CN111426756A - 钢轨轨底裂纹高阶sh导波成像检测方法及系统 - Google Patents

钢轨轨底裂纹高阶sh导波成像检测方法及系统 Download PDF

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CN111426756A CN202010401922.9A CN202010401922A CN111426756A CN 111426756 A CN111426756 A CN 111426756A CN 202010401922 A CN202010401922 A CN 202010401922A CN 111426756 A CN111426756 A CN 111426756A
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Abstract

本发明公开了一种钢轨轨底裂纹高阶SH导波成像检测方法及系统，其中方法包括：通过在电磁超声SH导波激励探头通入正弦脉冲串电流以使钢轨轨底激发出SH导波；电磁超声SH导波接收探头接收反射回波以得到检测回波信号；保持电磁超声SH导波激励探头和接收探头的间距不变，以预设步长沿钢轨轨底待测长度方向移动，采集多组检测回波信号；将每组检测回波信号均进行同步挤压小波变换处理，并提取高阶SH导波时域信号，得到多组高阶SH导波时域信号；对得到的多组高阶SH导波时域信号进行B扫描成像，得到钢轨轨底缺陷成像图。高阶SH导波具有高分辨率和高缺陷检测灵敏度等优点，对小的裂纹也能直观识别；可以直观识别裂纹的位置和大小，适用于在役无损检测。

Description

钢轨轨底裂纹高阶SH导波成像检测方法及系统
技术领域
本发明涉及裂纹检测技术领域，尤其涉及一种钢轨轨底裂纹高阶SH导波成像检测方法及系统。
背景技术
随着我国高铁的快速发展，列车的提速加剧了对钢轨的破坏作用。由于列车在钢轨上的高速行驶，使得钢轨在水平方向和垂直方向不断磨损。列车的动力学作用使得钢轨轨底容易产生裂纹、折断，对行车安全造成重大隐患。由于钢轨轨底固定在枕木上，轨底表面被沙土和道渣覆盖，传统的横波与纵波结合的检测方法，只能用于钢轨轨头的检测，无法对钢轨轨底进行检测。钢轨轨底检测迫切需要新的方法，超声导波技术的发展为钢轨轨底的快速检测方法研究提供了新的思路。
压电式超声导波检测通常需要耦合剂(水、甘油)才能实现与被测零件之间的良好耦合，且对被测件的表面质量要求较高。钢轨轨底表面覆盖着沙土和道渣，压电式超声导波探头耦合效果差，不能有效的检测出裂纹。与压电式超声导波技术相比，电磁超声(EMAT)不需要耦合剂，较粗糙的表面也能直接探伤，具有精度高，非接触，容易激发各种超声波形等优点。
目前没有关于钢轨轨底高阶SH导波成像检测的文献及专利，NDT&EInternational(2014,65:1-7)所发表的文章“A new electromagnetic acoustictransducer(EMAT)design for operation on rail”涉及一种电磁超声表面波装置用于钢轨踏面的快速扫描检测，其激发的是非频散表面波，该装置只能实现钢轨踏面裂纹表面波检测，不能实现钢轨轨底的高效在线检测，对于具有频散特性的SH导波，不能实现高阶SH导波信号提取。仪器仪表学报(2020,41(01):35-46)所发表的文章“钢轨踏面裂纹电磁超声表面波同步挤压小波快速成像检测研究”涉及一种电磁超声表面波装置用于钢轨踏面表面裂纹快速成像检测，其采用同步挤压小波变换，对非频散表面波信号进行去噪处理，减少信号平均次数，缩短检测时间，该论文提出的检测方法不能激发具有频散特性的SH导波，不能分离高阶SH导波信号与低阶SH导波信号，不能实现高阶SH导波信号提取，也不能实现高阶SH导波成像检测，同时也不能实现钢轨轨底的高效在线检测。
发明内容
本发明提供了一种钢轨轨底裂纹高阶SH导波成像检测方法及系统，以解决现有技术中无法实现钢轨轨底裂纹高效在线检测的问题。
第一方面，提供了一种钢轨轨底裂纹高阶SH导波成像检测方法，包括：
在待测钢轨轨底表面间隔设置电磁超声SH导波激励探头和电磁超声SH导波接收探头；
在电磁超声SH导波激励探头通入能使钢轨轨底激发出SH导波的正弦脉冲串电流；
电磁超声SH导波接收探头接收反射回波并将信号传输至PC机，得到一组检测回波信号；
保持电磁超声SH导波激励探头和电磁超声SH导波接收探头的间距不变，并将两者以预设步长沿钢轨轨底待测长度方向移动，并重复上述步骤，采集得到多组检测回波信号；
将采集的每组检测回波信号均进行同步挤压小波变换处理，得到高阶SH导波信号与低阶SH导波信号在频率方向分离的时频图，并提取高阶SH导波时域信号，进而得到多组高阶SH导波时域信号；
对得到的多组高阶SH导波时域信号进行B扫描成像，得到钢轨轨底缺陷成像图。
进一步地，所述正弦脉冲串电流的频率为40～200kHz，电流为10～100A，持续时间为10～20个周期。
进一步地，电磁超声SH导波激励探头与电磁超声SH导波接收探头的间距为100～200mm，所述预设步长为1～4mm。
进一步地，所述多组检测回波信号的组数为20～200组。
进一步地，所述提取高阶SH导波时域信号包括：
沿频率方向对时频图进行切片，根据高阶SH导波频率范围，对切取的时频图片段逐一分析，识别高阶SH导波时频图片段，并保存该时频图片段对应的频谱系数；
将保存的高阶SH导波的频谱系数相加，并利用同步挤压小波反变换，重构得到高阶SH导波时域信号。
进一步地，所述将采集的每组检测回波信号均进行同步挤压小波变换处理，得到高阶SH导波信号与低阶SH导波信号在频率方向分离的时频图，并提取高阶SH导波时域信号，具体包括：
调用同步挤压小波算法对检测回波信号f(t)进行同步挤压小波变换，f(t)表示为：
Figure BDA0002489808150000021
式中：Ak为第k个时变分量的幅值，θk为第k个时变分量的相位，e(t)为分解余量，K为分解的分量数；检测回波信号f(t)的小波系数Wf(a,b)为：
Figure BDA0002489808150000022
式中：a为尺度因子；b为平移因子；Ψ为母小波函数；“*”为共轭；根据Plancherel原理可知：
Figure BDA0002489808150000031
式中：ε为角频率；
Figure BDA0002489808150000032
为检测回波信号f(t)的傅里叶变换；
Figure BDA0002489808150000033
为Ψ(t)的傅里叶变换；检测回波信号f(t)的连续小波变换为：
Figure BDA0002489808150000034
若
Figure BDA0002489808150000035
在负频率域趋于零，则小波系数Wf(a,b)集中分布在时间尺度
Figure BDA0002489808150000036
处，通过对小波系数求偏导数估计检测回波信号f(t)的瞬时频率：
Figure BDA0002489808150000037
检测回波信号f(t)的小波系数Wf(a,b)由时间-尺度平面(b,a)转换到时间-频率平面[b,ωf(a,b)]，并重新进行排列；小波系数Wf(a,b)的同步挤压变换量值Tf(ωl,b)，通过挤压任一中心频率ωl附近区间
Figure BDA0002489808150000038
的值获得，即：
Figure BDA0002489808150000039
检测回波信号f(t)经过上式的处理后，高阶SH导波信号与低阶SH导波信号在频率方向分离；
检测回波信号f(t)同步挤压小波变换后，对频率方向进行切片分析，提取高阶SH导波频率方向频谱系数，所述同步挤压变换量值Tf(ωl,b)即为频谱系数；通过同步挤压小波反变换得到高阶SH导波时域信号g(t)：
Figure BDA00024898081500000310
式中：
Figure BDA00024898081500000311
Figure BDA00024898081500000312
为母小波函数的共轭傅里叶变换；Re式为取实部；ai为离散的尺度；i为尺度个数。
第二方面，提供了一种钢轨轨底裂纹高阶SH导波成像检测系统，包括依次连接的PC机、信号发生器、脉冲功率放大器、第一阻抗匹配电路、电磁超声SH导波激励探头；还包括依次连接的电磁超声SH导波接收探头、第二阻抗匹配电路、前置滤波放大器、数据采集卡，所述数据采集卡还与所述PC机连接；
所述信号发生器用于接收所述PC机的激发指令并产生正弦脉冲串电流；
所述脉冲功率放大器用于将所述信号发生器产生的正弦脉冲串电流放大，并经所述第一阻抗匹配电路传输至电磁超声SH导波激励探头；
所述电磁超声SH导波激励探头用于在通入放大后的正弦脉冲串电流后使钢轨轨底激发出沿钢轨长度方向传播的SH导波；
所述电磁超声SH导波接收探头用于接收反射回波，并产生检测回波信号经所述第二阻抗匹配电路传输至所述前置滤波放大器；
所述前置滤波放大器用于将接收的检测回波信号进行滤波放大，并传输至数据采集卡；
所述数据采集卡用于将放大后的检测回波信号转换为数字信号并传输至PC机；
所述PC机用于向所述信号发生器发送激发指令以及接收数据采集卡传输的检测回波信号；所述PC机在保持电磁超声SH导波激励探头和电磁超声SH导波接收探头的间距不变，并将两者以预设步长沿钢轨轨底待测长度方向移动的情况下，会接收得到多组检测回波信号；所述PC机还用于将接收的每组检测回波信号均进行同步挤压小波变换处理，得到高阶SH导波信号与低阶SH导波信号在频率方向分离的时频图，并提取高阶SH导波时域信号，进而得到多组高阶SH导波时域信号；并对得到的多组高阶SH导波时域信号进行B扫描成像，得到钢轨轨底缺陷成像图。
进一步地，所述电磁超声SH导波激励探头及电磁超声SH导波接收探头结构相同，均包括外壳以及设置于所述外壳内部的垂直充磁的周期性永磁体组、跑道线圈、永磁体固定支架，所述跑道线圈设置于所述外壳底部，所述周期性永磁体组设置于所述跑道线圈上方，所述永磁体固定支架安装于所述外壳上并将所述周期性永磁体组固定；所述跑道线圈底部还设置有耐磨层；所述外壳外侧底部设置有多个滚动轴承，以保证跑道线圈与钢轨轨底之间的提离距离为0.5～2mm。
进一步地，所述周期性永磁体组包括两列永磁铁，所述两列永磁铁中任意相邻的两个永磁铁的N-S极安装方位相反，且每一个永磁体的N极和S极的宽度为SH导波波长的二分之一。
进一步地，所述跑道线圈由外径为0.21～1.15mm的丝包线绕制而成；所述永磁体固定支架包括固定所述周期性永磁体组的固定部、设置于所述固定部顶部的定位螺纹杆，所述定位螺纹杆贯穿所述外壳顶部并通过紧固螺母固定。
进一步地，所述提取高阶SH导波时域信号包括：
沿频率方向对时频图进行切片，根据高阶SH导波频率范围，对切取的时频图片段逐一分析，识别高阶SH导波时频图片段，并保存该时频图片段对应的频谱系数；
将保存的高阶SH导波的频谱系数相加，并利用同步挤压小波反变换，重构得到高阶SH导波时域信号。
具体原理过程如下：
电磁超声SH导波激励探头中的激励线圈在高频大电流Ie的作用下，在钢轨轨底趋肤深度内形成脉冲涡流Je，在周期性永磁体提供的垂直偏置磁场Bs的作用下，产生洛伦兹力fl。
钢轨轨底内部质点在洛伦兹力fl的作用下，产生周期性振动，这种振动以波的形式传播时，就形成了SH导波。周期性永磁体中每一个N极和S极的宽度D按SH导波波长的二分之一制作，通过控制永磁体的宽度D，就可以产生不同波长的SH导波。
电磁超声SH导波激励探头及电磁超声SH导波接收探头紧贴钢轨轨底表面放置，钢轨轨底内部质点在洛伦兹力的作用下产生SH导波，并沿着钢轨长度方向传播。当SH导波沿钢轨长度方向传播遇到缺陷时，会发生反射形成缺陷回波。根据逆洛伦兹力效应，反射回来的SH导波在钢轨轨底振动，引起电磁超声SH导波接收探头周围磁场的变化，在接收线圈中感生出电压信号，并作为SH导波信号被接收。
保持电磁超声SH导波激励探头及电磁超声SH导波接收探头间距(100～200mm)不变，以1～4mm为步长，沿钢轨轨底待测长度方向移动电磁超声SH导波激励探头及电磁超声SH导波接收探头，采集钢轨轨底不同位置检测回波信号。
检测回波信号同步挤压小波变换处理后，识别时频图中高阶SH导波的频率范围。沿着频率方向对时频图进行切片，每个片段逐次分析，保留高阶SH导波时频图片段对应的频谱系数(即同步挤压变换量值Tf(ωl,b))。分析完所有的时频图片段后，将保留的频谱系数相加，通过同步挤压小波反变换，重构高阶SH导波时域信号。
对20～200组高阶SH导波时域信号进行B扫描成像，成像图分辨率非常高，可以直观的得到裂纹的位置和大小，小裂纹也能直观显示，实现了钢轨轨底的长距离快速检测，保障了行车安全。
本发明提出了一种钢轨轨底裂纹高阶SH导波成像检测方法及系统，具有如下优点：
(1)采用非接触电磁超声技术，不需要携带耦合剂，对被沙土和道渣覆盖的钢轨轨底也可以直接探伤，适合钢轨轨底的野外现场检测。
(2)高阶SH导波可以结合飞行时间的变化，模态终止等信息进行缺陷的识别，相比于基础阶SH0导波，高阶SH导波频率较高，具有高分辨率和高缺陷检测灵敏度等优点，对小的裂纹也能直观识别。但由于SH导波的频散特性，难以实现单一高阶SH导波的激发与接收，通过对SH导波接收信号进行同步挤压小波变换，将高阶SH导波信号与低阶SH导波信号在频率方向上分离，可以提取检测回波信号中的高阶SH导波信号，实现钢轨轨底裂纹的高阶SH导波成像检测，实现钢轨轨底的长距离快速检测。
(3)B扫描成像可以直观识别裂纹的位置和大小，不需要复杂的缺陷定位及当量大小计算，适用于钢轨轨底的在役无损检测，实现钢轨轨底长距离快速检测，保证行车安全。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种钢轨轨底裂纹高阶SH导波成像检测系统结构示意图；
图2是本发明实施例提供的跑道线圈产生洛伦兹力的原理示意图；
图3是本发明实施例提供的基于洛伦兹力机理在钢轨轨底产生SH导波的原理示意图；
图4是本发明实施例提供的电磁超声SH导波激励/接收探头结构及钢轨轨底安装示意图；
图5是本发明实施例提供的钢轨轨底检测电磁超声SH导波激励/接收探头安装示意图；
图6是本发明实施例提供的高阶SH导波时域信号提取流程图；
图7是本发明实施例提供的对检测回波信号进行同步挤压小波变换得到的时频图；
图8是本发明实施例提供的高阶SH导波时域信号B扫描成像图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。
实施例1
如图1及图5所示，本实施例提供了一种钢轨轨底裂纹高阶SH导波成像检测系统，包括依次连接的PC机1、信号发生器2、脉冲功率放大器3、第一阻抗匹配电路4、电磁超声SH导波激励探头(激励EMAT)5；还包括依次连接的电磁超声SH导波接收探头(接收EMAT)7、第二阻抗匹配电路8、前置滤波放大器9、数据采集卡10，所述数据采集卡10还与所述PC机1连接；
所述信号发生器2用于接收所述PC机1的激发指令并产生正弦脉冲串电流；
所述脉冲功率放大器3用于将所述信号发生器2产生的正弦脉冲串电流放大，并经所述第一阻抗匹配电路4传输至电磁超声SH导波激励探头5；
所述电磁超声SH导波激励探头5用于在通入放大后的正弦脉冲串电流后使钢轨轨底6激发出沿钢轨长度方向传播的SH导波；
所述电磁超声SH导波接收探头7用于接收反射回波，并产生检测回波信号经所述第二阻抗匹配电路8传输至所述前置滤波放大器9；
所述前置滤波放大器9用于将接收的检测回波信号进行滤波放大，并传输至数据采集卡10；
所述数据采集卡10用于将放大后的检测回波信号转换为数字信号并传输至PC机1；
第一阻抗匹配电路4用于实现电磁超声SH导波激励探头5中激励线圈与脉冲功率放大器3输出阻抗之间的阻抗匹配，第二阻抗匹配电路8用于实现电磁超声SH导波接收探头7中接收线圈与前置滤波放大器9输入阻抗之间的阻抗匹配，使激励和接收SH导波幅值最大化，实现能量传递最大化，提高电磁超声SH导波激励和接收探头的换能效率。
所述PC机1用于向所述信号发生器2发送激发指令以及接收数据采集卡10传输的检测回波信号；所述PC机1在保持电磁超声SH导波激励探头5和电磁超声SH导波接收探头7的间距不变，并将两者以预设步长沿钢轨轨底待测长度方向移动的情况下，会接收得到多组检测回波信号；所述PC机1还用于将接收的每组检测回波信号均进行同步挤压小波变换处理，得到高阶SH导波信号与低阶SH导波信号在频率方向分离的时频图，并提取高阶SH导波时域信号，进而得到多组高阶SH导波时域信号；并对得到的多组高阶SH导波时域信号进行B扫描成像，得到钢轨轨底缺陷成像图。具体实施时，可通过PC机1上的LabVIEW软件进行电磁超声激励参数(包括电流幅值、触发间隔、频率、持续时间等)调整；还可进行电磁超声接收参数(包括增益倍数、滤波参数、平均次数等)调整；以及超声回波信号的显示与记录。
如图4所示，其中，所述电磁超声SH导波激励探头5及电磁超声SH导波接收探头7结构相同，均包括外壳51以及设置于所述外壳51内部的垂直充磁的周期性永磁体组52、跑道线圈53、永磁体固定支架54，所述跑道线圈53设置于所述外壳51底部，所述周期性永磁体组52设置于所述跑道线圈53上方，所述永磁体固定支架54安装于所述外壳51上并将所述周期性永磁体组52固定；所述跑道线圈53底部还设置有耐磨层55，避免在移动激励探头和接收探头的过程中，跑道线圈53与钢轨轨底6直接接触摩擦，造成跑道线圈53严重磨损，导致激励探头和接收探头失效，无法激励及接收SH导波信号；所述外壳51外侧底部设置有多个滚动轴承56，方便移动电磁超声SH导波激励探头5及电磁超声SH导波接收探头7，同时保证跑道线圈53与钢轨轨底6之间的提离距离为0.5～2mm。其中，外壳51由不锈钢制成，主要用于保护其内部的周期性永磁体组52、跑道线圈53等结构，以及屏蔽外部环境的电磁干扰信号。
具体的，如图2-4所示，所述周期性永磁体组52包括两列永磁铁，所述两列永磁铁中任意相邻的两个永磁铁的N-S极安装方位相反，根据实际情况的需要，具体实施时，永磁铁采用牌号为N35-N52、沿垂直方向充磁的方形铷铁硼磁铁，宽度为3-15mm，长度为10-25mm，高度为10-20mm，产生垂直于钢轨轨底表面的静磁场；且每一个永磁体的N极和S极的宽度D为SH导波波长λ的二分之一，即
Figure BDA0002489808150000071
其中，所述跑道线圈53由外径为0.21～1.15mm的丝包线绕制而成；所述永磁体固定支架54包括固定所述周期性永磁体组的固定部、设置于所述固定部顶部的定位螺纹杆，所述定位螺纹杆贯穿所述外壳顶部并通过紧固螺母57固定。通过定位螺纹杆与紧固螺母的配合，可自行调整使跑道线圈紧贴钢轨轨底表面，提高换能效率。紧固螺母用于放置永磁体固定支架向下移动，周期性永磁体组与钢轨轨底之间的吸力可放置永磁体固定支架向上移动。
其中，经脉冲功率放大器3放大后传输至电磁超声SH导波激励探头5的正弦脉冲串电流的频率为40～200kHz，电流为10～100A，持续时间为10～20个周期，其瞬态功率达到5～15KW。
在实施时，电磁超声SH导波激励探头5与电磁超声SH导波接收探头7的间距为100～200mm，所述预设步长为1～4mm；共采集20～200组检测回波信号。
其中，所述提取高阶SH导波时域信号包括：
沿频率方向对时频图进行切片，根据高阶SH导波频率范围，对切取的时频图片段逐一分析，识别高阶SH导波时频图片段，并保存该时频图片段对应的频谱系数；
将保存的高阶SH导波的频谱系数相加，并利用同步挤压小波反变换，重构得到高阶SH导波时域信号。
所述将接收的每组检测回波信号均进行同步挤压小波变换处理，得到高阶SH导波信号与低阶SH导波信号在频率方向分离的时频图，并提取高阶SH导波时域信号，其具体的处理过程如下：
调用同步挤压小波算法对检测回波信号f(t)进行同步挤压小波变换，f(t)表示为：
Figure BDA0002489808150000081
式中：Ak为第k个时变分量的幅值，θk为第k个时变分量的相位，e(t)为分解余量，K为分解的分量数；检测回波信号f(t)的小波系数Wf(a,b)为：
Figure BDA0002489808150000082
式中：a为尺度因子；b为平移因子；Ψ为母小波函数；“*”为共轭；根据Plancherel原理可知：
Figure BDA0002489808150000083
式中：ε为角频率；
Figure BDA0002489808150000084
为检测回波信号f(t)的傅里叶变换；
Figure BDA0002489808150000085
为Ψ(t)的傅里叶变换；检测回波信号f(t)的连续小波变换为：
Figure BDA0002489808150000086
若
Figure BDA0002489808150000087
在负频率域趋于零，则小波系数Wf(a,b)集中分布在时间尺度
Figure BDA0002489808150000088
处，通过对小波系数求偏导数估计检测回波信号f(t)的瞬时频率：
Figure BDA0002489808150000089
检测回波信号f(t)的小波系数Wf(a,b)由时间-尺度平面(b,a)转换到时间-频率平面[b,ωf(a,b)]，并重新进行排列；小波系数Wf(a,b)的同步挤压变换量值Tf(ωl,b)，通过挤压任一中心频率ωl附近区间
Figure BDA0002489808150000091
的值获得，即：
Figure BDA0002489808150000092
检测回波信号f(t)经过上式的处理后，高阶SH导波信号与低阶SH导波信号在频率方向分离；
检测回波信号f(t)同步挤压小波变换后，对频率方向进行切片分析，提取高阶SH导波频率方向频谱系数，所述同步挤压变换量值Tf(ωl,b)即为频谱系数；通过同步挤压小波反变换得到高阶SH导波时域信号g(t)：
Figure BDA0002489808150000093
式中：
Figure BDA0002489808150000094
Figure BDA0002489808150000095
为母小波函数的共轭傅里叶变换；Re式为取实部；ai为离散的尺度；i为尺度个数。
实施例2
本实施例提供了一种钢轨轨底裂纹高阶SH导波成像检测方法，包括：
在待测钢轨轨底表面间隔设置电磁超声SH导波激励探头和电磁超声SH导波接收探头；
在电磁超声SH导波激励探头通入能使钢轨轨底激发出SH导波的正弦脉冲串电流；
电磁超声SH导波接收探头接收反射回波并将信号传输至PC机，得到一组检测回波信号；
保持电磁超声SH导波激励探头和电磁超声SH导波接收探头的间距不变，并将两者以预设步长沿钢轨轨底待测长度方向移动，并重复上述步骤，采集得到多组检测回波信号；
将采集的每组检测回波信号均进行同步挤压小波变换处理，得到高阶SH导波信号与低阶SH导波信号在频率方向分离的时频图，如图7所示，并提取高阶SH导波时域信号，进而得到多组高阶SH导波时域信号；上述过程具体流程参见图6；其中，所述提取高阶SH导波时域信号包括：沿频率方向对时频图进行切片，根据高阶SH导波频率范围，对切取的时频图片段逐一分析，识别高阶SH导波时频图片段，并保存该时频图片段对应的频谱系数；将保存的高阶SH导波的频谱系数相加，并利用同步挤压小波反变换，重构得到高阶SH导波时域信号。
对得到的多组高阶SH导波时域信号进行B扫描成像，得到钢轨轨底缺陷成像图，如图8所示。
其中，所述正弦脉冲串电流的频率为40～200kHz，电流为10～100A，持续时间为10～20个周期，其瞬态功率达到5～15KW。电磁超声SH导波激励探头与电磁超声SH导波接收探头的间距为100～200mm，所述预设步长为1～4mm；所述多组检测回波信号的组数为20～200组。
关于将接收的每组检测回波信号均进行同步挤压小波变换处理，得到高阶SH导波信号与低阶SH导波信号在频率方向分离的时频图，并提取高阶SH导波时域信号，其具体的数据处理过程参见实施例1，在此不再进行赘述。
具体原理如下：
如图2所示，电磁超声SH导波激励探头中的激励线圈在高频正弦脉冲串电流Ie的作用下，在钢轨轨底趋肤深度内形成脉冲涡流Je，在周期性永磁体提供的垂直偏置磁场Bs的作用下，产生洛伦兹力fl。
如图3所示，钢轨轨底内部质点在洛伦兹力fl的作用下，产生周期性振动，这种振动以波的形式传播时，就形成了SH导波。周期性永磁体中每一个N极和S极的宽度D按SH导波波长的二分之一制作，通过控制永磁体的宽度D，就可以产生不同波长的SH导波。
如图5所示，电磁超声SH导波激励探头及电磁超声SH导波接收探头紧贴钢轨轨底表面放置，钢轨轨底内部质点在洛伦兹力的作用下产生SH导波，并沿着钢轨长度方向传播。当SH导波沿钢轨长度方向传播遇到缺陷时，会发生反射形成缺陷回波。根据逆洛伦兹力效应，反射回来的SH导波在钢轨轨底振动，引起电磁超声SH导波接收探头周围磁场的变化，在接收线圈中感生出电压信号，并作为SH导波信号被接收。
保持电磁超声SH导波激励探头及电磁超声SH导波接收探头间距(100～200mm)不变，以1～4mm为步长，沿钢轨轨底待测长度方向移动电磁超声SH导波激励探头及电磁超声SH导波接收探头，采集钢轨轨底不同位置检测回波信号。
将每组检测回波信号同步挤压小波变换处理后，得到的时频图如图7所示，识别时频图中高阶SH导波的频率范围。沿着频率方向对时频图进行切片，每个片段逐次分析，保留高阶SH导波时频图片段对应的频谱系数(即同步挤压变换量值Tf(ωl,b))。分析完所有的时频图片段后，将保留的频谱系数相加，通过同步挤压小波反变换，重构高阶SH导波时域信号。
对20～200组高阶SH导波时域信号进行B扫描成像，B扫描成像图如图8所示，成像图分辨率非常高，可以直观的得到裂纹的位置和大小，小裂纹也能直观显示，实现了钢轨轨底的长距离快速检测，保障了行车安全。
本发明提出了一种钢轨轨底裂纹高阶SH导波成像检测方法及系统，具有如下优点：
(1)采用非接触电磁超声技术，不需要携带耦合剂，对被沙土和道渣覆盖的钢轨轨底也可以直接探伤，适合钢轨轨底的野外现场检测。
(2)高阶SH导波可以结合飞行时间的变化，模态终止等信息进行缺陷的识别，相比于基础阶SH0导波，高阶SH导波频率较高，具有高分辨率和高缺陷检测灵敏度等优点，对小的裂纹也能直观识别。但由于SH导波的频散特性，难以实现单一高阶SH导波的激发与接收，通过对SH导波接收信号进行同步挤压小波变换，使得时频图中高阶SH导波与低阶SH导波在频率方向分离，沿频率方向可以提取检测回波信号中的高阶SH导波，实现钢轨轨底裂纹的高阶SH导波成像检测，实现钢轨轨底的长距离快速检测。
(3)B扫描成像可以直观识别裂纹的位置和大小，不需要复杂的缺陷定位及当量大小计算，适用于钢轨轨底的在役无损检测，实现钢轨轨底长距离快速检测，保证行车安全。
(4)采用丝包线绕制跑道线圈，可自由调节的永磁体固定支架使得跑道线圈与复杂形貌的钢轨轨底紧密贴合，可以保证较高换能效率，避免跑道线圈与钢轨轨底贴合问题而导致的换能效率急剧下降。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钢轨轨底裂纹高阶SH导波成像检测方法，其特征在于，包括：
在待测钢轨轨底表面间隔设置电磁超声SH导波激励探头和电磁超声SH导波接收探头；
在电磁超声SH导波激励探头通入能使钢轨轨底激发出SH导波的正弦脉冲串电流；
电磁超声SH导波接收探头接收反射回波并将信号传输至PC机，得到一组检测回波信号；
保持电磁超声SH导波激励探头和电磁超声SH导波接收探头的间距不变，并将两者以预设步长沿钢轨轨底待测长度方向移动，并重复上述步骤，采集得到多组检测回波信号；
将采集的每组检测回波信号均进行同步挤压小波变换处理，得到高阶SH导波信号与低阶SH导波信号在频率方向分离的时频图，并提取高阶SH导波时域信号，进而得到多组高阶SH导波时域信号；
对得到的多组高阶SH导波时域信号进行B扫描成像，得到钢轨轨底缺陷成像图。
2.根据权利要求1所述的钢轨轨底裂纹高阶SH导波成像检测方法，其特征在于，所述正弦脉冲串电流的频率为40～200kHz，电流为10～100A，持续时间为10～20个周期。
3.根据权利要求1所述的钢轨轨底裂纹高阶SH导波成像检测方法，其特征在于，电磁超声SH导波激励探头与电磁超声SH导波接收探头的间距为100～200mm，所述预设步长为1～4mm；所述多组检测回波信号的组数为20～200组。
4.根据权利要求1至3任一项所述的钢轨轨底裂纹高阶SH导波成像检测方法，其特征在于，所述提取高阶SH导波时域信号包括：
沿频率方向对时频图进行切片，根据高阶SH导波频率范围，对切取的时频图片段逐一分析，识别高阶SH导波时频图片段，并保存该时频图片段对应的频谱系数；
将保存的高阶SH导波的频谱系数相加，并利用同步挤压小波反变换，重构得到高阶SH导波时域信号。
5.根据权利要求1至3任一项所述的钢轨轨底裂纹高阶SH导波成像检测方法，其特征在于，所述将采集的每组检测回波信号均进行同步挤压小波变换处理，得到高阶SH导波信号与低阶SH导波信号在频率方向分离的时频图，并提取高阶SH导波时域信号，具体包括：
调用同步挤压小波算法对检测回波信号f(t)进行同步挤压小波变换，f(t)表示为：
Figure FDA0002489808140000011
式中：Ak为第k个时变分量的幅值，θk为第k个时变分量的相位，e(t)为分解余量，K为分解的分量数；检测回波信号f(t)的小波系数Wf(a,b)为：
Figure FDA0002489808140000012
式中：a为尺度因子；b为平移因子；Ψ为母小波函数；“*”为共轭；根据Plancherel原理可知：
Figure FDA0002489808140000021
式中：ε为角频率；
Figure FDA0002489808140000022
为检测回波信号f(t)的傅里叶变换；
Figure FDA0002489808140000023
为Ψ(t)的傅里叶变换；检测回波信号f(t)的连续小波变换为：
Figure FDA0002489808140000024
若
Figure FDA0002489808140000025
在负频率域趋于零，则小波系数Wf(a,b)集中分布在时间尺度
Figure FDA0002489808140000026
处，通过对小波系数求偏导数估计检测回波信号f(t)的瞬时频率：
Figure FDA0002489808140000027
检测回波信号f(t)的小波系数Wf(a,b)由时间-尺度平面(b,a)转换到时间-频率平面[b,ωf(a,b)]，并重新进行排列；小波系数Wf(a,b)的同步挤压变换量值Tf(ωl,b)，通过挤压任一中心频率ωl附近区间
Figure FDA0002489808140000028
的值获得，即：
Figure FDA0002489808140000029
检测回波信号f(t)经过上式的处理后，高阶SH导波信号与低阶SH导波信号在频率方向分离；
检测回波信号f(t)同步挤压小波变换后，对频率方向进行切片分析，提取高阶SH导波频率方向频谱系数，所述同步挤压变换量值Tf(ωl,b)即为频谱系数；通过同步挤压小波反变换得到高阶SH导波时域信号g(t)：
Figure FDA00024898081400000210
式中：
Figure FDA00024898081400000211
Figure FDA00024898081400000212
为母小波函数的共轭傅里叶变换；Re式为取实部；ai为离散的尺度；i为尺度个数。
6.一种钢轨轨底裂纹高阶SH导波成像检测系统，其特征在于，包括依次连接的PC机、信号发生器、脉冲功率放大器、第一阻抗匹配电路、电磁超声SH导波激励探头；还包括依次连接的电磁超声SH导波接收探头、第二阻抗匹配电路、前置滤波放大器、数据采集卡，所述数据采集卡还与所述PC机连接；
所述信号发生器用于接收所述PC机的激发指令并产生正弦脉冲串电流；
所述脉冲功率放大器用于将所述信号发生器产生的正弦脉冲串电流放大，并经所述第一阻抗匹配电路传输至电磁超声SH导波激励探头；
所述电磁超声SH导波激励探头用于在通入放大后的正弦脉冲串电流后使钢轨轨底激发出沿钢轨长度方向传播的SH导波；
所述电磁超声SH导波接收探头用于接收反射回波，并产生检测回波信号经所述第二阻抗匹配电路传输至所述前置滤波放大器；
所述前置滤波放大器用于将接收的检测回波信号进行滤波放大，并传输至数据采集卡；
所述数据采集卡用于将放大后的检测回波信号转换为数字信号并传输至PC机；
所述PC机用于向所述信号发生器发送激发指令以及接收数据采集卡传输的检测回波信号；所述PC机在保持电磁超声SH导波激励探头和电磁超声SH导波接收探头的间距不变，并将两者以预设步长沿钢轨轨底待测长度方向移动的情况下，会接收得到多组检测回波信号；所述PC机还用于将接收的每组检测回波信号均进行同步挤压小波变换处理，得到高阶SH导波信号与低阶SH导波信号在频率方向分离的时频图，并提取高阶SH导波时域信号，进而得到多组高阶SH导波时域信号；并对得到的多组高阶SH导波时域信号进行B扫描成像，得到钢轨轨底缺陷成像图。
7.根据权利要求6所述的钢轨轨底裂纹高阶SH导波成像检测系统，其特征在于，所述电磁超声SH导波激励探头及电磁超声SH导波接收探头结构相同，均包括外壳以及设置于所述外壳内部的垂直充磁的周期性永磁体组、跑道线圈、永磁体固定支架，所述跑道线圈设置于所述外壳底部，所述周期性永磁体组设置于所述跑道线圈上方，所述永磁体固定支架安装于所述外壳上并将所述周期性永磁体组固定；所述跑道线圈底部还设置有耐磨层；所述外壳外侧底部设置有多个滚动轴承，以保证跑道线圈与钢轨轨底之间的提离距离为0.5～2mm。
8.根据权利要求7所述的钢轨轨底裂纹高阶SH导波成像检测系统，其特征在于，所述周期性永磁体组包括两列永磁铁，所述两列永磁铁中任意相邻的两个永磁铁的N-S极安装方位相反，且每一个永磁体的N极和S极的宽度为SH导波波长的二分之一。
9.根据权利要求7所述的钢轨轨底裂纹高阶SH导波成像检测系统，其特征在于，所述跑道线圈由外径为0.21～1.15mm的丝包线绕制而成；所述永磁体固定支架包括固定所述周期性永磁体组的固定部、设置于所述固定部顶部的定位螺纹杆，所述定位螺纹杆贯穿所述外壳顶部并通过紧固螺母固定。
10.根据权利要求6至9任一项所述的钢轨轨底裂纹高阶SH导波成像检测系统，其特征在于，所述提取高阶SH导波时域信号包括：
沿频率方向对时频图进行切片，根据高阶SH导波频率范围，对切取的时频图片段逐一分析，识别高阶SH导波时频图片段，并保存该时频图片段对应的频谱系数；
将保存的高阶SH导波的频谱系数相加，并利用同步挤压小波反变换，重构得到高阶SH导波时域信号。
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