專利名稱：鐵路隧道襯砌全斷面車載檢測裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于鐵路工務系統檢測技術領域，特別涉及隧道襯砌質量和病害檢測的專用裝置。
背景技術：
據不完全統計，截止到2009年底，我國建 成的鐵路隧道總長度已經超過7000km，在建鐵路隧道約2500座，總長約4600km，到2020年前規劃建設5000座隧道，長度超過9000km。我國鐵路隧道建設的總量已經遠遠超過世界其他國家。我國新建鐵路隧道襯砌質量檢測方法是采用人工手持探地雷達天線緊貼隧道壁的方式檢測襯砌和完整性，由于成本較高，規范只要求抽檢5%，也就是說95%的隧道襯砌的質量沒有進行檢測。即便在交付運營前是合格的隧道，運營后隧道圍巖在長期鐵路荷載震動、地質、水文等共同作用下，也會發生隧道病害。1997年我國鐵路工務部門進行的全國鐵路隧道技術狀態統計顯示，全路運營隧道5000余座計2500km，其中發生病害影響運營的達1502座，占隧道總數的30%左右。據鐵道部秋檢資料統計，近年來我國鐵路失格隧道比例一直保持在60%以上。一般發現隧道病害后，在維修天窗時間內，停電后，人站在升降車上手持探地雷達天線進行檢測，比較長的隧道一個維修天窗時間也只能測一條測線，全斷面測完需要五個維修天窗時間。國外已有用于鐵路、公路隧道襯砌質量和病害檢測的探地雷達車。它們是用液壓系統支撐探地雷達天線與隧道壁緊貼，或者天線輻射面距隧道壁距離在25cm以內。這種車比人工方法進了一大步，它可以一次全斷面檢測，效率比人工提高了五倍，檢測時人身安全提高，勞動強度降低。但是這種方式在電氣化鐵路上檢測時，遇到接觸網固定桿，必須降下天線，由于液壓系統的反應速度比人的反應速度還慢，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間內停電作業，嚴重影響鐵路運輸，而且效率很低。目前我國鐵路電氣化區段占很大的比重，截止到2009年底，我國電氣化鐵路總里程已達到3. 2萬km，電氣化鐵路改造還在進行。而我國既有線電氣化區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，手持雷達天線與隧道壁緊貼的情況下檢測，每次只能測一個縱剖面，效率非常低，而且很不安全。我國鐵道科學研究院也正在購置國外探地雷達，研制類似國外鐵路、公路隧道襯砌檢測車，仍然采用液壓系統支撐探地雷達天線，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段隧道襯砌時，還是無法克服接觸網固定桿阻擋，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間內停電作業。本實用新型是針對我國既有線電氣化區段鐵路隧道檢測受接觸網及其固定桿的限制因而檢測速度很低的情況進行的一項技術革新。本實用新型要解決的技術問題是避免探地雷達天線與接觸網及其支座相碰，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；在檢測過程中自動定位，并且只采集記錄隧道內探地雷達信號；改進隧道檢測中探地雷達信號處理和分析方法。它要求車載探地雷達在遠距離的條件下全斷面連續檢測隧道襯砌，從而實現我國既有線鐵路隧道病害
的普查。
實用新型內容本實用新型目的是提供一種鐵路隧道襯砌全斷面車載檢測裝置，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支撐探地雷達天線方式檢測存在著接觸網結構阻擋而使檢測速度降低的缺點，提出一種既有線電氣化區段鐵路隧道襯砌車載探地雷達遠距離測量方法，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輸，以列車正常運行速度對隧道襯砌進行檢測，實現鐵路隧道病害的普查。本實用新型的目的是由以下技術方案來實現的，一種鐵路隧道襯砌全斷面車載檢測裝置，包括探地雷達、數據采集和數據后處理，其結構特點是六通道探地雷達的六個天線盒安裝在客車聯結體外，其中車體頂部天線盒和天線盒，輻射面朝上分別與接觸網對稱；·天線盒和天線盒福射面分別朝向兩邊拱腳上50cm處；天線盒和天線盒分別朝向兩邊邊墻，所有天線盒的輻射面都在鐵路機車界限以內，GPS系統的天線位于客車的頂上，里程編碼器安裝在車軸上，激光傳感器和激光傳感器分別安裝在檢測邊墻的探地雷達天線盒和天線盒內；多通道探地雷達主機及工控計算機、GPS系統接收設備、工控計算機放在車內測試臺上，六個探地雷達天線盒和里程編碼器與多通道探地雷達主機用同軸電纜相連；多通道探地雷達主機與工控計算機相連；GPS系統的天線與GPS接收機及工控計算機相連；激光傳感器和激光傳感器也與工控計算機相連；工控計算機與工控計算機相連。六組探地雷達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的速度運行，采集隧道襯砌結構與圍巖結構的雷達回波信號，組成隧道全斷面雷達回波圖像。根據雷達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結構等隧道襯砌質量與病害。解決避免探地雷達天線與接觸網及其支座相碰，并且在不停電的條件下工作的技術方案是探地雷達的天線必須安裝在車輛界限以內。天線限制在車輛界限以內，天線離隧道壁的距離I. 5m 2m之間。而目前國內外用于隧道襯砌檢測的探地雷達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。實際上天線離隧道壁的距離越大，入射到隧道壁內的電磁波強度就越小，為了補償因天線離隧道壁遠而造成的電磁波強度衰減，本實用新型增加一個發射天線，在每個天線盒內組成兩發一收的方式，使回波信號幅度增加一倍。提高檢測速度的技術方案是提高探地雷達的掃描速率。隧道襯砌檢測，要求測點距離不能超過5cm。目前一般綠皮列車速度為80km/h左右，要在列車正常運行速度條件下檢測，就要求探地雷達每個通道的掃描速率在444scan/s(每個掃描線由512個點組成)以上。目前國內探地雷達一般為單通道探地雷達，掃描速率128scan/s，國外多通道探地雷達系統只使用一個單通道時最高掃描速率為540scan/s，同時使用兩個通道時每個通道的掃描速率為270scan/s。所以要在列車正常運行速度條件下檢測，必須采用專門的高速掃描探地雷達系統。解決全斷面檢測的技術方案是增加探地雷達的通道數和天線對數。隧道襯砌檢測規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通道數和天線對數五個，與上述五條測線位置相對應。由于拱頂正下方有承力索和接觸網，要避開它們，在接觸網的兩邊各布置一條測線，所以全斷面檢測就要求探地雷達通道數和天線對數是六個，即需要六通道高速掃描探地雷達系統。六個通道探地雷達系統如果六對天線同時發射，同時接收的話，各通道之間相互干擾，如第一通道向隧道壁發射的電磁波有可能通過隧道襯砌結構，返回到附近的二、三、四、五、六通道內。消除通道之間相互干擾的方法是靠通道之間發射時間延遲來實現的，即第一通道發射天線發射電磁波，第一通道接收天線接收壁后回波，其它通道關閉不接收；接下來第二通道發射天線發射電磁波，第二通道接收天線接收壁后回波，其它通道關閉不接收；再接下來第三通道發射天線發射電磁波，第三通道接收天線接收壁后回波，其它通道關閉不接收；……，依次到第六通道發射天線發射電磁波，第六通道接收天線接收壁后回波，其它通道關閉不接收。完成第一個循環，然后再次循環。解決在檢測過程中自動定位的技術方案是用軸上里程編碼器測距和GPS里程校正系統相結合的定位方法。鐵路隧道襯砌探地雷達檢測車載在運行過程中，探地雷達一邊采集襯砌內和襯砌后圍巖的反射信號，一邊采集里程信號，同時將兩種信號寫入記錄，即探地雷達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地輸入給計算機，寫入雷達記錄中。探地雷達數據經過后處理軟件處理后，在雷達剖面圖上發現異常時，就可以根據雷達剖面圖上標明的里程，到現場找到異常對應的位置。現有的隧道襯砌探地雷達檢測車在檢測隧道時，在待檢隧道入口停下來，給出初始里程值，然后開始檢測，邊測邊打標記或邊輸入里程。而在正常列車運行速度條件下檢測，尤其是兩隧道間距很小時，特別在夜間運行，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里程編碼器測距和GPS里程校正系統相結合的定位方法。在距待測隧道前，GPS里程校正系統在整公里標處得到該標的里程數，然后靠里程編碼器脈沖信號來計算出檢測車在隧道內的實時里程。解決只采集記錄隧道內探地雷達信號，減少檢測數據量的技術方案是用激光水平測距信號來控制計算機只存儲隧道內探地雷達數據.如果測點距離5cm，用六個通道采集數據，2G的數據文件只能保存8km的探地雷達數據。如果不區分隧道，連續采集數據，800km的線路將保存100個2G的文件，這個數據量是巨大的，數據分析將要很長的時間。因此在正常列車運行速度條件下要自動識別隧道，只采集記錄隧道內探地雷達信號，減少數據量是需要解決的一個問題。解決的方法是在列車外側邊墻的位置兩邊各安置一個水平測距激光傳感器，當激光傳感器剛好進入待測隧道時，激光傳感器的電流或電壓超過設定的閥值，發出進入隧道信號給控制系統，探地雷達系統就開始記錄數據。當檢測車駛出待測隧道時，激光傳感器的電流或電壓低于設定的閥值，發出駛出隧道信號給控制系統，探地雷達系統就準備停止記錄數據，為了信號處理的需要，再繼續采集100個對空掃描信號作為背景信號，然后這兩類數據一起保存一個文件，達到一個隧道一個數據文件，不采多余的數據。探地雷達信號處理中的去背景方法是探地雷達信號處理的關鍵技術。因為從發射天線直接進入接收天線的直達波(背景信號)和接觸網結構的反射波都非常強，而來自隧道襯砌內和襯砌后以及圍巖內的反射波都很弱。所以微弱的有效信號往往淹沒在非常強的背景信號中，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波的方法。平均道去背景方法，將一定數量的數據道信號疊加后平均，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，還有一個隧道斷面變化很大時，平均的背景道與實際的背景相差就很大。參考道去背景方法，在同一隧道，隧道結構和圍巖基本相同，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結構很熟悉才行。去掉直達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波，然后將直達波文件存盤，處理信號時將每道信號都減去直達波，這樣可以保留原有的隧道地質結構。本實用新型采用去掉直達波的方法去背景，但是不是整個一條鐵路線采集一個對空直達波道信號，而是為了消除探地雷達系統內的隨機噪聲和長時間造成的溫度飄移，每個隧道采集一次，這樣采集的直達波能夠反映當時的直達波信號，背景才去的干凈。考慮到本實用新型雷達天線離隧道壁較遠，在檢測過程中也無法隨時調整天線的角度，讓天線輻射面與對應點隧道壁平面平行，所以有時入射波與隧道壁不垂直，實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。本實用新型與現有技術相比的有益效果在于可用于既有鐵路線隧道襯砌質量和隧道病害普查。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輸。本實用新型使檢測速度大幅度提高，按我國目前慢行列車速度(80km/h)計算，與現有的檢測車相比，效率提高了 16倍；如果按最高檢測速度(175km/h)計算，與現有的檢測車相t匕，效率提高了 35倍。
圖I為本實用新型雷達天線布置圖。圖2為本實用新型正視圖。
具體實施方式
以下結合附圖詳細說明本實用新型的具體實施方式
。本實用新型鐵路隧道襯砌全斷面車載檢測裝置，包括探地雷達部分、定位部分、激光測距部分。探地雷達部分由六個天線盒、六條十米長的五芯同軸電纜及電纜兩端聯接器、探地雷達主機、工控計算機以及電源組成。六通道探地雷達主機脈沖重復頻率3MHz ;每個通道的脈沖重復頻率500kHz，掃描速率為976scan/s，每個掃描線由512個點組成。天線為TEM短喇叭空氣耦合天線，中心頻率為300MHz，每個天線盒內有三個天線，排成一字形，兩邊為發射天線，中間為接收天線。天線盒只有一個輻射面為絕緣材料，其他面為金屬材料作為屏蔽。每個天線盒內裝有兩個發射機與兩個發射天線，一個信號接收機與接收天線。發射機用來發射脈沖波，經整形、功率放大后加載到發射天線，發射天線向隧道壁發射電磁波，在同一天線盒內的接收天線接收來自隧道襯砌內和襯砌后的反射波信號，并將反射波信號傳給接收機，接收機經過采樣保持、放大，再通過同軸電纜傳送到探地雷達主機。探地雷達主機包含了以下部分由220伏交流電轉換為供給發射機和接收機、里程編碼器、隧道激光傳感器等所需的各種電壓的直流電源；整個系統的同步信號、各通道發射機、接收機采樣單元的觸發信號和A/D轉換單元的觸發信號；A/D轉換單元和計算機接口 ；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里程編碼器(距離測量傳感器)和GPS校正系統組成。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射激光和接收障礙物反射回來的信號來感知檢測系統是否在隧道內。按照圖I將六個探地雷達盒分別安裝客車聯結體外，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,福射面必須在機車車輛限界以內；在圖2中，探地雷達主機9和用于探地雷達數據采集和記錄的工控計算機10放在客車內的測試臺上；將六個天線盒分別用六根十米長的五芯同軸電纜及聯接器與探地雷達 主機9相連；將列車軸上的里程編碼器11也與探地雷達主機9相連；GPS天線12安裝在車頂上與車內裝GPS接收機13以及與裝有GPS里程校正系統的工控計算機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，其連接線與工控計算機10相連。探地雷達每個通道的工作過程如下探地雷達主機9發出觸發信號，通過同軸電纜發送給天線盒內的兩個發射機，發射機發射電磁脈沖到發射天線，發射天線將電磁波發射出去，向隧道襯砌內傳播，遇到電磁阻抗界面產生電磁回波，接收天線接收來自襯砌內和襯砌后的電磁回波，送入接收機采樣后通過同軸電纜輸入給探地雷達主機9內A/D轉換電路，然后輸入計算機10顯示、存儲。六個通道的工作過程如下即第一通道發射信號，第一通道接收回過波信號；接下來第二通道發射信號，第二通道接收回波信號；再接下來第三通道發射信號，第三通道接收回波信號，……，直到第六通道發射信號，第六通道接收回波信號，完成第一個循環，然后依次循環。數據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信號，并根據激光傳感器信號判斷是否存儲數據。數據采集過程由采集軟件中的程序指令控制，檢測車運行后，里程編碼器11開始工作，探地雷達系統開啟并設置參數，程序指令控制工控計算機10只抽道(每隔64個掃描線抽取一個掃描線)顯示數據但不記錄數據。在距待測隧道前，GPS里程校正系統在整公里標處得到該標的里程數，然后發送給用于工控計算機10，工控計算機10執行程序指令，在該里程數上累計里程編碼器發來的脈沖數，計算出檢測車瞬時里程。當剛好進入待測隧道時，激光傳感器7和激光傳感器8發出遇到隧道信號輸入給計算機10。一般車載探地雷達在檢測結束后采集對空背景信號，在長達數小時或數十小時的檢測過程中，由于探地雷達系統的穩定性和電子元件溫度飄逸以及隨機噪聲的影響，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，本實用新型在每個隧道檢測結束后，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量。目前一般綠皮列車速度為80km/h左右，由于本例探地雷達每個通道的掃描速率為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。
權利要求1.一種鐵路隧道襯砌全斷面車載檢測裝置，包括探地雷達、數據采集和數據后處理，其特征在于六通道探地雷達的六個天線盒安裝在客車聯結體外，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車界限以內，GPS系統的天線(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天線盒(5)和天線盒(6)內；多通道探地雷達主機(9)及工控計算機(10)、GPS系統接收設備(13)、工控計算機(14)放在車內測試臺上，六個探地雷達天線盒和里程編碼器(11)與多通道探地雷達主機(9)用同軸電纜相連；多通道探地雷達主機(9)與工控計算機(10)相連；GPS系統的天線(12)與GPS接收機(13)及工控計算機(14)相連；激光傳感器(7)和激光傳感器(8)也與工控計算機(10)相連；工控計算機(14)與工控計算機(10)相連。
2.如權利要求I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脈沖重復頻率3MHz，每個通道的脈沖重復頻率500kHz，掃描速率為976scan/s，每個掃描線由512個點組成。
3.如權利要求I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，每個天線盒內有三個天線，排成一字形，兩邊為發射天線，中間為接收天線，天線盒只有一個輻射面為絕緣材料，其他面為金屬材料。
專利摘要本實用新型提供了一種鐵路隧道襯砌全斷面車載檢測方法與裝置，屬于鐵路隧道檢查技術領域。要解決的技術問題是避免探地雷達天線與接觸網及其支座相碰，檢測速度為列車正常運行速度；全斷面檢測各天線之間不相互干擾；在檢測過程中自動定位，并且只采集記錄隧道內探地雷達信號；改進隧道檢測中探地雷達信號處理和分析方法。這種車載設備包含六通道高速掃描探地雷達部分、定位部分、激光測距部分。探地雷達脈沖重復頻率3MHz；每個通道的脈沖重復頻率500kHz，掃描速率為976scan/s。TEM短喇叭空氣耦合天線，每組天線為兩發一收，中心頻率為300MHz。探地雷達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。主要用于鐵路隧道襯砌檢查自動化檢測。
文檔編號G01B15/02GK202599370SQ201220014500
公開日2012年12月12日 申請日期2012年1月13日 優先權日2012年1月13日
發明者昝月穩, 李志林, 李桂明, 許建平, 齊華, 章錫元, 張安學, 魏文濤 申請人:西南交通大學