CN112485790B - 基于k波段雷达的轨道非接触式变形高精度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于K波段雷达的轨道非接触式变形高精度测量方法，充分利用K波段雷达绝对测距与相位检测相结合的手段，分别确定K波段雷达至钢轨的距离以及钢轨的位移变形，通过雷达发射电磁波与接收电磁波之间的延迟，测算雷达至钢轨间的距离s，然后，通过监测接收到电磁波的相位变化，可获得监测钢轨的实时变化获知钢轨至雷达中心点的微变形，然后，通过计算钢轨与雷达中心点微变形的水平竖直分量，从而获知轨道的微变形。该方法实现了全天候轨道变形监测，对于多条铁路轨道集中区域，还可以自动区分不同轨道的钢轨，且充分的利用了K波段雷达的高精度测量特性和便携特性，提高了轨道变形监测的测量精度。

Description

基于K波段雷达的轨道非接触式变形高精度测量方法

技术领域

本发明属于建筑工程测量领域，具体涉及一种基于K波段雷达的轨道非接触式变形高精度测量方法。

背景技术

目前，随着高速铁路的发展，列车运行速度逐年提高，由最初的120Km/h向600Km/h迈进。但过高的列车速度，对铁路轨道提出了更高要求，如高速铁路轨道间距必须控制在1mm的精度范围内，除此之外，高速铁路运营过程中，需要对钢轨的沉降，进行严格控制。

现阶段，对高铁轨道变形的检测，主要依靠人工定期巡检，人工巡检需要在夜里列车停运以后的短暂窗口期进行，增加了人工检测强度；除此之外，近年来，自动巡检车也被用于高铁轨道变形检测，通过将测距传感器(如激光测距、激光雷达、影响测距等)安装在自动巡检车，并与车内数据采集计算机连接，巡检车在行驶过程中对期所在轨道的变形进行检测。自动巡检车具有采集精度高、采集速率快等特点，但轨道自动巡检车作业仍需要在无列车停运期间完成轨道变形检测，影响了铁路运行效率，光学检测设备受阴雨、扬尘等环境影响严重，并且自动巡检车只能对其运行的轨道进行检测，检测设备昂贵、维护困难。雷达技术作为一种非接触测量技术，利用电磁波信号对被测物体进行非接触在线测量，避免了阴雨、扬尘等环境影响，目前已广泛被应用于进行变形测量。对于单条轨道，雷达技术可以快速分辨出待测钢轨变形，但对于多条轨道同时存在区域，利用K波段雷达进行变形测量，无法快速分辨每条轨道对应的钢轨，需要人员现场定位，且测量精度不够高，提高了监测复杂性及实施难度。

对此，急需设计一种铁轨变形的高精度测量方法，以实现全天候轨道变形监测，并可以自动区分不同轨道的钢轨，避免人员现场定位，提高监测方便性和测量精度。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于此，本发明提出一种基于K波段雷达的轨道非接触式变形高精度测量方法，该测量方法不仅可以通过非接触手段实现轨道钢轨变形(如铁轨的沉降、轨间距变形)，实现了全天候轨道变形监测，对于多条铁路轨道集中区域，还可以自动区分不同轨道的钢轨，避免人员对复杂的多轨道现场进行定位，该方法充分的利用了K波段雷达的测量特性和便携特性，进一步提高了监测的方便性和测量精度。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明提供了一种基于K波段雷达的轨道非接触式变形高精度测量方法，所述测量方法具体包含如下步骤：

步骤1：在铁路轨道密集区域，设置K波段雷达对多轨道聚集区域的轨道变形进行测量，确定雷达安装位置与轨道之间的竖直高度差H；

步骤2：通过K波段雷达发射电磁波与接收电磁波之间的延迟，计算各钢轨到雷达间的距离s，由竖直高度差H和距离s，通过勾股定理计算各钢轨至雷达之间的水平距离L；

步骤3：根据步骤2中的各钢轨至雷达之间的水平距离L，判断各钢轨之间的距离D；

步骤4：判断步骤3中各钢轨之间的距离D是否在预设范围内，如果距离D在预设范围内，则表示距离D的两端点对应的两条钢轨为同一条线路；

步骤5：计算钢轨的水平和竖直方向的微变形；

根据竖直高度差H和距离s，分别计算雷达与各钢轨之间的连线与水平之间的夹角φ；

通过K波段雷达检测各钢轨反射信号与发射信号的相位差变化与距离变化Δs之间的关系/>计算K波段雷达与各钢轨之间距离向的微变形量Δs，其中λ为K波段雷达发射电磁波波长；

最后，根据微变形量Δs和夹角φ，通过公式Δs*cosφ和Δs*sinφ分别计算出每条钢轨的水平和竖直方向的微变形量Δs_(水平)、Δs_(竖直)；

步骤6：根据已辨出属于同一条线路的微变形量Δs_(水平)，计算同一条线路中相邻钢轨间的水平距离变化ΔL。

进一步的，所述步骤1中所述的K波段雷达安装在运动的自动巡检车上。

进一步的，所述轨道的条数为两条以上，每条轨道包括2条钢轨。

进一步的，所述步骤2中计算各钢轨到雷达间的距离s的公式为：

s＝c*Δt/2

其中，c电磁波传播速度，Δt接收信号与发射信号之间的时间延迟。

进一步的，所述步骤4中的预设范围为(1.435±Δt)m，其中0<Δt≤0.1m。

进一步的，在步骤2中提前进行K波段雷达与各钢轨之间距离向的微变形量Δs的计算。

进一步的，步骤5中还包括如下判断方法：若微变形量Δs>0，则表示钢轨远离雷达方向变形，若微变形量Δs<0，则表示钢轨靠近雷达方向变形。

进一步的，步骤6中还包括如下判断方法：当ΔL>0时，判断为轨间距变小，当ΔL<0时，判断为轨间距变大；当ΔL的绝对值大于某一设定阈值时，进行报警提示，并通过自动巡检车上的GPS定位轨道大幅度变形处的具体位置。

此外，本发明还公开了一种基于K波段雷达的轨道非接触式变形高精度测量系统，包括：

至少一个处理器以及与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如上述任一项的基于K波段雷达的轨道非接触式变形高精度测量方法。

此外，本发明还公开了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如上述任一项所述的基于K波段雷达的轨道非接触式变形高精度测量方法。

(三)有益效果

本发明提出了一种基于K波段雷达的轨道非接触式变形高精度测量方法，与现有技术相比具有如下优点和有益效果：

1)本发明的测量方法不仅可以通过非接触手段实现轨道钢轨变形(如铁轨的沉降、轨间距变形)，实现了全天候轨道变形监测，对于多条铁路轨道集中区域，还可以自动区分不同轨道的钢轨，避免人员对复杂的多轨道现场进行定位。

2)本发明的测量方法利用了K波段雷达检测各钢轨反射信号与发射信号的相位差变化与距离变化间的关系，充分利用K波段雷达绝对测距与相位检测相结合的手段，且通过雷达发射电磁波与接收电磁波之间的延迟计算得出雷达与各钢轨之间的连线与水平之间的夹角，最后得出每条钢轨垂直和水平方向的微变形量，充分的利用了K波段雷达的测量特性和便携特性来提高计算的变形精度。

3)此外，该测量方法无需增加更多的硬件，实施方式简单，且其计算量小，适合通过软件自动实现计算和判断。

附图说明

图1为本发明中K波段雷达轨道变形监测系统示意图，其中上图为侧视图，下图为俯视图。

图2为本发明中基于K波段雷达的轨道非接触式变形高精度测量方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明进行清楚、完整地描述，同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

考虑在现有技术中的K波段雷达相对于其它波段的雷达(例如X波段)具有如下优点：

(1)由波瓣宽度的比较，Ku波段雷达的定位精度高于X波段雷达；

(2)由于Ku波段雷达的工作频率15.7GHz—16.7GHz远远高于X波段雷达的工作频率9.0GHz—9.5GHz，Ku波段雷达比X波段雷达更不易受干扰，在大雨、大雪的天气情况下仍然有良好的效果；

(3)由于Ku波段雷达的垂直波束俯角比X波段雷达的大，可知Ku波段雷达有较好的俯视角可以覆盖更近的区域；

(4)由于Ku波段雷达的重量(760Kg)比X波段雷达的重量(1500Kg)要轻740Kg，而且尺寸也要比X波段雷达小，对于在建的建筑结构没有很大影响，另外据有关报道X波段雷达的噪声和振动比Ku波段雷达大，对管制员可能有会有一定的影响。

基于此，本发明设计了一种基于K波段雷达的轨道非接触式变形高精度测量方法，具体实施方式如下：

如图1-2所示，本发明中基于K波段雷达的轨道非接触式变形高精度测量方法包含如下步骤1-6：

步骤1：在铁路轨道密集区域，设置K波段雷达(可以是固定的，也可以是安装在运动的自动巡检车上，低车速基本不会对测量结果和精度造成影响)，利用K波段雷达对多轨道聚集区域轨道变形进行测量，确定雷达安装位置与轨道之间的竖直高度差H；

步骤2：通过雷达发射电磁波与接收电磁波之间的延迟，测算雷达至钢轨间的距离s＝c*Δt/2，其中，c电磁波传播速度，Δt接收信号与发射信号之间的时间延迟，计算各钢轨到雷达间的距离s1、s2、s3、s4(即同时针对两条铁路线进行检测)，由以上数据，可计算各钢轨至雷达间的水平距离L：

Ll²＝s1²-H²，L2²＝s2²-H²，L3²＝s3²-H²，L4²＝s4²-H² (1)

步骤3：根据(1)式的水平距离L判断各钢轨之间的距离D：

D1＝L2-L1，D2＝L3-L2，D3＝L4-L3 (2)

步骤4：根据步骤3中的距离D，判断各个距离D1、D2、D3是否接近轨间距设计尺寸，即D1、D2、D3是否在(1.435±Δt)m范围内，Δt取小于等于0.1m大于0m的范围，如果钢轨间距在(1.435±Δt)m范围内，则表示相邻D1、D2、D3距离两端点对应的两条钢轨为同一条线路；

步骤5：计算钢轨的水平和竖直方向的微变形

根据竖直高度差H和各钢轨到K波段雷达间的距离s1～s4，分别计算K波段雷达与各钢轨之间的连线与水平之间的夹角φ1～φ4：

通过K波段雷达检测各钢轨反射信号与发射信号的相位差变化与距离变化Δs之间的关系/>(λ为K波段雷达发射电磁波波长)，计算K波段雷达与各钢轨之间距离向的微变形量：Δs1，Δs2，Δs3，Δs4；

若微变形量Δs>0，则表示钢轨远离雷达方向变形，若微变形量Δs<0，则表示钢轨靠近雷达方向变形；

根据微变形量Δs1，Δs2，Δs3，Δs4和作为基准不变量的夹角φ1～φ4，计算钢轨的水平和竖直方向的微变形量；

通过下式，计算得到每条钢轨水平方向的微变形量为：

通过下式，计算得到每条钢轨垂直方向的微变形量为：

步骤6：根据已分辨出属于同一条线路的微变形，计算其相邻钢轨间的水平距离变化ΔL，以同一条线路上的钢轨A、钢轨B为例，ΔL可表示为：

ΔL＝Δs1_(水平)-Δs2_(水平) (6)

当ΔL>0时，说明轨间距变小，当ΔL<0时，说明轨间距变大。

进一步的，步骤6中如果计算得出的相邻钢轨间的水平距离变化ΔL的绝对值大于某一设定阈值时，计算系统可以发出信号进行报警提示，并通过小车上的GPS定位该轨道大幅度变形处的具体位置，以保证轨道运输的安全性。此外，步骤5中微变形量Δs1，Δs2，Δs3，Δs4的计算也可以选择在步骤2中提前进行。

由上述步骤1-6可知，本发明基于K波段雷达的优点和特性，充分利用K波段雷达绝对测距与相位检测相结合的手段，分别确定K波段雷达至钢轨的距离以及钢轨的位移变形，通过雷达发射电磁波与接收电磁波之间的延迟，测算雷达至钢轨间的距离s＝c*Δt/2(其中，c电磁波传播速度，Δt接收信号与发射信号之间的时间延迟)，然后，通过监测接收到电磁波的相位变化，可获得监测钢轨的实时变化(其中，/>为钢轨变形前后，雷达接收到的电磁波信号的相位差，λ为K波段雷达发射电磁波波长)，从而获知钢轨至雷达中心点的微变形，然后，通过计算钢轨与雷达中心点微变形的水平竖直分量，从而获知轨道的微变形。

另外，对于单条轨道，可以轻而易举测量两根钢轨的变形量(竖直变形与轨间变形)，但当多条铁路轨道集中时，需要通过测量人员核对测量轨道目标。本发明基于K波段雷达有较好的俯视角可以覆盖更近的区域的优点，根据计算相邻钢轨间的轨间距，自动判断相邻两条钢轨是否属于同一条轨道，从而在自动巡检车带动K波段雷达的移动过程中可以轻松地对轨道变形进行实时动态监测。具体通过测量每根钢轨至雷达的水平距离L1、L2、L3、L4，由每根钢轨至监测雷达之间的水平距离可计算出每根钢轨之间的距离D1＝L2-L1，D2＝L3-L2，D2＝L4-L3，如图1所示。根据铁路建设要求，铁路轨道间距ΔL＝1.435m(以我国铁路设计为例)，因此在采集到各相邻钢轨之间的距离后，只需判断轨间距是否近似等于1.435m，如果钢轨间距近似等于1.435m，则认为两根钢轨为一条线路，如果不等于，则两根钢轨分属不同线路。由此可以便于雷达测距在多轨道密集区域，分辨出不同铁路线路。

值得一提的是，本发明的测量方法明显不仅仅只是限于实施例中的两条铁路的情况，还可以对三条以上的铁路进行监测，监测的铁路只要满足K波段雷达的测量覆盖区域即可，在n条轨道进行测量时(n≥2，即所述轨道的条数为大于等于2条，每条轨道又包括2条钢轨)，采集的变量s和L的个数也对应增加为2n个，当然计算量也会相应的上升。

需要说明的是，上述基于K波段雷达的轨道非接触式变形高精度测量方法可以作为软件程序或者计算机指令在非暂态计算机可读存储介质中执行或者在带有存储器和处理器的控制系统中执行，且其计算程序简单快速。在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种基于K波段雷达的轨道非接触式变形高精度测量方法，其特征在于，所述测量方法具体包含如下步骤：

步骤1：在铁路轨道密集区域，设置K波段雷达对多轨道聚集区域的轨道变形进行测量，确定雷达安装位置与轨道之间的竖直高度差H；所述K波段雷具体为Ku波段雷达；所述轨道的条数为两条，每条轨道包括2条钢轨；

步骤2：通过K波段雷达发射电磁波与接收电磁波之间的延迟，计算各钢轨到雷达间的距离s，由竖直高度差H和距离s，通过勾股定理计算各钢轨至雷达之间的水平距离L；

距离s＝c*Δt/2，其中，c为电磁波传播速度，Δt为接收信号与发射信号之间的时间延迟，计算各钢轨到雷达间的距离s1、s2、s3、s4，计算各钢轨至雷达间的水平距离L：

L1²＝s1²-H²，L2²＝s2²-H²，L3²＝s3²-H²，L4²＝s4²-H² (1)

步骤3：根据步骤2中的各钢轨至雷达之间的水平距离L，计算各钢轨之间的距离D；

D1＝L2-L1，D2＝L3-L2，D3＝L4-L3 (2)

步骤4：根据步骤3中的距离D，判断各个距离D1、D2、D3是否接近轨间距设计尺寸，即D1、D2、D3是否在(1.435±Δt)m范围内，Δt取小于等于0.1m大于0m的范围，如果钢轨间距在(1.435±Δt)m范围内，则表示相邻D1、D2、D3距离两端点对应的两条钢轨为同一条线路；

步骤5：计算钢轨的水平和竖直方向的微变形；

根据竖直高度差H和各钢轨到K波段雷达间的距离s1～s4，分别计算K波段雷达与各钢轨之间的连线与水平之间的夹角φ1～φ4：

通过K波段雷达检测各钢轨反射信号与发射信号的相位差变化与距离变化Δs之间的关系/>λ为K波段雷达发射电磁波波长，计算K波段雷达与各钢轨之间距离向的微变形量：Δs1，Δs2，Δs3，Δs4；

若微变形量Δs＞0，则表示钢轨远离雷达方向变形，若微变形量Δs＜0，则表示钢轨靠近雷达方向变形；

根据微变形量Δs1，Δs2，Δs3，Δs4和作为基准不变量的夹角φ1～φ4，计算钢轨的水平和竖直方向的微变形量；

通过下式，计算得到每条钢轨水平方向的微变形量为：

通过下式，计算得到每条钢轨垂直方向的微变形量为：

步骤6：根据已辨出属于同一条线路的微变形量Δs_(水平)，计算同一条线路中相邻钢轨间的水平距离变化ΔL；在同一条线路上的钢轨A和钢轨B的水平距离变化ΔL表示为：

ΔL＝Δs1_(水平)-Δs2_(水平) (6)

当ΔL＞0时，说明轨间距变小，当ΔL＜0时，说明轨间距变大。

2.根据权利要求1所述的基于K波段雷达的轨道非接触式变形高精度测量方法，其特征在于，所述步骤1中所述的K波段雷达安装在运动的自动巡检车上。

3.根据权利要求1所述的基于K波段雷达的轨道非接触式变形高精度测量方法，其特征在于，所述轨道的条数为两条以上，每条轨道包括2条钢轨。

4.根据权利要求1所述的基于K波段雷达的轨道非接触式变形高精度测量方法，其特征在于，在步骤2中提前进行所述K波段雷达与各钢轨之间距离向的微变形量Δs的计算。

5.根据权利要求2所述的基于K波段雷达的轨道非接触式变形高精度测量方法，其特征在于，步骤6中还包括如下判断方法：当ΔL的绝对值大于某一设定阈值时，进行报警提示，并通过自动巡检车上的GPS定位轨道大幅度变形处的具体位置。

6.一种基于K波段雷达的轨道非接触式变形高精度测量系统，其特征在于，包括：

至少一个处理器以及与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如权利要求1至5任一项所述的基于K波段雷达的轨道非接触式变形高精度测量方法。

7.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如权利要求1至5任一项所述的基于K波段雷达的轨道非接触式变形高精度测量方法。