01 導(dǎo)讀

早期缺陷檢測在軌道交通安全監(jiān)測中發(fā)揮著重要作用。然而，現(xiàn)有方法不能同時滿足實現(xiàn)實時、在線、高精度的監(jiān)測需求。近日，華中科技大學(xué)孫琪真教授團隊提出并驗證了一種針對鋼軌缺陷的高精度、分布式、在線檢測方法。該團隊利用列車駛過缺陷時，輪-軌相互作用激發(fā)瞬時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新方法。

具體來說，通過在鐵軌上安裝離散散射增強光纜作為分布式聲波傳感器（DAS）記錄聲波事件，首先通過識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)場測試證明，該系統(tǒng)能夠成功識別鐵軌沿線的多個缺陷，且定位精度達到0.314m。該研究首次實現(xiàn)軌道缺陷的分布式在線檢測，并能進一步推廣應(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，帶來技術(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)測技術(shù)包括超聲探測技術(shù)、聲發(fā)射技術(shù)、軸箱加速度監(jiān)測技術(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，難以用于長線路的監(jiān)測中；超聲探傷車僅能在鐵路天窗期使用，對于缺陷檢測存在盲時、盲區(qū)；軸箱加速度監(jiān)測會受到列車振動的影響，噪聲大、定位精度低，監(jiān)測效果差。

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、長距離無源測量和抗腐蝕的優(yōu)勢，光纖DAS已應(yīng)用于軌道交通領(lǐng)域的多個方面，例如入侵監(jiān)測、列車位置和速度監(jiān)測和輪對異常檢測等。因此，通過光纖DAS技術(shù)實現(xiàn)分布式缺陷監(jiān)測是完全可行的。

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別&高精度定位方法

圖1 鋼軌缺陷檢測方法的原理示意圖

圖源：Optics Express（2022）

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

當(dāng)列車駛過鐵軌缺陷時，車輪和軌道之間的相互作用會產(chǎn)生彈性波并延鐵軌向兩側(cè)傳播。通過將散射增強光纖（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。因為前向傳輸和后向傳輸軌跡的交點為激發(fā)聲源的位置即缺陷位置，所以通過分析聲信號數(shù)據(jù)獲得傳播軌跡，即可實現(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，可實現(xiàn)小于0.179m的定位誤差。

3.2 現(xiàn)場驗證&結(jié)果分析

該團隊在真實鐵軌上進行了驗證，使用自主研發(fā)的基于相干檢測和極化分集接收的DAS系統(tǒng)作為聲波詢問器，如圖3（a）所示。特別地，通過紫外曝光在傳感光纜中引入一系列的散射增強點，以增強背向散射光的功率，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光纜固定在軌道腰部，如圖3（b）所示。測試鐵軌沿線共有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重型軌道車以30km/h的速度沿測試軌道行駛。

圖3 （a）DAS系統(tǒng)原理圖。現(xiàn)場測試環(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)場測試環(huán)境和測試列車。

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處的時空分布圖。由于不同波長的聲波傳播速度不同，輪-軌作用彈性波中的兩個主頻帶（600Hz-800Hz和1100Hz-1300Hz）被提取并單獨繪制時空分布圖，如圖4（a）和圖4（b）所示，其中對于不同的傳感通道添加了不同的偏置。以600Hz-800Hz范圍內(nèi)的信號為例，計算彈性波在不同位置傳感通道的到達時間，進而擬合正反兩條傳播曲線：

進而可以計算得到缺陷的位置為204.8375 m。通過同樣的方法，使用1100Hz-1300Hz的信號定位同一缺陷，得到了204.9592m的結(jié)果。為了進一步提高精度，本文利用彈性波擁有多個頻帶能量的特點提出了雙頻帶聯(lián)合算法進一步提高定位精度。對于兩個主頻帶的曲線擬合結(jié)果進行計算，選取其中擬合系數(shù)更高的一個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，這一算法可以進一步提高定位精度。為了評估該方法的穩(wěn)定性，對5個缺陷進行了10次測試。實驗結(jié)果表明，所有的缺陷測試都可以被成功檢測，識別率為100%。10次測試的位置誤差如圖4（c）所示，其中黑色點和紅色點表示兩個頻帶的結(jié)果，藍色點是通過雙頻聯(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。進一步的，如果提高采樣率和降低噪聲，缺陷定位誤差可以進一步減小。

圖4 實驗結(jié)果。（a）600Hz-800Hz頻帶時空分布圖（b）1100Hz-1300Hz 頻帶時空分布圖（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、在線鐵軌缺陷識別方法。當(dāng)列車駛過缺陷時，輪-軌相互作用會產(chǎn)生瞬時彈性波并延鐵軌雙向傳播。通過光纖DAS系統(tǒng)監(jiān)測傳播過程并求解兩個傳播軌跡的交點，從而實現(xiàn)缺陷的在線檢測和精準(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。現(xiàn)場測試實驗證明，該方法能夠以100%的識別率和亞米級的定位精度檢測缺陷，突破了DAS系統(tǒng)自身的空間分辨率。據(jù)我們所知，本研究首次公開報道了一種分布式在線缺陷識別方法，監(jiān)測距離可長達數(shù)十千米，定位精度可達亞米級，為高精度結(jié)構(gòu)損傷檢測提供了新的思路，有望實現(xiàn)鐵路、管道、隧道等基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)測的技術(shù)革新。

審核編輯 ：李倩