本发明属于地铁工务系统检测技术领域，涉及一种地铁盾构隧道衬砌质量高精度快速车载检测方法与装置。
背景技术
伴随着我国国民经济的持续高速发展和城市建设进程的不断加快，城市人口急剧增加，城市交通日益拥堵，城市交通设施与城市快速发展的矛盾日益突显。地下轨道交通因其运载能力大、影响城市环境程度低、安全准时、方便快捷的优势，已经成为我国大中型城市提升公共交通能力的必然趋势和选择。盾构隧道法是指利用盾构机具在地下开挖隧道的一种施工方法，是现在城市环境中地铁隧道的主要施工技术。但是我国地铁盾构隧道修建的历史时期不同、应用的技术水平参差不齐、面临的地质条件复杂多变，经过多年运营，时常发现存在裂缝和渗漏水病害，严重威胁到地铁列车的正常运营，甚至人民群众的生命和财产安全。早期地铁隧道由于勘察精度受限、设计图纸偏差、施工质量欠佳、维护保养缺失等因素，同样经常出现隧道拱顶空洞、拱顶开裂、边墙开裂、渗漏水、衬砌掉块等病害，给地铁运营带来严重的安全隐患。
目前我国检测地铁隧道衬砌主要是依靠人工现场记录和病害标记，再由人工绘制隧道衬砌的病害展开图，这种检测方法需要消耗大量的人力物力，检测效率低、作业风险高、劳动强度大、检测结果主观性强。2014年，黄宏伟等人申请了名称为“地铁盾构隧道病害快速高精度检测设备”的发明专利，申请号201410327988.2，该专利申请提出了一种包括行走装置、控制装置和图像采集装置的地铁盾构隧道检测设备，通过定期地检测并对比线阵ccd工业相机拍摄的隧道衬砌图像，评估隧道衬砌的健康状况，一定程度上提高了检测效率和检测结果的可靠性。但是与上述的人工检测方法一样，这种检测方法只能得到隧道衬砌的表面结构，不能获得隧道衬砌的内部结构，无法做到全面地检测隧道衬砌质量，防隐患于未然。
探地雷达技术因其具有快速、准确、连续、无损、高效的突出优点，近些年来被广泛地应用于工程质量探测、建筑结构探测、考古探测、矿产资源探测等领域，与此同时在公路、桥梁、隧道病害检测中也发挥着日益重要的作用。目前探地雷达主要有两种实施方式，即人工托举法和液压支撑法，用于检测地铁盾构隧道的衬砌质量。两种方式都须在维修天窗时间内停电作业，不仅影响地铁正常运营，而且检测效率不高，存在着施工安全隐患。此外，目前对探地雷达所采集数据的后处理程序主要依靠人工完成，无法自动检测和识别隧道衬砌病害的类型。探地雷达数据采集量巨大，故导致探测人员工作量极其繁重，检测效率难以显著提高。
病害位置标记是地铁盾构隧道衬砌病害检测的重要环节，准确标记其位置有利于探测人员和施工人员快速寻找到病害的区域，缩短施工周期，及时地消除病害。显然，地面公路和铁路路基探测中普遍使用的gps定位法不再适用于地铁隧道环境。目前，编码器定位方法是铁路隧道衬砌检测中常用的定位方法，该方法将编码器安装于列车轴上面，通过编码器的累积计数解算出列车的实时位置。但是，由于地铁列车的频繁刹车以及列车轨道轮可能出现的磨损、打滑、空转等问题，导致这种方法的定位误差普遍偏大，严重时甚至可高达数百上千米，极大地增加了衬砌病害区域的寻找难度，以致于衬砌病害无法得到及时解决，造成地铁运营的安全隐患。
因此，目前亟需进一步研究提高地铁隧道衬砌质量检测效率和精度的新方法和新装置。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种地铁盾构隧道衬砌质量高精度快速车载检测方法与装置，以解决上述技术问题。本发明利用线阵ccd工业相机和探地雷达两种不同技术手段，同时获取地铁盾构隧道衬砌表面结构的高清图像以及隧道衬砌内部结构的地质图像，解决检测依据过于单一的缺点，可为探测人员提供更加完整和全面的隧道衬砌状况。本发明是一种远距离无接触的检测方法，检测列车挂于地铁列车的尾部，不需要停电作业、不影响地铁列车正常运营、不需要增加车次，可以以列车正常行驶速度检测隧道衬砌质量，实现地铁盾构隧道衬砌病害的常态化检测。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种地铁盾构隧道衬砌质量高精度快速车载检测装置，包括图像采集模块、探地雷达模块、多传感器融合定位模块、激光测距模块和工控机；图像采集模块包括七组线阵ccd工业相机和led光源，全部通过防震底座安装于列车机身；led光源用于集中照射线阵ccd工业相机扫描范围；线阵ccd工业相机经数据线与列车测试台的工控机通信；探地雷达模块包括六组空气耦合探地雷达天线和一台六通道探地雷达主机；每组探地雷达天线都通过天线腔体安装于列车机身；探地雷达主机放置于列车测试台，通过射频同轴电缆与探地雷达天线连接；多传感器融合定位模块包括惯性测量装置和编码器；惯性测量装置通过减振器安装于列车测试台下方的地板，并经数据线与工控机通信；编码器安装于列车轴上，经数据线与工控机通信；激光测距模块含两套激光传感器，两套激光传感器分别安装于列车机身两侧，并经数据线与工控机通信；线阵ccd工业相机、led光源和探地雷达天线腔体都位于列车车辆限界以内；线阵ccd工业相机、led光源、探地雷达主机和惯性测量装置的电源端口均与列车车载电源连接。
进一步的，
工控机用于对探地雷达回波数据和相机图像数据处理，具体包括：探地雷达回波数据处理的流程包括：背景抵消、直流分量去除、零时刻校正、频域滤波、滑动平均和时变增益放大，获得清晰的探地雷达图像；相机图像数据的数据处理流程包括：抖动消除、边沿检测、特征刻化和对比度调节；
工控机还用于将处理后的探地雷达图像与病害图像特征库进行图像匹配，自动检测和识别隧道衬砌病害类型。
进一步的，七个线阵ccd工业相机中的两个指向盾构隧道衬砌一侧边墙，两个指向另一侧边墙，一个指向一侧拱角，一个指向另一侧拱角，一个指向拱顶。
进一步的，六组空气耦合探地雷达天线中，一组指向盾构隧道衬砌一侧边墙，一组指向另一侧边墙，一个指向一侧拱角，一个指向另一侧拱角，两个指向拱顶。
进一步的，每个天线腔体内放置有两副相同的超宽带维瓦尔第空气耦合天线，中心频率为300mhz；天线腔体长轴与地铁线路方向一致，前侧的天线负责发射脉冲信号，后侧的天线负责接收脉冲回波信号；两副天线之间设有用于减少收发天线的电磁波直耦的高频吸波材料板。
进一步的，探地雷达主机各个通道的脉冲重复频率为200khz，总脉冲重复频率为1.2mhz，扫描速率为400扫描线/秒，且每条扫描线有512个采样点，能够满足最高时速72公里/小时的地铁列车的高速探测。
一种地铁盾构隧道衬砌质量高精度快速车载检测方法，包括以下步骤：
步骤1：列车运行后，惯性测量装置和编码器开始工作，线阵ccd工业相机、led光源和探地雷达主机开启并完成参数初始化设置；
步骤2：激光传感器检测列车驶入隧道时，激光传感器将感知到的驶入隧道信息发送至工控机，工控机执行程序指令开始记录相机图像数据和探地雷达回波数据；激光传感器检测列车驶出隧道后，激光传感器将感知到的驶出隧道信息发送至工控机，工控机执行程序指令停止记录相机图像数据和探地雷达回波数据，如此反复，直到检测列车检测完整条地铁线路，生成并保存隧道数据文件；
步骤3：工控机完成对采集数据的预处理：
探地雷达回波数据处理的流程包括：背景抵消、直流分量去除、零时刻校正、频域滤波、滑动平均和时变增益放大，获得清晰的探地雷达图像；
相机图像数据的数据处理流程包括：抖动消除、边沿检测、特征刻化和对比度调节；
步骤4：工控机将处理后的探地雷达图像与病害图像特征库进行图像匹配，自动检测和识别隧道衬砌病害类型。
进一步的，步骤4中的自动检测和识别隧道衬砌病害类型分为三类情况：
第一类：无病害探地雷达图像；不作特殊处理，直接检测下一个单元的探地雷达图像；
第二类：有病害探地雷达图像；标记衬砌病害位置和类型，保存探地雷达图像和相机图像至待处理衬砌病害库；
第三类：疑似病害探地雷达图像；标记疑似衬砌病害位置，保存探地雷达图像和相机图像至疑似衬砌病害库。
进一步的，步骤4中的病害图像特征库是根据典型的常见衬砌病害类型离线建立，分为无病害图像和有病害图像，有病害图像包括：拱顶裂缝、边墙裂缝、隧道渗漏水、拱顶空洞、围岩变形、衬砌掉块和隧道冻害中的一种或多种。
进一步的，惯性测量装置和编码器的量测信息组成子滤波器，同时惯性测量装置的量测信息和子滤波器的输出结果组成主滤波器，主滤波器输出列车位置的最优估计值，再经高精度的列车信标信息校正后作为列车实时的定位结果；定位结果与实时的图像和雷达数据一同保存。
进一步的，每经过一次列车信标位置，定位结果反馈至惯性测量装置用于校正惯性测量装置因长时间运行而造成的累积误差。
本发明是一种地铁盾构隧道高精度快速车载检测系统，同时也是一种全新的地铁盾构隧道衬砌质量检测方法。七组线阵ccd工业相机与其led光源以及六组探地雷达天线安装于地铁列车机身，且不超过列车车辆限界，能够以最高72公里/小时的速度运行，全断面地采集隧道衬砌表面结构的高清图像数据和隧道衬砌内部结构的探地雷达回波数据。根据地质图像与病害图像特征库的图像匹配结果，并综合相机图像，准确判断隧道衬砌可能存在的病害类型和位置。
本发明解决工业相机和探地雷达全断面检测地铁盾构隧道衬砌的技术方案是：增加工业相机数量、探地雷达主机通道数以及探地雷达收发天线对数，并且沿着地铁列车机身合理布局工业相机、探地雷达收发天线的安装位置。
本发明解决以地铁列车正常行驶速度检测盾构隧道衬砌的技术方案是：提高探地雷达脉冲重复频率。地铁盾构隧道衬砌检测要求测点距离不超过5厘米。我国地铁列车最高行驶速度约为60公里/小时，这就要求探地雷达各个通道的扫描速率不小于333扫描线/秒，每条扫描线有512个采集点，则脉冲重复频率必须大于170khz；本发明探地雷达脉冲重复频率为200khz。
本发明解决自动检测和识别地铁盾构隧道衬砌病害类型的技术方案是：建立病害图像特征库。不同类型的隧道衬砌病害呈现不同的探地雷达地质图像，因此根据典型的常见隧道衬砌病害，离线提取并建立病害图像特征库，由专门软件自动匹配探地雷达地质图像和病害图像特征库，确定隧道衬砌病害类型。对无法自动检测和识别的可疑地质图像，则可由探测人员结合高清相机图像研究确定。
本发明解决精准定位盾构隧道衬砌病害位置的技术方案是：用多传感器融合定位方法。地面公铁路基探测普遍使用的gps定位法不再适用于地铁隧道环境。编码器定位方法因地铁列车频繁刹车以及列车轨道轮可能出现磨损、打滑、空转等问题，其定位误差普遍偏大。地铁信标具有最小定位长度，定位精度虽高但是无法实现连续定位。因此必须融合多传感器信息实现隧道衬砌病害的精度定位。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明可以用于既有地铁线路盾构隧道衬砌质量的自动化和常态化检测，不需要停电作业、不占用维修天窗、不影响地铁正常运营。本发明显著提高检测效率，使病害类型和位置的检测时间大大缩短，有利于及时消除隧道衬砌病害，保障地铁安全运营和人民生命财产安全。
本发明要解决的是利用工业相机和探地雷达全断面检测隧道衬砌；检测速度要达到列车正常行驶速度；自动检测和识别隧道衬砌病害的类型；精准定位隧道衬砌病害的位置，提高隧道衬砌检测效率、降低作业风险、减少劳动强度，为我国既有以及在建地铁隧道提供可靠的检测手段，促进我国的地铁盾构隧道衬砌检测技术向更高的智能化、自动化和常态化水平发展。
附图说明
图1是本发明图像采集模块和探地雷达天线布局图。
图2是本发明测试台布置图。
图3是本发明数据采集流程图。
图4是本发明探地雷达和工业相机数据处理流程图。
图5是本发明衬砌病害自动检测和识别流程图。
图6是本发明多传感器融合定位原理框图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。
参考图1和图2，本发明的地铁盾构隧道衬砌质量高精度快速车载检测装置，包括图像采集模块1、探地雷达模块2、多传感器融合定位模块3、激光测距模块4、工控机5。
图像采集模块含七组线阵ccd工业相机11和led光源12，全部通过防震底座安装于列车机身，且须处于列车车辆限界以内。led光源12集中照射线阵ccd工业相机11扫描范围，保证提供充足的光线强度。七个线阵ccd工业相机11中的两个线阵ccd工业相机111、112指向盾构隧道衬砌一侧边墙，两个线阵ccd工业相机117、116指向另一侧边墙，一个线阵ccd工业相机113指向一侧拱角，一个线阵ccd工业相机115指向另一侧拱角，一个线阵ccd工业相机114指向拱顶；七个线阵ccd工业相机11镜头依次指向边墙、拱角和拱顶，实现全断面拍摄隧道衬砌。线阵ccd工业相机111、112、113、114、115、116、117旁侧对应设置led光源121、122、123、124、125、126、127；线阵ccd工业相机经数据线与列车测试台的工控机通信。线阵ccd工业相机和led光源电源端口与列车车载电源连接。
探地雷达模块2含六组空气耦合探地雷达天线21和一台六通道探地雷达主机22。每组探地雷达天线21都通过天线腔体安装于列车机身，且须处于列车车辆限界内。六组空气耦合探地雷达天线21中，一组探地雷达天线211指向盾构隧道衬砌一侧边墙，一组探地雷达天线216指向另一侧边墙，一组探地雷达天线212指向一侧拱角，一组探地雷达天线215指向另一侧拱角，两组探地雷达天线213、214指向拱顶；天线腔体依次指向边墙、拱角和拱顶，实现全断面探测隧道衬砌。探地雷达主机放22置于列车测试台，通过射频同轴电缆与探地雷达天线21连接。探地雷达主机22经数据线与工控机通信。探地雷达主机22的电源端口与列车的车载电源连接。探地雷达主机22各个通道的脉冲重复频率为200khz，总脉冲重复频率为1.2mhz，扫描速率为400扫描线/秒，且每条扫描线有512个采样点。每个天线腔体内放置有两副相同的超宽带维瓦尔第空气耦合天线，中心频率为300mhz。天线腔体长轴与地铁线路方向一致，前侧的天线负责发射脉冲信号，后侧的天线负责接收脉冲回波信号。两副天线之间增加有高频吸波材料板，用于减少收发天线的电磁波直耦。
本发明采用图像采集模块1和探地雷达模块2共同检测隧道衬砌，图像采集模块1用于获取隧道衬砌表面结构的高清图像，探地雷达模块2用于获取隧道衬砌内部结构的地质图像，有利于探测人员综合衬砌表面和内部结构特征，准确地判断有无衬砌病害并识别衬砌病害类型。
参考图2，多传感器融合定位模块3包括惯性测量装置31和编码器32。惯性测量装置31通过减振器安装于列车测试台下方的地板，并经数据线与工控机5通信。编码器32安装于列车轴上，经数据线与工控机通信。激光测距模块4含两套激光传感器41、42，激光传感器41、42分别安装于指向隧道边墙的天线腔体内，并经数据线与工控机通信。
参考图3，检测列车运行后，惯性测量装置31和编码器32开始工作，线阵ccd工业相机、led光源和探地雷达主机开启并完成参数初始化设置。工控机程序开始根据惯性测量装置、编码器和地铁信标信息计算列车的实时位置。检测列车驶入隧道时，激光传感器将感知到的驶入隧道信息发送至工控机，工控机执行程序指令开始记录相机图像数据和探地雷达回波数据。检测列车驶出隧道后，激光传感器将感知到的驶出隧道信息发送至工控机，工控机执行程序指令停止记录相机图像数据和探地雷达回波数据，如此反复，直到检测列车检测完整条地铁线路，生成并保存隧道数据文件。
参考图4，数据采集结束后，工控机对采集的数据进行后处理。探地雷达回波数据处理的流程包括：背景抵消、直流分量去除、零时刻校正、频域滤波、滑动平均、时变增益放大，获得清晰的探地雷达图像；相机图像数据的数据处理流程包括：抖动消除、边沿检测、特征刻化、对比度调节；再将探地雷达图像与病害图像特征库进行图像匹配，自动检测和识别隧道衬砌病害类型。对无法自动检测和识别的可疑地质图像，将可疑地质图像与对应位置处的ccd工业相机所拍图像结合保存，由探测人员结合高清相机图像研究确定。
参考图5，自动检测和识别隧道衬砌病害类型可以分为以下三类情况：
第一类：无病害探地雷达图像；不作特殊处理，直接检测下一个单元的探地雷达图像；
第二类：有病害探地雷达图像；标记衬砌病害位置和类型，保存探地雷达图像和相机图像至待处理衬砌病害库；
第三类：疑似病害探地雷达图像；标记疑似衬砌病害位置，保存探地雷达图像和相机图像至疑似衬砌病害库，探测人员可进一步综合两种图像研究确定有无衬砌病害和衬砌病害类型。
参考图6，融合定位算法的工作流程为：惯性测量装置和编码器的量测信息组成子滤波器，同时惯性测量装置的量测信息和子滤波器的输出结果组成主滤波器，主滤波器输出列车位置的最优估计值，再经高精度的列车信标信息校正后作为列车实时的定位结果。定位结果反馈至惯性测量装置用于校正其因长时间运行而造成的累积误差。定位结果反馈至惯性测量装置31用于校正其因长时间运行而造成的累积误差。
本发明采用惯性测量装置31、编码器32和列车信标组合的多传感器融合定位技术，精准定位衬砌病害的位置，能够帮助探测人员快速寻找到衬砌的病害区域，缩短消除衬砌病害的施工周期，进而及时排除列车运营的安全隐患。