[发明专利]一种基于超声兰姆波板式无砟轨道裂缝的拓扑成像方法及装置

权利要求书

1.一种基于超声兰姆波板式无砟轨道裂缝的拓扑成像方法，其特征在于：采用的拓扑成像装置包括轨检小车及设置在轨检小车上的超声波发射接收器和计算机，还包括空气耦合超声探头和角度调节机构，所述空气耦合超声探头包括空气耦合超声激发换能器和空气耦合超声接收换能器，所述空气耦合超声激发换能器与超声波发射接收器的发射端信号连接，空气耦合超声接收换能器与超声波发射接收器的接收端信号连接，所述超声波发射接收器的接收端与计算机信号连接，所述空气耦合超声激发换能器和空气耦合超声接收换能器均连接在角度调节机构上，所述角度调节机构与一三轴位移调节机构相连接，且所述三轴位移调节机构固定连接在轨检小车的前端；

所述拓扑成像方法是先利用不同位置的空气耦合超声激发换能器激发超声波进入轨道板内部以激发兰姆波信号；然后由不同位置的空气耦合超声接收换能器接收兰姆波回波信号；然后由计算机采用MATLAB软件先对兰姆波回波信号进行滤波处理再依据拓扑成像算法进行轨道的裂缝成像；具体包括如下步骤：

a)数据采集：利用超声波发射接收器的发射端发射超声波并由不同位置的空气耦合超声激发换能器将超声波激发至轨道板内部以在轨道板内部激发兰姆波信号，然后由不同位置的空气耦合超声接收换能器接收兰姆波回波信号并将兰姆波回波信号传输给超声波发射接收器的接收端，由超声波发射接收器的接收端将接收的兰姆波回波信号传输给计算机；数据采集过程中，所述空气耦合超声激发换能器和空气耦合超声接收换能器采用“一发多位置接收”的方式激发和接收兰姆波信号；

假设分别在i个位置激发兰姆波信号，所有激励信号都为t₀(t)：

t_i(t)＝[1-cos(2πf_ct/N)]sin(2πf_ct)，t₀(t)＝t_i(t)       (1)；

假设一个位置激发兰姆波信号对应j个位置接收信号，接收信号为：

公式(1)中和公式(2)中：i为激发信号的位置数，j为接收信号的位置数，i和j均为大于1的整数，f_c为激励信号的中心频率，θ为空气耦合超声激发换能器的入射角度，t为信号的传播时间，x,y为接收信号的位置，N为激励信号周期数；

b)数据处理：

拓扑成像需要将直接声场和伴随声场的利用时域拓扑能量公式计算成像区域各点的像素值，首先计算直接声场D₀(x，y，t)为：

D₀(x，y，t)＝F^-1{F{t₀(t)}exp(-i2πf_cd/c_P(f_c)}          (3)；

公式(3)中，F{·}表示傅里叶变换，F^-1{·}表示傅里叶逆变换，C_P为相应兰姆波的相速度，d表示传播一定时间后的传播距离；

计算伴随声场时，需要对接收到的信号进行时间反转作为第二次激励信号重新激励，再对检测区域内各点接收到的信号，即伴随声场进行第二次时间反转，第一次时间反转信号为：

公式(4)中，T为信号传播的截止时间；

将公式式(4)作为二次激励源在接收点处重新激励，将接收到的信号再进行一次时间反转，得到：

A₀(x，y，t)＝V₀(x，y，T-t)                   (6)；

公式(5)中，V₀(x,y,t)表示伴随声场，A₀(x,y,t)表示时间反转后的伴随声场，V₀(x,y,T-t)表示对伴随声场进行时间反转；

最后使用拓扑能量公式(7)得到成像结果：

公式(7)中，(x,z)为成像区域的坐标位置，L(x,z)为检测区域内各点的能量值，dt表示对时间t的微积分；

如此，综合全部激发和接收位置成像结果可得到轨道的裂缝图像。

2.根据权利要求1所述的拓扑成像方法，其特征在于：设有两个角度调节机构，每个角度调节机构均对应设有转动电机和连接件，所述转动电机通过连接件与三轴位移调节机构相连接，所述空气耦合超声激发换能器和空气耦合超声接收换能器分别连接在对应的转动电机的转轴上。