[發(fā)明專(zhuān)利]基于時(shí)空四維寬頻陣列的高速鋼軌超聲探測(cè)成像方法與裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510519909.2
• 申請(qǐng)日: 2015-08-21
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105136905B
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-01-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 韋崗;王一歌;曹燕;楊萃;劉嬌蛟;馬碧云;李杰;趙明劍
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 廣州豐譜信息技術(shù)有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): G01N29/06
• 分類(lèi)號(hào): G01N29/06
• 代理公司: 廣州粵高專(zhuān)利商標(biāo)代理有限公司44102
• 代理人: 鄭永泉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及超聲探測(cè)技術(shù)，特別是針對(duì)鋼軌探傷的高速無(wú)損超聲檢測(cè)技術(shù)，具體涉及一種基于時(shí)空四維寬頻陣列的高速鋼軌超聲探測(cè)成像裝置與方法。

背景技術(shù)

鐵路作為國(guó)家重要的基礎(chǔ)設(shè)施和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈，其發(fā)展與現(xiàn)代化進(jìn)程關(guān)系到我國(guó)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和現(xiàn)代化目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。由于我國(guó)鐵路線路狀況復(fù)雜，超期服役鋼軌數(shù)量大，超負(fù)荷的運(yùn)營(yíng)使得鐵路鋼軌損傷發(fā)生率極高，直接危及運(yùn)輸和行車(chē)安全。為了確保鐵路運(yùn)營(yíng)的安全性，根據(jù)我國(guó)鋼軌探傷作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，需要定期對(duì)線路進(jìn)行檢修，平均每年每條線路需檢測(cè)5-10遍以上。由此可見(jiàn)，我國(guó)鋼軌檢修與養(yǎng)護(hù)工作量巨大，急需高效高精度的鋼軌探傷設(shè)備。

對(duì)于鋼軌的表面或近表面缺陷，可采用電磁渦流法進(jìn)行檢測(cè)；對(duì)于鋼軌內(nèi)部傷損，國(guó)內(nèi)外普遍采用超聲波進(jìn)行檢測(cè)。超聲檢測(cè)具有靈敏度高、檢測(cè)速度快、定位準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為國(guó)內(nèi)外鋼軌內(nèi)部缺陷檢測(cè)的主流手段。目前，應(yīng)用于在役鋼軌超聲探傷的主要設(shè)備分為兩類(lèi)：一類(lèi)為手推小型鋼軌超聲探傷儀，技術(shù)上屬于滑動(dòng)式探測(cè)；另一類(lèi)為機(jī)動(dòng)超聲鋼軌探傷車(chē)，技術(shù)上有輪式和滑靴式兩種。

手推探傷儀探頭與鋼軌直接接觸，探傷時(shí)緊貼鋼軌運(yùn)行，信號(hào)游程短，損耗低，具有探測(cè)精度高、使用靈活等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)各鐵路局大規(guī)模使用。但其工作時(shí)摩擦大，檢測(cè)速度慢，只有2-3公里/小時(shí)。現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)，一班組7人，每天只能檢測(cè)10公里鋼軌，探測(cè)效率低，需要大量人力。受探測(cè)環(huán)境限制，探傷人員很難對(duì)荒郊野嶺、橋梁、隧道等處的鋼軌進(jìn)行探傷。

機(jī)動(dòng)超聲鋼軌探傷設(shè)備在國(guó)外已有四五十年的歷史，尤其在美國(guó)、瑞士、英國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家早已替代手推式鋼軌探傷設(shè)備。從傳感器結(jié)構(gòu)上看機(jī)動(dòng)探傷設(shè)備主要有兩種類(lèi)型：輪式傳感器和滑靴式傳感器。滑靴式傳感器設(shè)計(jì)可以達(dá)到較高的檢測(cè)速度（目前報(bào)道最高速度130公里/小時(shí)），但是對(duì)鋼軌形態(tài)要求相對(duì)苛刻，在有縫線路和軌頭形態(tài)不良的情況下難以完成檢測(cè)，不適合我國(guó)軌道狀況。因此，我國(guó)進(jìn)口的探傷車(chē)都采用輪式傳感器結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)有輪式探傷車(chē)一般采用脈沖回波法進(jìn)行探測(cè)。該方法簡(jiǎn)單、直觀。但其精度有限，漏檢率較高，存在“近場(chǎng)盲區(qū)”，且脈沖信號(hào)占空比小，能量有限，穿透深度淺，為提高信號(hào)功率，必須采用高電壓器件，導(dǎo)致了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。另外，輪式探傷車(chē)的發(fā)射、接收探頭通常離鋼軌距離較遠(yuǎn)，信號(hào)游程長(zhǎng)。因此，為避免回波信號(hào)丟失，探傷車(chē)運(yùn)行時(shí)，其運(yùn)行速度不能太快。目前經(jīng)過(guò)改進(jìn)，輪式探傷車(chē)最高的有效時(shí)速只有80公里/小時(shí)，與我國(guó)當(dāng)前列車(chē)正常運(yùn)營(yíng)的速度還不匹配（特別是高速鐵路300公里/小時(shí)以上的速度），無(wú)法在列車(chē)運(yùn)營(yíng)的同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，所以必須安排專(zhuān)門(mén)的探傷時(shí)間，影響鐵路運(yùn)營(yíng)效率。

采用基于調(diào)頻信號(hào)的超聲探測(cè)技術(shù)能夠克服脈沖回波法的缺點(diǎn)，具有精度較高、參數(shù)穩(wěn)定、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，且可以避免“近場(chǎng)盲區(qū)”。該技術(shù)通過(guò)探頭向探測(cè)目標(biāo)發(fā)射連續(xù)的、頻率周期變化的超聲波，再根據(jù)發(fā)射波和反射波的頻差進(jìn)行分析判斷。雖然基于調(diào)頻信號(hào)的超聲探測(cè)技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但尚未在現(xiàn)有探傷車(chē)上采用，主要原因如下：1） 該方法需要利用最大似然法實(shí)現(xiàn)高精度頻率參數(shù)估計(jì)，因此運(yùn)算量大，難以通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)。2）受硬件工藝的限制，發(fā)射信號(hào)的帶寬較窄，根據(jù)香農(nóng)定理，窄頻信號(hào)所提供的信息量也較少，因此難以實(shí)現(xiàn)探測(cè)精度的進(jìn)一步提升。目前，隨著云計(jì)算的迅速發(fā)展，可以通過(guò)后臺(tái)云計(jì)算處理解決運(yùn)算量大的問(wèn)題，而如何產(chǎn)生寬頻信號(hào)仍有待探索。

此外，為了提高超聲探測(cè)的成像精度，需要在有限的空間內(nèi)安置更多的探頭組成探頭陣列，因此要求探頭的口徑較小。而小口徑探頭發(fā)射功率低，抗干擾能力不強(qiáng)，探測(cè)距離短，難以滿(mǎn)足鋼軌檢測(cè)的探測(cè)深度。大口徑探頭雖然發(fā)射功率高，但受空間限制，只能安裝數(shù)量較少的探頭，且位置一般離鋼軌較遠(yuǎn)，使得超聲探測(cè)信號(hào)穿越距離長(zhǎng)，損耗大，難以提高成像精度。

綜上所述，現(xiàn)有輪式探傷車(chē)存在檢測(cè)精度不高、檢測(cè)速度受限等問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有輪式探傷車(chē)的探頭發(fā)射功率與探頭口徑之間的矛盾，以及采用調(diào)頻技術(shù)時(shí)發(fā)射信號(hào)帶寬窄的問(wèn)題，提出一種基于時(shí)空四維寬頻陣列的高速鋼軌超聲探測(cè)成像裝置。

本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種基于時(shí)空四維寬頻陣列的高速鋼軌超聲探測(cè)成像方法。

本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種基于時(shí)空四維寬頻陣列的高速鋼軌超聲探測(cè)成像裝置，包括探測(cè)前端和后臺(tái)處理器。探測(cè)前端和后臺(tái)處理器通過(guò)無(wú)線方式連接。

所述后臺(tái)處理器，用于產(chǎn)生寬頻探測(cè)信號(hào)及控制指令，并將寬頻探測(cè)信號(hào)及控制指令發(fā)送至探測(cè)前端，然后接收探測(cè)前端傳回的探測(cè)回波信號(hào)，并且進(jìn)行處理和成像。