路基表面沉降光學(xué)測量方法的研究

張彥彥 馮其波 楊婧 高瞻

摘 要：簡單介紹了國內(nèi)外對高速鐵路路基工后沉降的要求，并針對我國現(xiàn)有路基沉降測量方法的不足，提出一種基于CCD的路基沉降光學(xué)測量新方法。該方法以CCD作為探測器，通過CCD上像點的位移來測量路基表面沉降。重點介紹了測量系統(tǒng)成像透鏡的優(yōu)化和關(guān)鍵器件的選擇，并通過ZEMAX模擬實驗和實驗室測量實驗驗證了系統(tǒng)的可行性。

關(guān)鍵詞：CCD；攝遠(yuǎn)物鏡；光學(xué)測量

引言

中國的高速鐵路經(jīng)過10多年的飛速建設(shè)和發(fā)展，其規(guī)模和最高運營速度已躍居世界第一。隨之而來的是鐵路設(shè)計、施工以及檢測等方面日益增加的挑戰(zhàn)，其中，路基沉降監(jiān)測技術(shù)也亟待深入研究，以適應(yīng)高速鐵路對路基沉降狀況的嚴(yán)格要求。

1 國內(nèi)外高速鐵路路基工后沉降的要求

根據(jù)各國高速鐵路發(fā)展?fàn)顩r的不同，對路基工后沉降的要求也略微不同。

德國高速鐵路有碴軌道要求路基沉降不得超過1-2cm/年，橋墩周圍不應(yīng)有不均勻沉降，路基不均勻沉降造成的軌道變形按軌道豎向過渡曲線半徑Ra≥0.4V2控制，如V=350km/h，在10m內(nèi)不超過2mm。法國高速鐵路規(guī)定濾水層驗收后最初沉降應(yīng)小于2cm，最后一次搗固之后和運行第一列高速列車前，或最晚在濾水層驗收后18個月內(nèi)沉降完全穩(wěn)定；規(guī)定30m范圍內(nèi)每年的最大沉降差為4mm，200m范圍內(nèi)每年的最大沉降差為10mm。日本新干線規(guī)定有碴軌道路基工后沉降量一般地段不應(yīng)大于10cm，沉降速率應(yīng)小于3cm/年，橋臺臺尾過渡段路基工后沉降量不應(yīng)大于5cm。中國高速鐵路規(guī)定有碴軌道路基工后沉降量一般地段不大于5cm，臺尾過渡段工后沉降量不大于3cm，沉降速率應(yīng)小于2cm/年[1]。

2 現(xiàn)有監(jiān)測方法

測量鐵路路基沉降的傳統(tǒng)方法主要有監(jiān)測樁法、沉降板法、沉降水杯法、剖面沉降儀法等。

傳統(tǒng)的方法分別存在一些不可避免的缺點，使其難以滿足高速鐵路路基沉降的要求，如：沉降水杯法和水壓式分層沉降儀法只能在不結(jié)冰的環(huán)境中使用，且環(huán)境溫度過高導(dǎo)致水的蒸發(fā)也會影響測量精度，因此使用環(huán)境受限；電磁式分層沉降儀法由于管道傾斜、標(biāo)尺伸縮引起測量誤差，精度較低，并且管道的埋設(shè)也會對施工產(chǎn)生影響；監(jiān)測樁法、沉降板法等均采用人工讀數(shù)，存在人為誤差問題。以上這些方法均不能實現(xiàn)路基沉降的遠(yuǎn)程實時自動監(jiān)測，且測量效率較低，不適合應(yīng)用于高速鐵路路基沉降測量。

目前高速鐵路路基測量主要采用CPIII精測技術(shù)[2]，該方法可直接用于指導(dǎo)軌道施工，保證軌道的高平順性和精度，但其投入成本較高，測量工期長，測量過程繁瑣，且對人員素質(zhì)和氣象條件要求較高，效率低。

3 基于光學(xué)原理的路基沉降測量方法

為克服以上路基沉降測量的缺點，提出一種適用于高速鐵路路基沉降的測量方法，文章對基于CCD的光學(xué)測量方法進行了研究，對相應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計，并通過模擬實驗驗證其可行性。

3.1 光學(xué)測量基本原理

路基表面沉降測量光路主要包括點光源組合和測量裝置，如圖1所示。其中，點光源組由2個間距為s的點光源組成，固定在監(jiān)測樁上；測量裝置組由成像透鏡、CCD探測器和處理電路組成，固定在距路基較遠(yuǎn)、不發(fā)生沉降的基準(zhǔn)樁上組成[3]；測量光路物距為d，像距為d，兩個點光源在CCD上所成的像點間距為s。當(dāng)路基表面發(fā)生沉降時，固定在監(jiān)測樁上的點光源會隨之產(chǎn)生相同距離的沉降h，每一個點光源在CCD上所成的像點也隨之產(chǎn)生相應(yīng)的位移h，其像點間距s 固定不變。其中像點間隔s 和像點位移h 可通過CCD測量得到，路基表面沉降h可通過成像關(guān)系h= h'來計算，但由于物距d和像距d在實際測量時難以精確測量，而點光源間距s和其像點間距s則可精確測量得到，故將路基表面沉降公式改寫為h= h'。

利用兩個點光源的成像比例自標(biāo)定技術(shù)，避免了測量物距和像距引入的誤差，從而提高了系統(tǒng)的精度。

3.2 光路的優(yōu)化設(shè)計

對光學(xué)系統(tǒng)來說，焦距越長，分辨率越高，但系統(tǒng)體積也隨之增大。為了在不影響測量分辨率的前提下減小測量裝置體積，文章采用攝遠(yuǎn)物鏡作為成像透鏡。攝遠(yuǎn)物鏡由一個前正透鏡組和一個后負(fù)透鏡組組成，它能夠縮短長焦距儀器的長度，使物鏡的長度小于焦距，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中f1、 f2、 f′分別為正透鏡、負(fù)透鏡、透鏡組的焦距，H′、F1′、F′分別為透鏡組主點、正透鏡焦點和透鏡組焦點。

圖2 攝遠(yuǎn)物鏡結(jié)構(gòu)原理圖

攝遠(yuǎn)物鏡采用兩個光組進行組合，可按照理想光學(xué)系統(tǒng)兩光組組合來進行分析。如圖 3所示，假定光組I、光組II的焦距已知，分別為fI、fI和fII、fII ，且兩個光組的主平面距離為l。

圖3 兩光組組合

按照兩光組組合分析[4]計算得出，攝遠(yuǎn)物鏡的像方焦距：

攝遠(yuǎn)物鏡的后工作距

4 測量系統(tǒng)設(shè)計

4.1 點光源的選擇

點光源作為路基表面沉降光學(xué)測量系統(tǒng)中的被測目標(biāo)，其光譜特性、發(fā)光強度、穩(wěn)定性、光斑分布等都影響著測量結(jié)果。由于激光具有較高的準(zhǔn)直性，而激光器在安裝和使用過程很容易發(fā)生微小的角度變化，導(dǎo)致出射的激光傳播方向發(fā)生偏移，從而使得CCD上的光斑位置發(fā)生變化，引起較大誤差。故綜合考慮光源的工作壽命、成本、能耗及對鐵路正常運營的工作信號燈有無干擾等因素，最終選擇了中心波長為850nm的紅外LED作為光源。

4.2 透鏡的選擇

單透鏡成像時，往往會產(chǎn)生像差。為了盡可能地減小像差，實驗中將雙膠合消色差正透鏡和雙膠合消色差負(fù)透鏡進行組合作為攝遠(yuǎn)物鏡，調(diào)整合適的透鏡間距，使光點盡可能在CCD上理想成像[5]。

根據(jù)實際物距和測量裝置長度的要求，并利用ZEMAX軟件分析比較，選擇焦距為175mm的雙膠合消色差正透鏡和焦距為-30mm的雙膠合消色差負(fù)透鏡組合成為攝遠(yuǎn)物鏡，確定組合焦距為1050mm，兩透鏡間距為150mm，正透鏡與像面間距為328.31mm。

4.3 CCD的選擇

由于測量目標(biāo)距離較遠(yuǎn)，且系統(tǒng)對精度有較高要求，綜合考慮分辨率、精度好、動態(tài)范圍、價格等因素，相比于面陣CCD，線陣CCD具有成本低、視場大、分辨率與采樣頻率高、驅(qū)動電路簡單等優(yōu)點，更適合用于路基表面沉降的測量。實驗中選擇的線陣CCD型號為索尼ILX558K，該CCD包含5340×3個像元，尺寸大小為4μm×4μm，中心距為4μm，動態(tài)范圍為1500。

5 仿真、模擬實驗及結(jié)果

為了驗證測量系統(tǒng)的可行性，首先基于ZEMAX軟件進行仿真實驗。設(shè)置Y方向的視場，模擬LED以步長0.1mm移動，并記錄每個視場像面的光強分布，然后通過Matlab編程提取出對應(yīng)的光斑中心位置[6]，最后通過自標(biāo)定將光斑中心位置的位移值轉(zhuǎn)換為物面光點的沉降值。模擬實驗結(jié)果如圖4所示，可以看出仿真測量系統(tǒng)可以分辨到0.1mm的位移。

圖4 ZEMAX仿真分析結(jié)果

由于實驗室長度有限，故只能在實驗室外走廊上搭建測量裝置，通過人為控制點光源的移動來模擬路基表面沉降，從而進行測量分析，進一步驗證測量系統(tǒng)的可靠性。將點光源安裝在與測量裝置相距40m的豎直放置的位移臺上，該位移臺可上下移動，移動距離可通過光柵尺精確測量得到。測量裝置實物圖如圖5所示。

實驗時，以步長0.1mm移動位移臺，安裝在其上的點光源的位移通過CCD測量得出，然后與點光源實際位置進行比較。如圖6所示，可以看出測量系統(tǒng)可以達(dá)到0.1mm的分辨率，并且誤差控制在±0.015mm以內(nèi)，測量位置與實際位置在誤差范圍內(nèi)是一致的，與仿真分析結(jié)果一致。

圖6 測量位置與實際位置及誤差關(guān)系曲線

穩(wěn)定性實驗在晚上00：00至07：30進行，此時外界干擾較小，結(jié)果如圖7所示，可以看出，在00：00至06：30期間測量系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，誤差大多數(shù)在0.02mm以內(nèi)，在06：30至07：30期間，誤差明顯增大，這是由于人員走動或車輛經(jīng)過造成的震動引起的。實際測量時，都是在無列車經(jīng)過時進行的靜態(tài)測量，測量環(huán)境與00：00至06：30期間的實驗環(huán)境較為相似，穩(wěn)定性較好。

圖7 穩(wěn)定性實驗結(jié)果

6 結(jié)束語

文章通過光路的優(yōu)化設(shè)計、并結(jié)合自標(biāo)定技術(shù)和CCD技術(shù)實現(xiàn)了路基表面沉降的精確測量，測量精度可達(dá)0.1mm。該方法通過自標(biāo)定技術(shù)獲得物方沉降與像方沉降之間的比例關(guān)系，無需事先測量點光源到測量裝置之間的距離，不但簡化系統(tǒng)，更能減少誤差，提高測量精度。結(jié)合無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可實現(xiàn)路基表面沉降的遠(yuǎn)程自動實時監(jiān)測，保障鐵路的安全運營。

參考文獻(xiàn)

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[3]馮其波，楊婧.一種自適應(yīng)掃描路基沉降遠(yuǎn)程監(jiān)測裝置與方法：中國，ZL200910243313.9[P].2011-08-31.

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[5]趙凱華，鐘錫華.光學(xué)[M].北京大學(xué)出版社.

[6]朱暉，禹精達(dá).光斑中心位置方法的研究[J].山西電子技術(shù)，2011（3）：92-93.