62b、横向安装底座；63a/63b、横向丝杆；64a/64b、横向滑块；7、连接梁；8、主动轮；9、从动轮；10、驱动电机；11、小车底座；12、计算机；13、摄像仪；14、照明灯；15、超声波发射接收器；16集线柜台；17、移动电源；18、凳子；19、钢轨；20轨道板。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步详细描述。
如图1和图2所示：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1及设置在轨检小车1上的超声波发射接收器15和计算机12，还包括空气耦合超声探头4和角度调节机构2，所述空气耦合超声探头4包括空气耦合超声激发换器4a和空气耦合超声接收换能器4b，所述空气耦合超声激发换能器4a与超声波发射接收器15的发射端信号连接，空气耦合超声接收换能器4b与超声波发射接收器15的接收端信号连接，所述超声波发射接收器15的接收端与计算机12信号连接，所述空气耦合超声激发换能器4a和空气耦合超声接收换能器4b均连接在角度调节机构2上，所述角度调节机构2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1的前端。
本实施例中，所述空气耦合超声激发换器4a、空气耦合超声接收换能器4b、超声波发射接收器15均采用市售商品即可。
本实施例中，设有两个角度调节机构2，每个角度调节机构2均对应设有转动电机21a/21b和连接件22a/22b，所述转动电机21a/21b通过连接件22a/22b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4a和空气耦合超声接收换能器4b分别连接在对应的转动电机21a/21b的转轴上。
本实施例中，所述三轴位移调节机构包括纵向位移调节机构3、垂向位移调节机构5和横向位移调节机构6，所述角度调节机构2分别与对应的纵向位移调节机构3相连接，所述纵向位移调节机构3分别与对应的垂向位移调节机构5相连接，所述垂向位移调节机构5与横向位移调节机构6相连接，且所述横向位移调节机构6固定连接在轨检小车1的前端。
本实施例中，设有两个纵向位移调节机构3，可以分别a、b两组，具体的所述纵向位移调节机构3包括纵向驱动电机31a/31b、纵向安装底座32a/32b、纵向丝杆33a(b组对应的纵向丝杆图中未显示)和纵向滑块34a/34b，所述纵向驱动电机31a/31b固定连接在纵向安装底座32a/32b上，所述纵向丝杆33a(b组对应的纵向丝杆图中未显示)的一端固定在纵向驱动电机31a/31b的输出端，所述纵向滑块34a/34b滑动设于纵向丝杆33a(b组对应的纵向丝杆图中未显示)上，所述角度调节机构2与纵向滑块34a/34b相连接。具体的，是角度调节机构2中的连接件22a/22b与纵向滑块34a/34b相连接，通过连接件22a/22b与纵向滑块34a/34b相连接使得角度调节机构2与纵向位移调节机构3相连接，进而使得空气耦合超声激发换器4a、空气耦合超声接收换能器4b与纵向位移调节机构3相连接。所述纵向驱动电机31a/31b可以采用市售的恒速电机。使用的时候，是通过纵向驱动电机31a/31b驱动纵向丝杆33a，进而驱动纵向滑块34a/34b在纵向丝杆33a上移动。
此外，所述纵向安装底座32a/32b上设有限位开关35a/35b，当纵向滑块34a/34b经过限位开关35a/35b时，限位开关上35a/35b的传感器接收到信号会强制停止纵向驱动电机31a/31b的转动，进而使得纵向滑块34a/34b停止滑动，从上述可见，本实施例中是通过纵向滑块34a/34b的滑动来带动空气耦合超声激发换器4a、空气耦合超声接收换能器4b在纵向位移调节机构3上的移动，因此，通过限位开关35a/35b来限制纵向滑块34a/34b的移动即可限制空气耦合超声激发换器4a、空气耦合超声接收换能器4b的移动，从而对空气耦合超声激发换器4a、空气耦合超声接收换能器4b起到了保护作用。
本实施例中，与两个纵向位移调节机构3相对应，也设有两个垂向位移调节机构5，可以分别a、b两组，所述垂向位移调节机构5包括垂向驱动电机51a/51b、垂向延伸板52a/52b、垂向移动连接件53a/53b和垂向传送底座54a/54b，所述垂向移动连接件53a/53b在垂向驱动电机51a/51b的驱动下沿着垂向传送底座54a/54b上下移动，所述垂向延伸板52a/52b通过垂向移动连接件53a/53b与垂向传送底座54a/54b相连接，所述纵向位移调节机构3与垂向延伸板52a/52b相连接。所述垂向驱动电机51a/51b可以采用市售的调速电机。所述垂向移动连接件53a/53b的形状可以设定为H形。具体的，所述纵向位移调节机构3中的纵向安装底座32a/32b与垂向延伸板52a/52b相连接，进而使得纵向位移调节机构3与垂向位移调节机构5相连接。本实施例中，可以在垂向传送底座54a/54b上设有齿轮传送带(未显示)，齿轮传送带通过垂向驱动电机51a/51b来驱动，相应的，垂向移动连接件53a/53b的表面具有与齿轮传送带相适配的齿轮啮合面，这样，即可通过垂向驱动电机51a/51b驱动齿轮传送带进而驱动垂向移动连接件53a/53b沿着垂向传送底座54a/54b上下移动。
本实施例中，为了使垂向位移调节机构5与横向位移调节机构6之间的连接更为稳固，可以设有两个横向位移调节机构6，可以分别a、b两组，所述横向位移调节机构6包括横向驱动电机61a/61b、横向安装底座62a/62b、横向丝杆63a/63b和横向滑块64a/64b，所述横向驱动电机61a/61b固定连接在横向安装底座62a/62b上，所述横向丝杆63a/63b的一端固定在横向驱动电机61a/61b的输出端，所述横向滑块64a/64b滑动设于横向丝杆63a/63b上，所述垂向位移调节机构5与横向滑块64a/64b相连接，所述横向安装底座62a/62b固定连接在轨检小车1的前端。所述横向驱动电机61a/61b可以采用市售的大功率步进电机。具体的，所述垂向位移调节机构5中的垂向传送底座54a/54b与横向滑块64a/64b相连接，进而使得垂向位移调节机构5与横向位移调节机构6相连接。所述横向位移调节机构6通过横向安装底座62a/62b固定连接在轨检小车1的前端。使用的时候，是通过横向驱动电机61a/61b驱动横向丝杆63a/63b，进而驱动横向滑块64a/64b在横向丝杆63a/63b上移动。
通过上述的三轴位移调节机构可以实现空气耦合超声激发换器4a、空气耦合超声接收换能器4b位移的自由调节，从而有效提高了空气耦合超声激发换器4a、空气耦合超声接收换能器4b的信号采集的灵活性、准确性和信号采集范围，进而可有效增加轨检小车1的检测范围，实现轨检小车1的动态检测。
此外，在轨检小车1的前端设有连接梁7，所述横向位移调节机构6通过连接梁7固定连接在轨检小车1的前端。具体的，是横向位移调节机构6中的横向安装底座62a/62b与连接梁7固定连接，从而使得横向位移调节机构6固定连接在轨检小车1的前端。
此外，所述轨检小车1包括小车底座11、小车驱动电机10、小车主动轮8和小车从动轮9，所述小车主动轮8和小车从动轮9固定在小车底座11下，所述小车驱动电机10固定在小车主动轮8之间的传动轴(未标记)上。所述小车驱动电机10、小车主动轮8和小车从动轮9分别采用市售的驱动电机、主动轮、从动轮即可。所述小车主动轮8和小车从动轮9均与通过小车驱动电机10驱动，小车主动轮8和小车从动轮9均与钢轨19滚动连接。通过小车主动轮8和小车从动轮9可以对轨检小车1的行驶方向起到导向作用。使用的时候，通过开启或关闭小车驱动电机10从而开启或停止小车主动轮8和小车从动轮9的转动，进而控制轨检小车1的启动和停止。
此外，在轨检小车1上还设有移动电源17，以实现对所述装置进行移动供电。
此外，在轨检小车1上还设有集线柜台16，以实现所述装置中各电路的集成和达到防雨防晒的作用。
此外，在轨检小车1上还设有照明灯14，以实现夜晚作业时的照明需求。
此外，在轨检小车1上还设有摄像仪13，用来记录轨道板编号和轨道板表面裂缝的初期评估，例如，可以先使用摄像仪13进行机器视觉的处理，找到轨道板20表面的裂缝，然后再通过超声兰姆波拓扑成像，对内部的裂缝进行表征和评估。
计算机12、照明灯14和摄像仪13均与移动电源17电连接。
此外，在轨检小车1上设置凳子18，以便由检测员坐在轨检小车1上进行人工信号采集及检测操作。
采用本发明所述装置对板式无砟轨道(即轨道板20)裂缝(如图4所示)进行拓扑成像的方法如下：
a)数据采集：通过三轴位移调节机构调节好空气耦合超声激发换器4a、空气耦合超声接收换能器4b的位置，利用超声波发射接收器15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4a将超声波激发至轨道板20内部以在轨道板20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4b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15的接收端，由超声波发射接收器15的接收端将接收的兰姆波回波信号传输给计算机12；
数据采集过程中，所述空气耦合超声激发换能器4a和空气耦合超声接收换能器4b采用“一发多位置接收”的方式激发和接收兰姆波信号，具体的参见图3所示：先在一个位置利用空气耦合超声激发换能器4a激发兰姆波信号，然后调节空气耦合超声接收换能器4b的位置，以在不同的位置接收兰姆波回波信号；然后再更换空气耦合超声激发换能器4a的位置以在不同位置激发兰姆波信号，同时更换空气耦合超声激发换能器4a的位置以继续在多个不同的位置接收兰姆波回波信号；
兰姆波信号的激发位置和接收位置的数量可以根据实际需求自由设定，例如，本实施例中，如图3所示：
分别在9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9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，本实施例中，i＝1，2，…9；j＝1，2，…9，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；
从图3可见，本实施例是在9个位置激励，9个位置接收，每个位置间距50mm，则，一共可以采集81组数据；
其中，空气耦合超声激发换能器的入射角度θ可以通过角度旋转机构2来进行调节；
本实施例中，所采用的的激励信号可以为中心频率fc为30kHz、周期数N为5的窄带信号，能减少超声兰姆波在传播过程中频散现象，便于之后的数据处理；
图3中，Ti(x，y，t)和Rij(x，y，t)和分别为本实施例中不同位置和时间的激励信号和接收信号；
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(如图5所示)。
综上所述可见，本发明可实现轨道板裂缝的检测与评估，可解决目前轨道效率低的问题，而且可大大降低人力和工作强度，并且提供裂缝可视化的服务，能为铁路安全维护提供有力支持；另外，本发明结构简单，使用便捷，可使维护成本大大降低；因此，本发明相对于现有技术，具有显著进步性和应用价值。
最后有必要在此指出的是：以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

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：采用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能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；
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；具体包括如下步骤：
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；
b)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。
2.根据权利要求1所述的拓扑成像方法，其特征在于：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。
3.根据权利要求1所述的拓扑成像方法，其特征在于：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。
4.根据权利要求3所述的拓扑成像方法，其特征在于：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。
5.根据权利要求4所述的拓扑成像方法，其特征在于：所述纵向安装底座上设有限位开关。
6.根据权利要求3所述的拓扑成像方法，其特征在于：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。
7.根据权利要求3所述的拓扑成像方法，其特征在于：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。
8.根据权利要求1所述的拓扑成像方法，其特征在于：所述轨检小车包括小车底座、小车驱动电机、小车主动轮和小车从动轮，所述小车主动轮和小车从动轮固定在小车底座下，所述小车驱动电机固定在小车主动轮之间的传动轴上。
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