01 導(dǎo)讀

早期缺陷檢測(cè)在軌道交通安全監(jiān)測(cè)中發(fā)揮著重要作用。然而，現(xiàn)有方法不能同時(shí)滿(mǎn)足實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、在線、高精度的監(jiān)測(cè)需求。近日，華中科技大學(xué)孫琪真教授團(tuán)隊(duì)提出并驗(yàn)證了一種針對(duì)鋼軌缺陷的高精度、分布式、在線檢測(cè)方法。該團(tuán)隊(duì)利用列車(chē)駛過(guò)缺陷時(shí)，輪-軌相互作用激發(fā)瞬時(shí)彈性波并沿鐵軌雙向傳播的特性，提出了基于光纖分布式聲波傳感技術(shù)及聲傳遞曲線擬合算法的鋼軌缺陷檢測(cè)新方法。

具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)在鐵軌上安裝離散散射增強(qiáng)光纜作為分布式聲波傳感器（DAS）記錄聲波事件，首先通過(guò)識(shí)別彈性波的傳播軌跡尋找鐵軌缺陷，然后擬合傳播軌跡定位聲源和缺陷位置。特別的，優(yōu)化算法利用多道聲波信息，使缺陷定位精度突破DAS系統(tǒng)的空間分辨率。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試證明，該系統(tǒng)能夠成功識(shí)別鐵軌沿線的多個(gè)缺陷，且定位精度達(dá)到0.314m。該研究首次實(shí)現(xiàn)軌道缺陷的分布式在線檢測(cè)，并能進(jìn)一步推廣應(yīng)用于管道和隧道等基礎(chǔ)設(shè)施的高精度結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)，帶來(lái)技術(shù)革新。研究成果以“High-precision distributed detection of rail defect by tracking the acoustic propagation waves”為題在Optics Express上發(fā)表，論文第一作者為華中科技大學(xué)博士研究生范存政，通訊作者為孫琪真教授。

02 研究背景

目前，現(xiàn)有的軌道損傷監(jiān)測(cè)技術(shù)包括超聲探測(cè)技術(shù)、聲發(fā)射技術(shù)、軸箱加速度監(jiān)測(cè)技術(shù)。但是這些技術(shù)手段均有著一定的不足之處：聲發(fā)射傳感器覆蓋范圍僅為幾米，難以用于長(zhǎng)線路的監(jiān)測(cè)中；超聲探傷車(chē)僅能在鐵路天窗期使用，對(duì)于缺陷檢測(cè)存在盲時(shí)、盲區(qū)；軸箱加速度監(jiān)測(cè)會(huì)受到列車(chē)振動(dòng)的影響，噪聲大、定位精度低，監(jiān)測(cè)效果差。

近些年，分布式聲學(xué)傳感（DAS）技術(shù)表現(xiàn)出了巨大的潛力。得益于抗電磁干擾、長(zhǎng)距離無(wú)源測(cè)量和抗腐蝕的優(yōu)勢(shì)，光纖DAS已應(yīng)用于軌道交通領(lǐng)域的多個(gè)方面，例如入侵監(jiān)測(cè)、列車(chē)位置和速度監(jiān)測(cè)和輪對(duì)異常檢測(cè)等。因此，通過(guò)光纖DAS技術(shù)實(shí)現(xiàn)分布式缺陷監(jiān)測(cè)是完全可行的。

03 創(chuàng)新研究

3.1 基于彈性波傳播軌跡追蹤的鋼軌缺陷識(shí)別&高精度定位方法

圖1 鋼軌缺陷檢測(cè)方法的原理示意圖

圖源：Optics Express（2022）

https://doi.org/10.1364/OE.468193 （Fig.1）

當(dāng)列車(chē)駛過(guò)鐵軌缺陷時(shí)，車(chē)輪和軌道之間的相互作用會(huì)產(chǎn)生彈性波并延鐵軌向兩側(cè)傳播。通過(guò)將散射增強(qiáng)光纖（BEOF）安裝在軌道軌腰上，記錄彈性波的傳播軌跡。由于軌道是條形聲波導(dǎo)，彈性波將在軌道中以恒定的速度向前和向后傳播。因?yàn)榍跋騻鬏敽秃笙騻鬏斳壽E的交點(diǎn)為激發(fā)聲源的位置即缺陷位置，所以通過(guò)分析聲信號(hào)數(shù)據(jù)獲得傳播軌跡，即可實(shí)現(xiàn)缺陷的定位。

圖2 數(shù)值仿真結(jié)果。（a）定位誤差與傳感區(qū)間數(shù)量、采樣頻率的關(guān)系（b）定位誤差與信號(hào)噪聲水平的關(guān)系缺陷的垂直視圖（c）定位誤差與傳感區(qū)間數(shù)量的關(guān)系

圖源：Optics Express（2022）

https://doi.org/10.1364/OE.468193 （Fig.3）

數(shù)值仿真結(jié)果表明，定位誤差和系統(tǒng)采樣率、聲波信噪比、彈性波傳播傳感道數(shù)相關(guān)，其中系統(tǒng)采樣率、信噪比、傳感道數(shù)越高，定位誤差越小。理論上，在8kHz采樣率、傳感道數(shù)為10道時(shí)，可實(shí)現(xiàn)小于0.179m的定位誤差。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證&結(jié)果分析

該團(tuán)隊(duì)在真實(shí)鐵軌上進(jìn)行了驗(yàn)證，使用自主研發(fā)的基于相干檢測(cè)和極化分集接收的DAS系統(tǒng)作為聲波詢(xún)問(wèn)器，如圖3（a）所示。特別地，通過(guò)紫外曝光在傳感光纜中引入一系列的散射增強(qiáng)點(diǎn)，以增強(qiáng)背向散射光的功率，并抑制相干衰落噪聲。DAS的采樣頻率設(shè)置為8kHz，并將具有2m空間分辨率的散射增強(qiáng)光纜固定在軌道腰部，如圖3（b）所示。測(cè)試鐵軌沿線共有5處缺陷，尺寸為7cm×1cm×3cm，分別位于81m、104m、129m、155m和204m左右。此外，一輛GC-270重型軌道車(chē)以30km/h的速度沿測(cè)試軌道行駛。

圖3 （a）DAS系統(tǒng)原理圖?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)境照片：（b）鋪設(shè)在軌道腰部的光纖電纜（c） 缺陷的垂直視圖（d）缺陷的側(cè)視圖（e）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)境和測(cè)試列車(chē)。

圖源：Optics Express（2022）

https://doi.org/10.1364/OE.468193 （Fig.4）

首先，本文中記錄并繪制了204m處的時(shí)空分布圖。由于不同波長(zhǎng)的聲波傳播速度不同，輪-軌作用彈性波中的兩個(gè)主頻帶（600Hz-800Hz和1100Hz-1300Hz）被提取并單獨(dú)繪制時(shí)空分布圖，如圖4（a）和圖4（b）所示，其中對(duì)于不同的傳感通道添加了不同的偏置。以600Hz-800Hz范圍內(nèi)的信號(hào)為例，計(jì)算彈性波在不同位置傳感通道的到達(dá)時(shí)間，進(jìn)而擬合正反兩條傳播曲線：

進(jìn)而可以計(jì)算得到缺陷的位置為204.8375 m。通過(guò)同樣的方法，使用1100Hz-1300Hz的信號(hào)定位同一缺陷，得到了204.9592m的結(jié)果。為了進(jìn)一步提高精度，本文利用彈性波擁有多個(gè)頻帶能量的特點(diǎn)提出了雙頻帶聯(lián)合算法進(jìn)一步提高定位精度。對(duì)于兩個(gè)主頻帶的曲線擬合結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，選取其中擬合系數(shù)更高的一個(gè)頻帶的位置作為最終定位結(jié)果。由于更高的擬合系數(shù)意味著更精準(zhǔn)的擬合和定位，這一算法可以進(jìn)一步提高定位精度。為了評(píng)估該方法的穩(wěn)定性，對(duì)5個(gè)缺陷進(jìn)行了10次測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所有的缺陷測(cè)試都可以被成功檢測(cè)，識(shí)別率為100%。10次測(cè)試的位置誤差如圖4（c）所示，其中黑色點(diǎn)和紅色點(diǎn)表示兩個(gè)頻帶的結(jié)果，藍(lán)色點(diǎn)是通過(guò)雙頻聯(lián)合處理算法優(yōu)化的結(jié)果。圖4（d）為圖4（c）結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差，結(jié)果證明雙頻聯(lián)合處理算法可以有效提高定位精度，最大標(biāo)準(zhǔn)偏差僅為0.314m。進(jìn)一步的，如果提高采樣率和降低噪聲，缺陷定位誤差可以進(jìn)一步減小。

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果。（a）600Hz-800Hz頻帶時(shí)空分布圖（b）1100Hz-1300Hz 頻帶時(shí)空分布圖（c）缺陷定位誤差（d）缺陷定位結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

圖源：Optics Express（2022）

https://doi.org/10.1364/OE.468193 （Fig. 4&5）

04 應(yīng)用與展望

本文提出并論證了一種基于光纖DAS系統(tǒng)的高精度、分布式、在線鐵軌缺陷識(shí)別方法。當(dāng)列車(chē)駛過(guò)缺陷時(shí)，輪-軌相互作用會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)彈性波并延鐵軌雙向傳播。通過(guò)光纖DAS系統(tǒng)監(jiān)測(cè)傳播過(guò)程并求解兩個(gè)傳播軌跡的交點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)缺陷的在線檢測(cè)和精準(zhǔn)定位。理論分析表明，定位誤差與DAS噪聲和采樣頻率有關(guān)。此外，本文設(shè)計(jì)了雙頻聯(lián)合處理算法用以抑制相位噪聲，從而提高定位精度?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)證明，該方法能夠以100%的識(shí)別率和亞米級(jí)的定位精度檢測(cè)缺陷，突破了DAS系統(tǒng)自身的空間分辨率。據(jù)我們所知，本研究首次公開(kāi)報(bào)道了一種分布式在線缺陷識(shí)別方法，監(jiān)測(cè)距離可長(zhǎng)達(dá)數(shù)十千米，定位精度可達(dá)亞米級(jí)，為高精度結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)提供了新的思路，有望實(shí)現(xiàn)鐵路、管道、隧道等基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)測(cè)的技術(shù)革新。

審核編輯 ：李倩