一种针对钢轨缺陷的高精度、分布式、在线检测方法

01 导读

早期缺陷检测在轨道交通安全监测中发挥着重要作用。然而，现有方法不能同时满足实现实时、在线、高精度的监测需求。近日，华中科技大学孙琪真教授团队提出并验证了一种针对钢轨缺陷的高精度、分布式、在线检测方法。该团队利用列车驶过缺陷时，轮-轨相互作用激发瞬时弹性波并沿铁轨双向传播的特性，提出了基于光纤分布式声波传感技术及声传递曲线拟合算法的钢轨缺陷检测新方法。

具体来说，通过在铁轨上安装离散散射增强光缆作为分布式声波传感器（DAS）记录声波事件，首先通过识别弹性波的传播轨迹寻找铁轨缺陷，然后拟合传播轨迹定位声源和缺陷位置。特别的，优化算法利用多道声波信息，使缺陷定位精度突破DAS系统的空间分辨率。现场测试证明，该系统能够成功识别铁轨沿线的多个缺陷，且定位精度达到0.314m。该研究首次实现轨道缺陷的分布式在线检测，并能进一步推广应用于管道和隧道等基础设施的高精度结构损伤检测，带来技术革新。研究成果以“High-precision distributed detection of rail defect by tracking the acoustic propagation waves”为题在Optics Express上发表，论文第一作者为华中科技大学博士研究生范存政，通讯作者为孙琪真教授。

02 研究背景

目前，现有的轨道损伤监测技术包括超声探测技术、声发射技术、轴箱加速度监测技术。但是这些技术手段均有着一定的不足之处：声发射传感器覆盖范围仅为几米，难以用于长线路的监测中；超声探伤车仅能在铁路天窗期使用，对于缺陷检测存在盲时、盲区；轴箱加速度监测会受到列车振动的影响，噪声大、定位精度低，监测效果差。

近些年，分布式声学传感（DAS）技术表现出了巨大的潜力。得益于抗电磁干扰、长距离无源测量和抗腐蚀的优势，光纤DAS已应用于轨道交通领域的多个方面，例如入侵监测、列车位置和速度监测和轮对异常检测等。因此，通过光纤DAS技术实现分布式缺陷监测是完全可行的。

03 创新研究

3.1 基于弹性波传播轨迹追踪的钢轨缺陷识别&高精度定位方法

图1 钢轨缺陷检测方法的原理示意图

图源：Optics Express（2022）

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

当列车驶过铁轨缺陷时，车轮和轨道之间的相互作用会产生弹性波并延铁轨向两侧传播。通过将散射增强光纤（BEOF）安装在轨道轨腰上，记录弹性波的传播轨迹。由于轨道是条形声波导，弹性波将在轨道中以恒定的速度向前和向后传播。因为前向传输和后向传输轨迹的交点为激发声源的位置即缺陷位置，所以通过分析声信号数据获得传播轨迹，即可实现缺陷的定位。

图2 数值仿真结果。（a）定位误差与传感区间数量、采样频率的关系（b）定位误差与信号噪声水平的关系缺陷的垂直视图（c）定位误差与传感区间数量的关系

图源：Optics Express（2022）

https://doi.org/10.1364/OE.468193 （Fig.3）

数值仿真结果表明，定位误差和系统采样率、声波信噪比、弹性波传播传感道数相关，其中系统采样率、信噪比、传感道数越高，定位误差越小。理论上，在8kHz采样率、传感道数为10道时，可实现小于0.179m的定位误差。

3.2 现场验证&结果分析

该团队在真实铁轨上进行了验证，使用自主研发的基于相干检测和极化分集接收的DAS系统作为声波询问器，如图3（a）所示。特别地，通过紫外曝光在传感光缆中引入一系列的散射增强点，以增强背向散射光的功率，并抑制相干衰落噪声。DAS的采样频率设置为8kHz，并将具有2m空间分辨率的散射增强光缆固定在轨道腰部，如图3（b）所示。测试铁轨沿线共有5处缺陷，尺寸为7cm×1cm×3cm，分别位于81m、104m、129m、155m和204m左右。此外，一辆GC-270重型轨道车以30km/h的速度沿测试轨道行驶。

图3 （a）DAS系统原理图。现场测试环境照片：（b）铺设在轨道腰部的光纤电缆（c） 缺陷的垂直视图（d）缺陷的侧视图（e）现场测试环境和测试列车。

图源：Optics Express（2022）

https://doi.org/10.1364/OE.468193 （Fig.4）

首先，本文中记录并绘制了204m处的时空分布图。由于不同波长的声波传播速度不同，轮-轨作用弹性波中的两个主频带（600Hz-800Hz和1100Hz-1300Hz）被提取并单独绘制时空分布图，如图4（a）和图4（b）所示，其中对于不同的传感通道添加了不同的偏置。以600Hz-800Hz范围内的信号为例，计算弹性波在不同位置传感通道的到达时间，进而拟合正反两条传播曲线：

进而可以计算得到缺陷的位置为204.8375 m。通过同样的方法，使用1100Hz-1300Hz的信号定位同一缺陷，得到了204.9592m的结果。为了进一步提高精度，本文利用弹性波拥有多个频带能量的特点提出了双频带联合算法进一步提高定位精度。对于两个主频带的曲线拟合结果进行计算，选取其中拟合系数更高的一个频带的位置作为最终定位结果。由于更高的拟合系数意味着更精准的拟合和定位，这一算法可以进一步提高定位精度。为了评估该方法的稳定性，对5个缺陷进行了10次测试。实验结果表明，所有的缺陷测试都可以被成功检测，识别率为100%。10次测试的位置误差如图4（c）所示，其中黑色点和红色点表示两个频带的结果，蓝色点是通过双频联合处理算法优化的结果。图4（d）为图4（c）结果的标准偏差，结果证明双频联合处理算法可以有效提高定位精度，最大标准偏差仅为0.314m。进一步的，如果提高采样率和降低噪声，缺陷定位误差可以进一步减小。

图4 实验结果。（a）600Hz-800Hz频带时空分布图（b）1100Hz-1300Hz 频带时空分布图（c）缺陷定位误差（d）缺陷定位结果的标准偏差。

图源：Optics Express（2022）

https://doi.org/10.1364/OE.468193 （Fig. 4&5）

04 应用与展望

本文提出并论证了一种基于光纤DAS系统的高精度、分布式、在线铁轨缺陷识别方法。当列车驶过缺陷时，轮-轨相互作用会产生瞬时弹性波并延铁轨双向传播。通过光纤DAS系统监测传播过程并求解两个传播轨迹的交点，从而实现缺陷的在线检测和精准定位。理论分析表明，定位误差与DAS噪声和采样频率有关。此外，本文设计了双频联合处理算法用以抑制相位噪声，从而提高定位精度。现场测试实验证明，该方法能够以100%的识别率和亚米级的定位精度检测缺陷，突破了DAS系统自身的空间分辨率。据我们所知，本研究首次公开报道了一种分布式在线缺陷识别方法，监测距离可长达数十千米，定位精度可达亚米级，为高精度结构损伤检测提供了新的思路，有望实现铁路、管道、隧道等基础设施安全监测的技术革新。

审核编辑 ：李倩