基于激光測距的鐵路鋼軌縱向位移檢測系統(tǒng)的實現(xiàn)

蔣萬軍，韓占濤

（中國路橋工程有限責(zé)任公司，北京 100011）

無縫線路消除了鋼軌接頭，減小了軌道結(jié)構(gòu)振動，提高了軌道的平順性和運營速度，是現(xiàn)代鐵路軌技術(shù)進步的標(biāo)志之一[1]。無縫線路不受鋪設(shè)長度限制，長度可達幾十甚至數(shù)百公里。在長大坡道、列車制/啟動及溫度過渡地段，無縫線路容易產(chǎn)生爬行，嚴重時會引發(fā)斷軌、脹軌、跑道等危害，影響行車安全性[2]。為了有效預(yù)防和監(jiān)測鐵路安全事故的發(fā)生，有必要對無縫線路的鋼軌縱向位移進行監(jiān)測。

當(dāng)前，中國以位移觀測樁法測量鋼軌縱向位移為主，該方法需要在線路兩側(cè)設(shè)置觀測樁，采用手工拉線法或利用光學(xué)儀器進行觀測[3]。由于需要人工操作，工作效率低，檢測精度不易保證，且不能實時測量。因此，本文基于激光測距原理，建立了一種實時自動監(jiān)測軌道縱向位移的測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用激光測距裝置測試鋼軌縱向位移，并利用無線網(wǎng)絡(luò)將各點鋼軌位移實時傳輸?shù)戒撥壟佬杏^測管理系統(tǒng)[4]。爬行觀測管理系統(tǒng)對測試結(jié)果進行智能管理，實現(xiàn)重點地段爬行位移實時監(jiān)控并自動報警，將超標(biāo)信息自動發(fā)送到工電管理部門、調(diào)度部門以及現(xiàn)場車間管理人員手機，便于及時安排現(xiàn)場檢查復(fù)核，合理制定爬行綜合整治措施，控制因鋼軌爬行造成連續(xù)瞎縫及鋼軌內(nèi)部應(yīng)力嚴重不均等不良現(xiàn)象，從而有效預(yù)防由鋼軌疲勞性或突發(fā)性折斷、脹軌跑道等造成的安全事故[5]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本設(shè)計以相位法激光測距原理為理論基礎(chǔ)，在鋼軌軌腰上粘貼楔形靶標(biāo)裝置，通過測量該楔形裝置的橫向位移，進而計算出鋼軌的縱向位移[6]。測試裝置的采集系統(tǒng)放置于路基外側(cè)距離鋼軌3～6 m 處，既不會影響行車，又是高精度激光測距的合適距離[7]。激光測距及通信系統(tǒng)、楔形靶標(biāo)、鋼軌相對位置關(guān)系示意圖如圖1 所示。

圖1 激光測距及通信系統(tǒng)、楔形靶標(biāo)、鋼軌相對位置關(guān)系示意圖

楔形裝置的剖面是一個30°頂角的直角三角形，檢測系統(tǒng)發(fā)出的激光打在斜邊上，當(dāng)鋼軌發(fā)生縱向位移時，檢測系統(tǒng)實際上測量的是斜邊上的橫向位移。假設(shè)在一定的鎖定軌溫變化范圍內(nèi)，鋼軌縱向位移距離為ΔL，檢測到的楔形裝置橫向位移為ΔD，則ΔL=1.732×ΔD。

檢測系統(tǒng)中的STM32F4 單片機根據(jù)通信接口接收到的指令信息控制激光發(fā)射二極管發(fā)光，同時檢測目標(biāo)物反射回來的激光相位與發(fā)射激光之間的相位差，利用式（1）計算楔形裝置被測面與測距系統(tǒng)之間的距離[8]：

式（1）中：D 為測試距離；E[]為對[]內(nèi)取整；Df0為低頻尺測得距離；NARf1為高頻尺不模糊距離；Df1為高頻尺測得距離。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)硬件電路是以“STM32F407”為核心，外圍電路包含了“905 nm 激光發(fā)射和接收傳感器工作電路”“接收波形重建電路”“AD 采集電路”“數(shù)據(jù)傳輸通信接口電路”以及“系統(tǒng)供電電路”等電路[9]。其中“905 nm 激光發(fā)射和接收傳感器工作電路”是激光測距的基本電路，主要完成激光發(fā)射和接收功能；“接收波形重建電路”主要是為了系統(tǒng)在接收微弱激光信號后進行光電轉(zhuǎn)換，并把微小的電信號通過多級放大的方式放大到單片機系統(tǒng)，以達到使系統(tǒng)能夠進行數(shù)據(jù)采集的電平值范圍；“AD 采集電路”主要負責(zé)將“接收波形重建電路”產(chǎn)生并放大后的信號進行A/D 采集，提供給單片機系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)計算；通信接口模塊采用成品4G 通信模塊，與單片機之間通過串口互聯(lián)[10]。該系統(tǒng)的硬件設(shè)計實現(xiàn)原理框圖如圖2 所示。

圖2 硬件系統(tǒng)實現(xiàn)原理框圖

由于本系統(tǒng)中激光發(fā)射電路、AD 數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)據(jù)傳輸通信接口電路以及電源供電電路較為簡單常用，因此本部分主要介紹激光接收電路。該電路中激光接收二極管采用響應(yīng)時間極短的雪崩光電二極管（APD），利用該二極管構(gòu)成的波形整理放大電路[11]及電路器件參數(shù)如圖3 所示。

圖3 APD 構(gòu)成的波形整理放大電路

圖3 是激光接收電路的前置放大電路，由PNP 和NPN 型三極管Q1、Q2、Q3 及Q4 分別組成2 組達林頓電路，由于Q2 管輸入阻抗較大，為避免信號放大過程中產(chǎn)生畸變[12]，需要在Q4 管基極并聯(lián)一個大小為51 Ω的R10 電阻，使得實際放大倍數(shù)控制在500 倍左右；通過Q1 管集電極上的R11 和C8 濾波電路，平滑和重建光脈沖波形，可使得后端接收電路能夠準(zhǔn)確捕捉到經(jīng)過放大整理后的小信號，從而達到準(zhǔn)確測量的目的[13]。由Q2 和Q4 構(gòu)成的兩級放大負反饋電路，其輸入阻抗和APD 的PN 節(jié)電容形成的時間常數(shù)，可由R11 和C8 確定。為了平滑APD 雪崩脈沖，R11 和C8的具體值需要根據(jù)電路中接入的APD 反復(fù)計算、試驗和測量得到，本系統(tǒng)中R11 取值150 Ω，C8 取值47 pF。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件設(shè)計是在Keil 編譯環(huán)境下完成，該編譯環(huán)境是采用意法半導(dǎo)體STM32 系列的單片機的官方推薦編譯環(huán)境之一。根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計和硬件設(shè)計要求，軟件部分主要完成STM32F407 單片機對激光發(fā)射二極管驅(qū)動、激光接收信號波形整理電路的信號數(shù)據(jù)AD 采集、通信鏈路建立等功能[14]。系統(tǒng)軟件運行流程如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

根據(jù)軟件設(shè)計流程圖，需要在系統(tǒng)上電后對單片機的外設(shè)進行必要的初始化，這些初始化不僅包括了單片機驅(qū)動激光發(fā)射二極管及激光接收信號的I/O 端口進行輸入輸出設(shè)置，A/D 采集端口通道指定、采集速率以及采集數(shù)據(jù)的位數(shù)等設(shè)置，還包含串行通信接口的速率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗位以及數(shù)據(jù)流控等設(shè)置[15]。

初始化完畢后，軟件進入等待接收上位機指令模式，直到接收到上位機發(fā)送的測距指令。根據(jù)協(xié)議格式，系統(tǒng)一旦確認接收到上位機測距指令，立刻驅(qū)動激光發(fā)射二極管發(fā)射激光電路工作，并通過A/D 采集接收到的激光反射信號，據(jù)此信號計算出測量距離。系統(tǒng)會根據(jù)協(xié)議格式讀取測量精度，并據(jù)測量精度要求決定每次輸出的測量結(jié)果要經(jīng)過多少次實際測量后均值輸出。一般要求測量精度為2 mm 時，輸出測量結(jié)果是經(jīng)過3 次實測后輸出的結(jié)果；要求精度為1 mm時，輸出測量結(jié)果是經(jīng)過10 次實測后輸出的結(jié)果；要求精度為0.5 mm 時，輸出測量結(jié)果是經(jīng)過20 次實測后輸出的結(jié)果。測量完成后，系統(tǒng)會據(jù)要求將符合條件的測試距離通過串行通信接口按照協(xié)議格式發(fā)送出去，在上位機軟件系統(tǒng)中會將該數(shù)據(jù)幀中的距離參數(shù)顯示出來，從而完成一次系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與顯示。

4 實驗結(jié)果

系統(tǒng)經(jīng)過不斷調(diào)試和改進，在室外一定的環(huán)境溫度、鋼軌溫度下，將激光測距采集設(shè)備按照圖1 方式安裝并固定在距離鋼軌3.8 m 的路基上，以100 m 鋼軌為一個單元軌節(jié)，在活動端安裝鋼軌靶標(biāo)物，并進行了多個鋼軌溫度下的實際測量。該實驗數(shù)據(jù)采用福祿克F59E 手持式溫度測量、博世GLM25 激光測距儀和本系統(tǒng)實際測量對比得到，實驗數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 系統(tǒng)實驗結(jié)果記錄表

通過分析表1 實驗數(shù)據(jù)可知，本系統(tǒng)通過激光測距的方式可以獲得精度很高的距離值，并利用三角函數(shù)關(guān)系相關(guān)公式將鋼軌的橫向位移數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為縱向位移值，巧妙地簡化了鋼軌縱向位移的測量方法，且與傳統(tǒng)人工測量法相比，降低了人工測量誤差，大幅度提高了測量精度，可以將測量誤差控制在0.5 mm 以內(nèi)。

5 結(jié)論

本文基于相位法激光測距原理，以嵌入式系統(tǒng)為基礎(chǔ)建立了鋼軌縱向位移實時監(jiān)測系統(tǒng)，詳細介紹了該系統(tǒng)的總體設(shè)計方案以及軟硬件的工作原理，并進行了野外實驗檢測，獲取了大量實驗數(shù)據(jù)，主要得到以下結(jié)論：①該系統(tǒng)監(jiān)測鋼軌縱向位移是切實可行的。利用楔形靶標(biāo)裝置將鋼軌橫向位移轉(zhuǎn)換成縱向位移，簡化了測量方法，但是由于本系統(tǒng)將單片機嵌入式系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)采集終端，并利用數(shù)傳模塊將采集數(shù)據(jù)由電信網(wǎng)絡(luò)傳送至上位機，造成了本系統(tǒng)對其正常工作的環(huán)境溫度、濕度、系統(tǒng)密封程度、抗震性能以及基礎(chǔ)通信設(shè)施有一定要求。②與位移觀測樁法等傳統(tǒng)測量鋼軌縱向位移相比，本系統(tǒng)通過相位法激光測距原理和多次測量等手段提高了系統(tǒng)測量精度，可以將測量誤差控制在0.5 mm 以內(nèi)，滿足對鋼軌縱向位移監(jiān)測的高精度需要，符合鐵路運輸系統(tǒng)的高標(biāo)準(zhǔn)嚴要求。