基于時空四維寬頻陣列的高速鋼軌超聲探測成像方法與裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及超聲探測技術，特別是針對鋼軌探傷的高速無損超聲檢測技術，具體涉及一種基于時空四維寬頻陣列的高速鋼軌超聲探測成像裝置與方法。
【背景技術】
[0002]鐵路作為國家重要的基礎設施和國民經濟的大動脈，其發(fā)展與現(xiàn)代化進程關系到我國的經濟社會發(fā)展和現(xiàn)代化目標的實現(xiàn)。由于我國鐵路線路狀況復雜，超期服役鋼軌數(shù)量大，超負荷的運營使得鐵路鋼軌損傷發(fā)生率極高，直接危及運輸和行車安全。為了確保鐵路運營的安全性，根據(jù)我國鋼軌探傷作業(yè)標準，需要定期對線路進行檢修，平均每年每條線路需檢測5-10遍以上。由此可見，我國鋼軌檢修與養(yǎng)護工作量巨大，急需高效高精度的鋼軌探傷設備。
[0003]對于鋼軌的表面或近表面缺陷，可采用電磁渦流法進行檢測；對于鋼軌內部傷損，國內外普遍采用超聲波進行檢測。超聲檢測具有靈敏度高、檢測速度快、定位準確等優(yōu)點，目前已成為國內外鋼軌內部缺陷檢測的主流手段。目前，應用于在役鋼軌超聲探傷的主要設備分為兩類:一類為手推小型鋼軌超聲探傷儀，技術上屬于滑動式探測；另一類為機動超聲鋼軌探傷車，技術上有輪式和滑靴式兩種。
[0004]手推探傷儀探頭與鋼軌直接接觸，探傷時緊貼鋼軌運行，信號游程短，損耗低，具有探測精度高、使用靈活等優(yōu)點，在我國各鐵路局大規(guī)模使用。但其工作時摩擦大，檢測速度慢，只有2-3公里/小時?，F(xiàn)場操作時，一班組7人，每天只能檢測10公里鋼軌，探測效率低，需要大量人力。受探測環(huán)境限制，探傷人員很難對荒郊野嶺、橋梁、隧道等處的鋼軌進行探傷。
[0005]機動超聲鋼軌探傷設備在國外已有四五十年的歷史，尤其在美國、瑞士、英國、日本等發(fā)達國家早已替代手推式鋼軌探傷設備。從傳感器結構上看機動探傷設備主要有兩種類型:輪式傳感器和滑靴式傳感器。滑靴式傳感器設計可以達到較高的檢測速度(目前報道最高速度130公里/小時)，但是對鋼軌形態(tài)要求相對苛刻，在有縫線路和軌頭形態(tài)不良的情況下難以完成檢測，不適合我國軌道狀況。因此，我國進口的探傷車都采用輪式傳感器結構。
[0006]現(xiàn)有輪式探傷車一般采用脈沖回波法進行探測。該方法簡單、直觀。但其精度有限，漏檢率較高，存在“近場盲區(qū)”，且脈沖信號占空比小，能量有限，穿透深度淺，為提高信號功率，必須采用高電壓器件，導致了系統(tǒng)結構復雜。另外，輪式探傷車的發(fā)射、接收探頭通常離鋼軌距離較遠，信號游程長。因此，為避免回波信號丟失，探傷車運行時，其運行速度不能太快。目前經過改進，輪式探傷車最高的有效時速只有80公里/小時，與我國當前列車正常運營的速度還不匹配(特別是高速鐵路300公里/小時以上的速度)，無法在列車運營的同時進行檢測，所以必須安排專門的探傷時間，影響鐵路運營效率。
[0007]采用基于調頻信號的超聲探測技術能夠克服脈沖回波法的缺點，具有精度較高、參數(shù)穩(wěn)定、魯棒性強等優(yōu)點，且可以避免“近場盲區(qū)”。該技術通過探頭向探測目標發(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行分析判斷。雖然基于調頻信號的超聲探測技術具有諸多優(yōu)點，但尚未在現(xiàn)有探傷車上采用，主要原因如下:1)該方法需要利用最大似然法實現(xiàn)高精度頻率參數(shù)估計，因此運算量大，難以通過硬件實現(xiàn)。2)受硬件工藝的限制，發(fā)射信號的帶寬較窄，根據(jù)香農定理，窄頻信號所提供的信息量也較少，因此難以實現(xiàn)探測精度的進一步提升。目前，隨著云計算的迅速發(fā)展，可以通過后臺云計算處理解決運算量大的問題，而如何產生寬頻信號仍有待探索。
[0008]此外，為了提高超聲探測的成像精度，需要在有限的空間內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，探測距離短，難以滿足鋼軌檢測的探測深度。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，使得超聲探測信號穿越距離長，損耗大，難以提尚成像精度。
[0009]綜上所述，現(xiàn)有輪式探傷車存在檢測精度不高、檢測速度受限等問題。

【發(fā)明內容】

[0010]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有輪式探傷車的探頭發(fā)射功率與探頭口徑之間的矛盾，以及采用調頻技術時發(fā)射信號帶寬窄的問題，提出一種基于時空四維寬頻陣列的高速鋼軌超聲探測成像裝置。
[0011]本發(fā)明的另一個目的在于提供一種基于時空四維寬頻陣列的高速鋼軌超聲探測成像方法。
[0012]本發(fā)明的目的通過以下技術方案實現(xiàn):
一種基于時空四維寬頻陣列的高速鋼軌超聲探測成像裝置，包括探測前端和后臺處理器。探測前端和后臺處理器通過無線方式連接。
[0013]所述后臺處理器，用于產生寬頻探測信號及控制指令，并將寬頻探測信號及控制指令發(fā)送至探測前端，然后接收探測前端傳回的探測回波信號，并且進行處理和成像。
[0014]所述探測前端，包括發(fā)射探頭陣列、接收探頭陣列、數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和控制模塊，其中發(fā)射探頭陣列發(fā)射超聲波信號進行探測，接收探頭陣列接收反射的探測回波信號，數(shù)據(jù)傳輸模塊負責探測前端與后臺處理器之間的無線通信，數(shù)據(jù)存儲模塊用于存儲后臺處理器發(fā)來的寬頻探測信號和接收探頭陣列已接收的探測回波信號，控制模塊負責控制探測前端各個部分之間的協(xié)調工作。
[0015]所述探測前端內置于鋼軌探傷車的車輪中，車輪內充滿耦合液。探測前端的頂部通過連接桿與車輪中心的輪軸相連。探測前端在重力的作用下始終處于下垂狀態(tài)，并與輪軸保持相對靜止。探測前端的底部與車輪之間的縫隙被耦合液充滿。探測前端的底部與車輪底部盡可能貼近，從而使發(fā)射探頭陣列和接收探頭陣列盡可能貼近鋼軌，以便縮短信號游程，實現(xiàn)在保證回波信號不丟失的情況下，提高輪式探傷車的運行速度，更好地匹配高速鐵路的需求。同時，探測前端的底部與鋼軌貼近，所發(fā)射的超聲信號能夠絕大部分進入鋼軌，從而減小信號損耗，提高探測效率。探測前端的形狀主要取決于內部發(fā)射探頭陣列和接收探頭陣列的形狀。
[0016]所述探測前端的發(fā)射探頭陣列由若干發(fā)射探頭按某種排列規(guī)律組成。發(fā)射探頭陣列為時空四維陣列，即設計發(fā)射探頭陣列時，需同時考慮一維時間與三維空間。在時間上，發(fā)射探頭陣列中的發(fā)射探頭按照一定的時序順序依次發(fā)射超聲波信號，以減少探頭之間的聲束干擾；在空間上，發(fā)射探頭陣列由二維探頭陣列拓展為三維立體陣列，即發(fā)射探頭陣列不但要設定發(fā)射探頭在二維空間的排列規(guī)律，還要設定發(fā)射探頭在三維立體空間中的高度、形態(tài)等。發(fā)射探頭陣列的發(fā)射探頭需要具備寬頻、大功率、小口徑的特點。
[0017]所述發(fā)射探頭由超聲換能器和功率聚焦裝置構成，超聲換能器安置在功率聚焦裝置的頂部。超聲換能器為寬頻大功率超聲換能器，可以將寬頻探測信號轉換為寬頻大功率超聲信號發(fā)送出去；功率聚焦裝置為類似漏斗的空心裝置，即頂部口徑大、底部口徑小，并由聲阻抗較高的材料制成。功率聚焦裝置的頂部形狀與口徑分別與超聲換能器的底部形狀與口徑一致。
[0018]所述功率聚焦裝置可以將超聲換能器發(fā)射的大功率超聲信號通過匯聚，從底部小口徑發(fā)射孔發(fā)射出