專利名稱：鐵路隧道襯砌全斷面車載檢測方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鐵路工務(wù)系統(tǒng)檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及隧道襯砌質(zhì)量和病害檢測的專
田悲晉
/Tl 目.ο
背景技術(shù)：
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止到2009年底，我國建成的鐵路隧道總長度已經(jīng)超過7000km， 在建鐵路隧道約2500座，總長約4600km，到2020年前規(guī)劃建設(shè)5000座隧道，長度超過 9000km。我國鐵路隧道建設(shè)的總量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過世界其他國家。我國新建鐵路隧道襯砌質(zhì)量檢測方法是采用人工手持探地雷達(dá)天線緊貼隧道壁的方式檢測襯砌和完整性，由于成本較高，規(guī)范只要求抽檢5%，也就是說95%的隧道襯砌的質(zhì)量沒有進(jìn)行檢測。即便在交付運(yùn)營前是合格的隧道，運(yùn)營后隧道圍巖在長期鐵路荷載震動(dòng)、地質(zhì)、水文等共同作用下，也會發(fā)生隧道病害。1997年我國鐵路工務(wù)部門進(jìn)行的全國鐵路隧道技術(shù)狀態(tài)統(tǒng)計(jì)顯示，全路運(yùn)營隧道5000余座計(jì)2500km，其中發(fā)生病害影響運(yùn)營的達(dá)1502座，占隧道總數(shù)的30%左右。據(jù)鐵道部秋檢資料統(tǒng)計(jì)，近年來我國鐵路失格隧道比例一直保持在 60%以上。一般發(fā)現(xiàn)隧道病害后，在維修天窗時(shí)間內(nèi)，停電后，人站在升降車上手持探地雷達(dá)天線進(jìn)行檢測，比較長的隧道一個(gè)維修天窗時(shí)間也只能測一條測線，全斷面測完需要五個(gè)維修天窗時(shí)間。國外已有用于鐵路、公路隧道襯砌質(zhì)量和病害檢測的探地雷達(dá)車。它們是用液壓系統(tǒng)支撐探地雷達(dá)天線與隧道壁緊貼，或者天線輻射面距隧道壁距離在25cm以內(nèi)。這種車比人工方法進(jìn)了一大步，它可以一次全斷面檢測，效率比人工提高了五倍，檢測時(shí)人身安全提高，勞動(dòng)強(qiáng)度降低。但是這種方式在電氣化鐵路上檢測時(shí)，遇到接觸網(wǎng)固定桿，必須降下天線，由于液壓系統(tǒng)的反應(yīng)速度比人的反應(yīng)速度還慢，因而測試速度低于5km/h。另外這種緊貼方式必須要求在天窗時(shí)間內(nèi)停電作業(yè)，嚴(yán)重影響鐵路運(yùn)輸，而且效率很低。目前我國鐵路電氣化區(qū)段占很大的比重，截止到2009年底，我國電氣化鐵路總里程已達(dá)到3. 2萬km，電氣化鐵路改造還在進(jìn)行。而我國既有線電氣化區(qū)段鐵路隧道檢測都是在停電的情況下，人站在小車或平板車上，手持雷達(dá)天線與隧道壁緊貼的情況下檢測，每次只能測一個(gè)縱剖面， 效率非常低，而且很不安全。我國鐵道科學(xué)研究院也正在購置國外探地雷達(dá)，研制類似國外鐵路、公路隧道襯砌檢測車，仍然采用液壓系統(tǒng)支撐探地雷達(dá)天線，使天線輻射面距隧道壁有小于25cm間隙。但是這種方式檢測電氣化區(qū)段隧道襯砌時(shí)，還是無法克服接觸網(wǎng)固定桿阻擋，檢測車行走速度比人手持天線車的行走速度還慢，由于它是全斷面測量，效率是人工方式的5倍。但仍然需要在維修天窗時(shí)間內(nèi)停電作業(yè)。本發(fā)明是針對我國既有線電氣化區(qū)段鐵路隧道檢測受接觸網(wǎng)及其固定桿的限制因而檢測速度很低的情況進(jìn)行的一項(xiàng)技術(shù)革新。本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是避免探地雷達(dá)天線與接觸網(wǎng)及其支座相碰，并且能在不停電的條件下工作；檢測速度提高到列車正常運(yùn)行速度；全斷面檢測各天線之間不相互干擾；在檢測過程中自動(dòng)定位，并且只采集記錄隧道內(nèi)探地雷達(dá)信號；改進(jìn)隧道檢測中探地雷達(dá)信號處理和分析方法。它要求車載探地雷達(dá)在遠(yuǎn)距離的條件下全斷面連續(xù)檢測隧道襯砌，從而實(shí)現(xiàn)我國既有線鐵路隧道病害的普查。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種鐵路隧道襯砌全斷面車載檢測方法與裝置，針對我國既有線鐵路隧道狀況和我國鐵路繁忙的情況，避免目前既有線鐵路隧道人工方式和國外液壓系統(tǒng)支撐探地雷達(dá)天線方式檢測存在著接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)阻擋而使檢測速度降低的缺點(diǎn)，提出一種既有線電氣化區(qū)段鐵路隧道襯砌車載探地雷達(dá)遠(yuǎn)距離測量方法，在不停電的條件下，檢測車掛在列車的尾部，不增加車次，不影響正常的鐵路運(yùn)輸，以列車正常運(yùn)行速度對隧道襯砌進(jìn)行檢測，實(shí)現(xiàn)鐵路隧道病害的普查。本發(fā)明的目的是由以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的，它是一種用于鐵路隧道車載探地雷達(dá)系統(tǒng)，也是一種全新的既有線隧道襯砌質(zhì)量和病害檢測方法。六組探地雷達(dá)天線安裝在客車連接體外中部和上部，天線輻射面不超過車輛界限，以80-175km/h的速度運(yùn)行，采集隧道襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖結(jié)構(gòu)的雷達(dá)回波信號，組成隧道全斷面雷達(dá)回波圖像。根據(jù)雷達(dá)回波圖像判斷隧道襯砌的厚度、完整性、襯砌后面是否有空洞以及圍巖的地質(zhì)結(jié)構(gòu)等隧道襯砌質(zhì)量與病害。解決避免探地雷達(dá)天線與接觸網(wǎng)及其支座相碰，并且在不停電的條件下工作的技術(shù)方案是探地雷達(dá)的天線必須安裝在車輛界限以內(nèi)。天線限制在車輛界限以內(nèi)，天線離隧道壁的距離I. 5m 2m之間。而目前國內(nèi)外用于隧道襯砌檢測的探地雷達(dá)天線都是地面耦合天線，離隧道壁的距離Ocm 20cm之間，如果離隧道壁距離超過這個(gè)范圍，由于耦合很差，接收不到有效信號，因此必須采用空氣耦合天線。實(shí)際上天線離隧道壁的距離越大， 入射到隧道壁內(nèi)的電磁波強(qiáng)度就越小，為了補(bǔ)償因天線離隧道壁遠(yuǎn)而造成的電磁波強(qiáng)度衰減，本發(fā)明增加一個(gè)發(fā)射天線，在每個(gè)天線盒內(nèi)組成兩發(fā)一收的方式，使回波信號幅度增加一倍。提高檢測速度的技術(shù)方案是提高探地雷達(dá)的掃描速率。隧道襯砌檢測，要求測點(diǎn)距離不能超過5cm。目前一般綠皮列車速度為80km/h左右，要在列車正常運(yùn)行速度條件下檢測，就要求探地雷達(dá)每個(gè)通道的掃描速率在444scan/s(每個(gè)掃描線由512個(gè)點(diǎn)組成)以上。目前國內(nèi)探地雷達(dá)一般為單通道探地雷達(dá)，掃描速率128scan/s，國外多通道探地雷達(dá)系統(tǒng)只使用一個(gè)單通道時(shí)最高掃描速率為540scan/s，同時(shí)使用兩個(gè)通道時(shí)每個(gè)通道的掃描速率為270scan/s。所以要在列車正常運(yùn)行速度條件下檢測，必須采用專門的高速掃描探地雷達(dá)系統(tǒng)。解決全斷面檢測的技術(shù)方案是增加探地雷達(dá)的通道數(shù)和天線對數(shù)。隧道襯砌檢測規(guī)范要求布置五條測線，拱頂一條，兩邊拱腰各一條，兩邊邊墻各一條。所以全斷面檢測要求探地雷達(dá)通道數(shù)和天線對數(shù)五個(gè)，與上述五條測線位置相對應(yīng)。由于拱頂正下方有承力索和接觸網(wǎng)，要避開它們，在接觸網(wǎng)的兩邊各布置一條測線，所以全斷面檢測就要求探地雷達(dá)通道數(shù)和天線對數(shù)是六個(gè)，即需要六通道高速掃描探地雷達(dá)系統(tǒng)。六個(gè)通道探地雷達(dá)系統(tǒng)如果六對天線同時(shí)發(fā)射，同時(shí)接收的話，各通道之間相互干擾，如第一通道向隧道壁發(fā)射的電磁波有可能通過隧道襯砌結(jié)構(gòu)，返回到附近的二、三、四、五、六通道內(nèi)。消除通道之間相互干擾的方法是靠通道之間發(fā)射時(shí)間延遲來實(shí)現(xiàn)的，即第一通道發(fā)射天線發(fā)射電磁波，第一通道接收天線接收壁后回波，其它通道關(guān)閉不接收；接下來第二通道發(fā)射天線發(fā)射電磁波，第二通道接收天線接收壁后回波，其它通道關(guān)閉不接收；再接下來第三通道發(fā)射天線發(fā)射電磁波，第三通道接收天線接收壁后回波，其它通道關(guān)閉不接收；……，依次到第六通道發(fā)射天線發(fā)射電磁波，第六通道接收天線接收壁后回波，其它通道關(guān)閉不接收。完成第一個(gè)循環(huán)，然后再次循環(huán)。解決在檢測過程中自動(dòng)定位的技術(shù)方案是用軸上測距編碼器測距和GPS里程校正系統(tǒng)相結(jié)合的定位方法。鐵路隧道襯砌探地雷達(dá)檢測車載在運(yùn)行過程中，探地雷達(dá)一邊采集襯砌內(nèi)和襯砌后圍巖的反射信號，一邊采集里程信號，同時(shí)將兩種信號寫入記錄，即探地雷達(dá)記錄的開始部分是里程，然后是反射信號。定位部分的功能就是在檢測過程中將隧道的里程適時(shí)地輸入給計(jì)算機(jī)，寫入雷達(dá)記錄中。探地雷達(dá)數(shù)據(jù)經(jīng)過后處理軟件處理后，在雷達(dá)剖面圖上發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，就可以根據(jù)雷達(dá)剖面圖上標(biāo)明的里程，到現(xiàn)場找到異常對應(yīng)的位置?，F(xiàn)有的隧道襯砌探地雷達(dá)檢測車在檢測隧道時(shí)，在待檢隧道入口停下來，給出初始里程值，然后開始檢測，邊測邊打標(biāo)記或邊輸入里程。而在正常列車運(yùn)行速度條件下檢測，尤其是兩隧道間距很小時(shí)，特別在夜間運(yùn)行，這種定位方法根本來不及，人工無法確定里程。 因此提出一種用軸上測距編碼器測距和GPS里程校正系統(tǒng)相結(jié)合的定位方法。在距待測隧道前，GPS里程校正系統(tǒng)在整公里標(biāo)處得到該標(biāo)的里程數(shù)，然后靠測距編碼器脈沖信號來計(jì)算出檢測車在隧道內(nèi)的實(shí)時(shí)里程。解決只采集記錄隧道內(nèi)探地雷達(dá)信號，減少檢測數(shù)據(jù)量的技術(shù)方案是用激光水平測距信號來控制計(jì)算機(jī)只存儲隧道內(nèi)探地雷達(dá)數(shù)據(jù).如果測點(diǎn)距離5cm，用六個(gè)通道采集數(shù)據(jù)，2G的數(shù)據(jù)文件只能保存8km的探地雷達(dá)數(shù)據(jù)。如果不區(qū)分隧道，連續(xù)采集數(shù)據(jù)，800km 的線路將保存100個(gè)2G的文件，這個(gè)數(shù)據(jù)量是巨大的，數(shù)據(jù)分析將要很長的時(shí)間。因此在正常列車運(yùn)行速度條件下要自動(dòng)識別隧道，只采集記錄隧道內(nèi)探地雷達(dá)信號，減少數(shù)據(jù)量是需要解決的一個(gè)問題。解決的方法是在列車外側(cè)邊墻的位置兩邊各安置一個(gè)水平測距激光傳感器，當(dāng)激光傳感器剛好進(jìn)入待測隧道時(shí)，激光傳感器的電流或電壓超過設(shè)定的閥值，發(fā)出進(jìn)入隧道信號給控制系統(tǒng)，探地雷達(dá)系統(tǒng)就開始記錄數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測車駛出待測隧道時(shí)，激光傳感器的電流或電壓低于設(shè)定的閥值，發(fā)出駛出隧道信號給控制系統(tǒng)，探地雷達(dá)系統(tǒng)就準(zhǔn)備停止記錄數(shù)據(jù)，為了信號處理的需要，再繼續(xù)采集100個(gè)對空掃描信號作為背景信號， 然后這兩類數(shù)據(jù)一起保存一個(gè)文件，達(dá)到一個(gè)隧道一個(gè)數(shù)據(jù)文件，不采多余的數(shù)據(jù)。探地雷達(dá)信號處理中的去背景方法是探地雷達(dá)信號處理的關(guān)鍵技術(shù)。因?yàn)閺陌l(fā)射天線直接進(jìn)入接收天線的直達(dá)波(背景信號)和接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)的反射波都非常強(qiáng)，而來自隧道襯砌內(nèi)和襯砌后以及圍巖內(nèi)的反射波都很弱。所以微弱的有效信號往往淹沒在非常強(qiáng)的背景信號中，只有將背景值信號去除以后才能看到有效信號。常用的背景值方法有平均道去背景方法.參考道去背景方法和去直達(dá)波的方法。平均道去背景方法，將一定數(shù)量的數(shù)據(jù)道信號疊加后平均，作為背景道，然后讓每道信號減去背景道，這樣有異常的信號就突出來，它的缺點(diǎn)是如果所選用的平均道含有異常，則將有用的異常也去掉了，還有一個(gè)隧道斷面變化很大時(shí)，平均的背景道與實(shí)際的背景相差就很大。參考道去背景方法，在同一隧道，隧道結(jié)構(gòu)和圍巖基本相同，以沒有隧道病害處選擇幾道平均后作為參考道，然后讓每道信號減去參考道，這樣病害段與正常段的差異就顯示出來，這種方法要求解釋者對檢測的隧道地質(zhì)結(jié)構(gòu)很熟悉才行。去掉直達(dá)波的方法是在空曠的地方將天線朝上，天線接收的信號僅為直達(dá)波，然后將直達(dá)波文件存盤，處理信號時(shí)將每道信號都減去直達(dá)波，這樣可以保留原有的隧道地質(zhì)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明采用去掉直達(dá)波的方法去背景，但是不是整個(gè)一條鐵路線采集一個(gè)對空直達(dá)波道信號，而是為了消除探地雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)的隨機(jī)噪聲和長時(shí)間造成的溫度飄移，每個(gè)隧道采集一次，這樣采集的直達(dá)波能夠反映當(dāng)時(shí)的直達(dá)波信號，背景才去的干凈?？紤]到本發(fā)明雷達(dá)天線離隧道壁較遠(yuǎn)，在檢測過程中也無法隨時(shí)調(diào)整天線的角度，讓天線輻射面與對應(yīng)點(diǎn)隧道壁平面平行，所以有時(shí)入射波與隧道壁不垂直，實(shí)測隧道襯砌厚度會有一些誤差，可用專用的分析軟件來校正。根據(jù)上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供了一種鐵路隧道襯砌全斷面車載檢測裝置，包括探地雷達(dá)部分、定位部分、激光測距部分、數(shù)據(jù)采集軟件和數(shù)據(jù)后處理軟件。解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明還提供了一種鐵路隧道襯砌全斷面車載檢測方法，檢測方法包括以下幾個(gè)步驟步驟一先將六通道探地雷達(dá)的六個(gè)空氣耦合天線按照隧道襯砌檢測要求固定在客車聯(lián)結(jié)體外，其中車體頂部有兩個(gè)天線盒，輻射面朝上分別與接觸網(wǎng)對稱；兩個(gè)天線盒輻射面分別朝向兩邊拱腳上50cm處；兩個(gè)天線盒分別朝向兩邊邊墻，所有天線盒的長軸與線路方向一致，輻射面必須在機(jī)車車輛限界以內(nèi)；步驟二 探地雷達(dá)主機(jī)和工控計(jì)算機(jī)設(shè)置在客車測試臺上，安裝在列車軸上的測距編碼器與探地雷達(dá)的主機(jī)相連；GPS天線安裝在車頂上與車內(nèi)GPS主機(jī)以及與裝有GPS 里程校正系統(tǒng)的工控計(jì)算機(jī)相連，激光傳感器與邊墻天線盒安裝在一起，其連接線與工控計(jì)算機(jī)相連，六組天線盒同時(shí)檢測六條測線，組成全斷面測量；步驟三數(shù)據(jù)采集過程由采集軟件中的程序指令控制，檢測車運(yùn)行后，測距編碼器開始工作，探地雷達(dá)系統(tǒng)開啟并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，程序指令控制工控計(jì)算機(jī)每隔64個(gè)掃描線抽取一個(gè)掃描線顯示數(shù)據(jù)，但不記錄數(shù)據(jù)；在距待測隧道前，GPS里程校正系統(tǒng)在整公里標(biāo)處得到該標(biāo)的里程數(shù)，然后發(fā)送給工控計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序指令，在該里程數(shù)上累計(jì)測距編碼器發(fā)來的脈沖數(shù)，計(jì)算出檢測車瞬時(shí)里程；當(dāng)剛好進(jìn)入待測隧道時(shí)，激光傳感器發(fā)出遇到隧道信號輸入給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序指令開始記錄數(shù)據(jù)；當(dāng)檢測車駛出待測隧道時(shí)，激光傳感器發(fā)出駛出隧道信號輸入給計(jì)算機(jī)，程序指令控制計(jì)算機(jī)標(biāo)記隧道數(shù)據(jù)記錄結(jié)束，繼續(xù)記錄100個(gè)對空掃描信號平均后作為背景信號與該隧道數(shù)據(jù)一起保存一個(gè)文件，同時(shí)生成一個(gè)新文件，重復(fù)上述過程進(jìn)行下一個(gè)隧道的檢測；步驟四數(shù)據(jù)采集完后數(shù)據(jù)后處理軟件對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理的次序如下用隧道數(shù)據(jù)文件自帶的背景道數(shù)據(jù)去背景；去掉信號中的直流成分；時(shí)間零點(diǎn)校正；頻率域內(nèi)帶通濾波；滑動(dòng)平均；時(shí)變增益放大等，輸出清晰的探地雷達(dá)圖像，在探地雷達(dá)圖像上能夠看出不同電性的結(jié)構(gòu)層和各種異常體，然后人工或半自動(dòng)拾取反射信息， 將探地雷達(dá)圖像轉(zhuǎn)換成地質(zhì)剖面的數(shù)據(jù)文件。用專用的分析軟件對實(shí)測隧道襯砌厚度誤差進(jìn)行校正，最后對檢測結(jié)果用三維圖像顯示；步驟五數(shù)據(jù)分析軟件要對入射波與隧道壁不垂直造成隧道襯砌厚度測量誤差進(jìn)行校正，其方法是先向分析軟件輸入已有的隧道斷面和同一斷面六個(gè)測點(diǎn)處天線輻射面到隧道壁的距離，根據(jù)幾何關(guān)系推導(dǎo)出天線輻射面法向與隧道壁法向的夾角，然后求出隧道襯砌的實(shí)際厚度。
采用激光測距傳感器來感知檢測車是否進(jìn)入和駛出隧道，將感知的信號傳給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)程序指令控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集和存儲，既減少了數(shù)據(jù)存儲量， 又實(shí)現(xiàn)了檢測數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化。檢測裝置在進(jìn)入待測隧道前，用GPS里程校正系統(tǒng)在整公里標(biāo)處提取該標(biāo)的里程數(shù)，然后用測距編碼器信號計(jì)算出檢測車在隧道內(nèi)的瞬時(shí)里程。每座隧道檢測完后，立即采集對空背景信號，在信號處理上消除背景信號中隨機(jī)噪聲、溫度漂移造成的誤差，采用對空信號去背景，比普遍采用的平均去背景效果要好，可以保留所有的有用信號。根據(jù)已有的隧道斷面和同一斷面六個(gè)測點(diǎn)處天線輻射面到隧道壁的距離以及車體尺寸與天線固定位置，推導(dǎo)出天線輻射面法向與隧道壁法向的夾角，對實(shí)測的隧道襯砌厚度進(jìn)行校正。消除探地雷達(dá)六個(gè)通道之間相互干擾的方法是靠通道之間發(fā)射時(shí)間延遲來實(shí)現(xiàn)的，即第一通道發(fā)射天線發(fā)射電磁波，第一通道接收天線接收壁后回波；接下來第二通道發(fā)射天線發(fā)射電磁波，第二通道接收天線接收壁后回波；再接下來第三通道發(fā)射天線發(fā)射電磁波，第三通道接收天線接收壁后回波；……，直到第六通道發(fā)射天線發(fā)射電磁波，第六通道接收天線接收壁后回波，完成第一個(gè)循環(huán)，然后依次循環(huán)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果在于本發(fā)明可用于既有鐵路線隧道襯砌質(zhì)量和隧道病害普查。對于電氣化鐵路，不需要停電、不占用鐵路維修天窗、不影響正常的鐵路運(yùn)輸。本發(fā)明使檢測速度大幅度提高，按我國目前慢行列車速度(80km/h)計(jì)算，與現(xiàn)有的檢測車相比，效率提高了 16倍；如果按最高檢測速度(175km/h)計(jì)算，與現(xiàn)有的檢測車相比，效率提高了 35倍。


圖I為本發(fā)明雷達(dá)天線布置圖。圖2為本發(fā)明正視圖。圖3為本發(fā)明數(shù)據(jù)采集流程圖。圖4為本發(fā)明數(shù)據(jù)處理流程圖。圖5為本發(fā)明數(shù)據(jù)分析流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。本發(fā)明鐵路隧道襯砌全斷面車載檢測裝置，包括探地雷達(dá)部分、定位部分、激光測距部分、數(shù)據(jù)采集軟件和數(shù)據(jù)后處理軟件。探地雷達(dá)部分由六個(gè)天線盒、六條十米長的五芯同軸電纜及電纜兩端聯(lián)接器、探地雷達(dá)主機(jī)、工控計(jì)算機(jī)以及電源組成。六通道探地雷達(dá)主機(jī)脈沖重復(fù)頻率3MHz ;每個(gè)通道的脈沖重復(fù)頻率500kHz，掃描速率為976scan/s，每個(gè)掃描線由512個(gè)點(diǎn)組成。天線為TEM 短喇叭空氣耦合天線，中心頻率為300MHz，每個(gè)天線盒內(nèi)有三個(gè)天線，排成一字形，兩邊為發(fā)射天線，中間為接收天線。天線盒只有一個(gè)輻射面為絕緣材料，其他面為金屬材料作為屏蔽。每個(gè)天線盒內(nèi)裝有兩個(gè)發(fā)射機(jī)與兩個(gè)發(fā)射天線，一個(gè)信號接收機(jī)與接收天線。發(fā)射機(jī)用來發(fā)射脈沖波，經(jīng)整形、功率放大后加載到發(fā)射天線，發(fā)射天線向隧道壁發(fā)射電磁波，在同一天線盒內(nèi)的接收天線接收來自隧道襯砌內(nèi)和襯砌后的反射波信號，并將反射波信號傳給接收機(jī)，接收機(jī)經(jīng)過采樣保持、放大，再通過同軸電纜傳送到探地雷達(dá)主機(jī)。探地雷達(dá)主機(jī)包含了以下部分由220伏交流電轉(zhuǎn)換為供給發(fā)射機(jī)和接收機(jī)、里程傳感器、隧道激光傳感器等所需的各種電壓的直流電源；整個(gè)系統(tǒng)的同步信號、各通道發(fā)射機(jī)、接收機(jī)采樣單元的觸發(fā)信號和A/D轉(zhuǎn)換單元的觸發(fā)信號；A/D轉(zhuǎn)換單元和計(jì)算機(jī)接口 ；里程處理顯示模塊; 各種接口、連接器座。定位部分由列車軸上的編碼器(距離測量傳感器)和GPS校正系統(tǒng)組成。測距部分由激光傳感器組成。測距部分的功能是通過激光傳感器發(fā)射激光和接收障礙物反射回來的信號來感知檢測系統(tǒng)是否在隧道內(nèi)。按照圖I將六個(gè)探地雷達(dá)盒分別安裝客車聯(lián)結(jié)體外，其中車體頂部有天線盒I和天線盒2，輻射面朝上分別與接觸網(wǎng)對稱；天線盒3和天線盒4輻射面分別朝向兩邊拱腳上 50cm處；天線盒5和天線盒6分別朝向兩邊邊墻,所有天線盒的長軸與線路方向一致,福射面必須在機(jī)車車輛限界以內(nèi)；在圖2中，探地雷達(dá)主機(jī)9和用于探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集和記錄的工控計(jì)算機(jī)10放在客車內(nèi)的測試臺上；將六個(gè)天線盒分別用六根十米長的五芯同軸電纜及聯(lián)接器與探地雷達(dá)主機(jī)9相連；將列車軸上的測距編碼器11也與探地雷達(dá)主機(jī)9相連；GPS天線12安裝在車頂上與車內(nèi)裝GPS接收機(jī)13以及與裝有GPS里程校正系統(tǒng)的工控計(jì)算機(jī)14相連。激光傳感器7和激光傳感器8分別安裝在邊墻天線盒5和邊墻天線盒6內(nèi)，其連接線與工控計(jì)算機(jī)10相連。探地雷達(dá)每個(gè)通道的工作過程如下探地雷達(dá)主機(jī)9發(fā)出觸發(fā)信號，通過同軸電纜發(fā)送給天線盒內(nèi)的兩個(gè)發(fā)射機(jī)，發(fā)射機(jī)發(fā)射電磁脈沖到發(fā)射天線，發(fā)射天線將電磁波發(fā)射出去，向隧道襯砌內(nèi)傳播，遇到電磁阻抗界面產(chǎn)生電磁回波，接收天線接收來自襯砌內(nèi)和襯砌后的電磁回波，送入接收機(jī)采樣后通過同軸電纜輸入給探地雷達(dá)主機(jī)9內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換電路，然后輸入計(jì)算機(jī)10顯示、存儲。六個(gè)通道的工作過程如下即第一通道發(fā)射信號，第一通道接收回過波信號；接下來第二通道發(fā)射信號，第二通道接收回波信號；再接下來第三通道發(fā)射信號，第三通道接收回波信號，……，直到第六通道發(fā)射信號，第六通道接收回波信號，完成第一個(gè)循環(huán)，然后依次循環(huán)。數(shù)據(jù)采集軟件功能是接收里程編碼器信號、激光傳感器信號、采集與顯示探地雷達(dá)信號，并根據(jù)激光傳感器信號判斷是否存儲數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集過程由采集軟件中的程序指令控制，檢測車運(yùn)行后，測距編碼器11開始工作，探地雷達(dá)系統(tǒng)開啟并設(shè)置參數(shù)15，程序指令控制工控計(jì)算機(jī)10只抽道(每隔64個(gè)掃描線抽取一個(gè)掃描線)顯示數(shù)據(jù)但不記錄數(shù)據(jù)。在距待測隧道前，GPS里程校正系統(tǒng)在整公里標(biāo)處得到該標(biāo)的里程數(shù)16，然后發(fā)送給用于工控計(jì)算機(jī)10，工控計(jì)算機(jī)10執(zhí)行程序指令，在該里程數(shù)上累計(jì)測距編碼器發(fā)來的脈沖數(shù)，計(jì)算出檢測車瞬時(shí)里程。當(dāng)剛好進(jìn)入待測隧道時(shí)，激光傳感器7和激光傳感器8發(fā)出遇到隧道信號17輸入給計(jì)算機(jī)10，計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序指令開始記錄數(shù)據(jù)18 ;當(dāng)檢測車駛出待測隧道時(shí)19，程序指令控制計(jì)算機(jī)標(biāo)記隧道數(shù)據(jù)記錄結(jié)束，繼續(xù)記錄100個(gè)對空掃描信號平均后作為背景信號20與該隧道數(shù)據(jù)一起保存一個(gè)文件21，同時(shí)生成一個(gè)新文件，重復(fù)上述過程進(jìn)行下一個(gè)隧道的檢測。 一般車載探地雷達(dá)在檢測結(jié)束后采集對空背景信號，在長達(dá)數(shù)小時(shí)或數(shù)十小時(shí)的檢測過程中，由于探地雷達(dá)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電子元件溫度飄逸以及隨機(jī)噪聲的影響，空氣背景信號變化很大，用最后采集的空氣背景信號去背景會造成大量的假異常。為了克服上述缺點(diǎn)，本發(fā)明在每個(gè)隧道檢測結(jié)束后，立即采集對空背景信號，去背景后可以大幅度提高圖像的質(zhì)量。目前一般綠皮列車速度為80km/h左右，由于本例探地雷達(dá)每個(gè)通道的掃描速率為976scan/s,是444scan/s的兩倍還多，在采集過程中由程序指令將兩道信號疊加成一道，可使信噪比提高I. 4倍；數(shù)據(jù)采集完后，用后處理軟件對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理的次序如下 用隧道數(shù)據(jù)文件自帶的背景道數(shù)據(jù)去背景21 ;去掉信號中的直流成分22 ;時(shí)間零點(diǎn)校正 23 ;頻率域內(nèi)帶通濾波24 ;滑動(dòng)平均25 ;時(shí)變增益放大26。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，輸出清晰的探地雷達(dá)圖像，然后人工或半自動(dòng)拾取反射信息27，將探地雷達(dá)圖像轉(zhuǎn)換成地質(zhì)剖面的數(shù)據(jù)文件。用專用的分析軟件對實(shí)測隧道襯砌厚度誤差進(jìn)行校正28，最后對檢測結(jié)果用三維圖像顯示29。對實(shí)測隧道襯砌厚度誤差校正方法28的步驟是，先向分析軟件輸入已有的隧道斷面，實(shí)測結(jié)果可以得到同一斷面六個(gè)測點(diǎn)處天線輻射面到隧道壁的距離，而六個(gè)天線盒與車體捆綁在一起，車體的幾何形狀是固定的，根據(jù)上述幾何關(guān)系就可以推導(dǎo)出天線輻射面法向與隧道壁法向的夾角，隧道襯砌的實(shí)際厚度就等于實(shí)測厚度乘以天線輻射面法向與隧道壁法向夾角的正弦值。
權(quán)利要求
1.一種鐵路隧道襯砌全斷面車載檢測方法，其特征包括以下幾個(gè)步驟步驟一先將六通道探地雷達(dá)的六個(gè)空氣耦合天線按照隧道襯砌檢測要求固定在客車聯(lián)結(jié)體外，其中車體頂部有天線盒(I)和天線盒(2)，輻射面朝上分別與接觸網(wǎng)對稱；天線盒(3)和天線盒(4)輻射面分別朝向兩邊拱腳上50cm處；天線盒(5)和天線盒(6)分別朝向兩邊邊墻，所有天線盒的長軸與線路方向一致，輻射面必須在機(jī)車車輛限界以內(nèi)；步驟二 探地雷達(dá)主機(jī)(9)和工控計(jì)算機(jī)(10)設(shè)置在客車測試臺上，安裝在列車軸上的測距編碼器(11)與探地雷達(dá)的主機(jī)(9)相連；GPS天線(12)安裝在車頂上與車內(nèi)GPS主機(jī)(13)以及與裝有GPS里程校正系統(tǒng)的工控計(jì)算機(jī)(14)相連，激光傳感器(7)和激光傳感器⑶分別安裝在邊墻天線盒(5)和天線盒(6)內(nèi)，其連接線與工控計(jì)算機(jī)(10)相連， 六組天線盒同時(shí)檢測六條測線，組成全斷面測量；步驟三數(shù)據(jù)采集過程由采集軟件中的程序指令控制，檢測車運(yùn)行后，測距編碼器開始工作，探地雷達(dá)系統(tǒng)開啟并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置(15)，程序指令控制工控計(jì)算機(jī)(10)每隔64個(gè)掃描線抽取一個(gè)掃描線顯示數(shù)據(jù)，但不記錄數(shù)據(jù)；在距待測隧道前，GPS里程校正系統(tǒng)在整公里標(biāo)處得到該標(biāo)的里程數(shù)(16)，然后發(fā)送給工控計(jì)算機(jī)(10)，計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序指令，在該里程數(shù)上累計(jì)測距編碼器發(fā)來的脈沖數(shù)，計(jì)算出檢測車瞬時(shí)里程；當(dāng)剛好進(jìn)入待測隧道時(shí)，激光傳感器發(fā)出遇到隧道信號(17)輸入給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序指令開始記錄數(shù)據(jù)(18);當(dāng)檢測車駛出待測隧道時(shí)，激光傳感器發(fā)出駛出隧道信號(19)輸入給計(jì)算機(jī)，程序指令控制計(jì)算機(jī)標(biāo)記隧道數(shù)據(jù)記錄結(jié)束，繼續(xù)記錄100個(gè)對空掃描信號平均后作為背景信號(20)與該隧道數(shù)據(jù)一起保存一個(gè)文件，同時(shí)生成一個(gè)新文件(21)，重復(fù)上述過程進(jìn)行下一個(gè)隧道的檢測；步驟四數(shù)據(jù)采集完后數(shù)據(jù)后處理軟件對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理的次序如下用隧道數(shù)據(jù)文件自帶的背景道數(shù)據(jù)去背景(21);去掉信號中的直流成分(22);時(shí)間零點(diǎn)校正(23);頻率域內(nèi)帶通濾波(24);滑動(dòng)平均(25);時(shí)變增益放大等(26)，輸出清晰的探地雷達(dá)圖像，在探地雷達(dá)圖像上能夠看出不同電性的結(jié)構(gòu)層和各種異常體，然后人工或半自動(dòng)拾取反射信息(27)，將探地雷達(dá)圖像轉(zhuǎn)換成地質(zhì)剖面的數(shù)據(jù)文件。用專用的分析軟件對實(shí)測隧道襯砌厚度誤差進(jìn)行校正(28)，最后對檢測結(jié)果用三維圖像顯示(29)；步驟五數(shù)據(jù)分析軟件要對入射波與隧道壁不垂直造成隧道襯砌厚度測量誤差進(jìn)行校正(28)，其方法是先向分析軟件輸入已有的隧道斷面和同一斷面六個(gè)測點(diǎn)處天線輻射面到隧道壁的距離，根據(jù)幾何關(guān)系推導(dǎo)出天線輻射面法向與隧道壁法向的夾角，然后求出隧道襯砌的實(shí)際厚度。
2.如權(quán)利要求I所述的鐵路隧道襯砌全斷面車載檢測方法，其特征在于采用激光測距傳感器來感知檢測車是否進(jìn)入和駛出隧道，將感知的信號傳給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)程序指令控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集和存儲，既減少了數(shù)據(jù)存儲量，又實(shí)現(xiàn)了檢測數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化。
3.如權(quán)利要求I所述的鐵路隧道襯砌全斷面車載檢測方法，其特征在于檢測裝置在進(jìn)入待測隧道前，用GPS里程校正系統(tǒng)在整公里標(biāo)處提取該標(biāo)的里程數(shù)，然后用測距編碼器信號計(jì)算出檢測車在隧道內(nèi)的瞬時(shí)里程。
4.如權(quán)利要求I所述的鐵路隧道襯砌全斷面車載檢測方法，其特征在于每座隧道檢測完后，立即采集對空背景信號，在信號處理上消除背景信號中隨機(jī)噪聲、溫度漂移造成的誤差，采用對空信號去背景，比普遍采用的平均去背景效果要好，可以保留所有的有用信號。
5.如權(quán)利要求I所述的鐵路隧道襯砌全斷面車載檢測方法，其特征在于根據(jù)已有的隧道斷面和同一斷面六個(gè)測點(diǎn)處天線輻射面到隧道壁的距離以及車體尺寸與天線固定位置，推導(dǎo)出天線輻射面法向與隧道壁法向的夾角，對實(shí)測的隧道襯砌厚度進(jìn)行校正。
6.如權(quán)利要求I所述的鐵路隧道襯砌全斷面車載檢測方法，其特征在于消除探地雷達(dá)六個(gè)通道之間相互干擾的方法是靠通道之間發(fā)射時(shí)間延遲來實(shí)現(xiàn)的，即第一通道發(fā)射天線發(fā)射電磁波，第一通道接收天線接收壁后回波；接下來第二通道發(fā)射天線發(fā)射電磁波，第二通道接收天線接收壁后回波；再接下來第三通道發(fā)射天線發(fā)射電磁波，第三通道接收天線接收壁后回波；依次到第六通道發(fā)射天線發(fā)射電磁波，第六通道接收天線接收壁后回波， 完成第一個(gè)循環(huán)，然后再次循環(huán)。
7.一種鐵路隧道襯砌全斷面車載檢測裝置，包括探地雷達(dá)、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)后處理，其特征在于六通道探地雷達(dá)的六個(gè)天線盒安裝在客車聯(lián)結(jié)體外，其中車體頂部天線盒(I) 和天線盒(2)，輻射面朝上分別與接觸網(wǎng)對稱；天線盒(3)和天線盒(4)輻射面分別朝向兩邊拱腳上50cm處；天線盒(5)和天線盒(6)分別朝向兩邊邊墻，所有天線盒的輻射面都在鐵路機(jī)車界限以內(nèi)，GPS系統(tǒng)的天線(12)位于客車的頂上，里程編碼器(11)安裝在車軸上， 激光傳感器(7)和激光傳感器8)分別安裝在檢測邊墻的探地雷達(dá)天線盒(5)和天線盒6) 內(nèi)；多通道探地雷達(dá)主機(jī)(9)及工控計(jì)算機(jī)(10)、GPS系統(tǒng)接收設(shè)備(13)、工控計(jì)算機(jī)(14) 放在車內(nèi)測試臺上，六個(gè)探地雷達(dá)天線盒和里程編碼器(11)與多通道探地雷達(dá)主機(jī)(9)用同軸電纜相連；多通道探地雷達(dá)主機(jī)(9)與工控計(jì)算機(jī)(10)相連；GPS系統(tǒng)的天線(12)與 GPS接收機(jī)(13)及工控計(jì)算機(jī)(14)相連；激光傳感器(7)和激光傳感器(8)也與工控計(jì)算機(jī)(10)相連；工控計(jì)算機(jī)(14)與工控計(jì)算機(jī)(10)相連。
8.如權(quán)利要求7所述鐵路隧道襯砌全斷面車載檢測裝置，其特征在于六通道探地雷達(dá)脈沖重復(fù)頻率3MHz，每個(gè)通道的脈沖重復(fù)頻率500kHz，掃描速率為976scan/s，每個(gè)掃描線由512個(gè)點(diǎn)組成。
9.如權(quán)利要求7所述鐵路隧道襯砌全斷面車載檢測裝置，其特征在于天線為中心頻率為300MHz的TEM喇叭空氣耦合天線，每個(gè)天線盒內(nèi)有三個(gè)天線，排成一字形，兩邊為發(fā)射天線，中間為接收天線，天線盒只有一個(gè)輻射面為絕緣材料，其他面為金屬材料。
全文摘要
一種鐵路隧道襯砌全斷面車載檢測方法與裝置，要解決是避免探地雷達(dá)天線與接觸網(wǎng)及其支座相碰，檢測速度為列車正常運(yùn)行速度；全斷面檢測各天線之間不相互干擾；在檢測過程中自動(dòng)定位，并且只采集記錄隧道內(nèi)探地雷達(dá)信號；改進(jìn)隧道檢測中探地雷達(dá)信號處理和分析方法。這種車載設(shè)備包含六通道高速掃描探地雷達(dá)部分、定位部分、激光測距部分以及數(shù)據(jù)采集與處理軟件。探地雷達(dá)脈沖重復(fù)頻率3MHz；每個(gè)通道的脈沖重復(fù)頻率500kHz，掃描速率為976scan/s。TEM短喇叭空氣耦合天線，每組天線為兩發(fā)一收，中心頻率為300MHz。探地雷達(dá)天線安裝在客車連接體外，天線輻射面分別指向拱頂、拱腳和邊墻，用于鐵路隧道襯砌檢查自動(dòng)化檢測。
文檔編號G01B15/02GK102607477SQ201210065360
公開日2012年7月25日 申請日期2012年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月13日
發(fā)明者張安學(xué), 昝月穩(wěn), 李志林, 李桂明, 章錫元, 許建平, 魏文濤, 齊華 申請人:西南交通大學(xué)