基于时空四维宽频阵列的高速钢轨超声探测成像方法与装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及超声探测技术，特别是针对钢轨探伤的高速无损超声检测技术，具体涉及一种基于时空四维宽频阵列的高速钢轨超声探测成像装置与方法。
【背景技术】
[0002]铁路作为国家重要的基础设施和国民经济的大动脉，其发展与现代化进程关系到我国的经济社会发展和现代化目标的实现。由于我国铁路线路状况复杂，超期服役钢轨数量大，超负荷的运营使得铁路钢轨损伤发生率极高，直接危及运输和行车安全。为了确保铁路运营的安全性，根据我国钢轨探伤作业标准，需要定期对线路进行检修，平均每年每条线路需检测5-10遍以上。由此可见，我国钢轨检修与养护工作量巨大，急需高效高精度的钢轨探伤设备。
[0003]对于钢轨的表面或近表面缺陷，可采用电磁涡流法进行检测；对于钢轨内部伤损，国内外普遍采用超声波进行检测。超声检测具有灵敏度高、检测速度快、定位准确等优点，目前已成为国内外钢轨内部缺陷检测的主流手段。目前，应用于在役钢轨超声探伤的主要设备分为两类:一类为手推小型钢轨超声探伤仪，技术上属于滑动式探测；另一类为机动超声钢轨探伤车，技术上有轮式和滑靴式两种。
[0004]手推探伤仪探头与钢轨直接接触，探伤时紧贴钢轨运行，信号游程短，损耗低，具有探测精度高、使用灵活等优点，在我国各铁路局大规模使用。但其工作时摩擦大，检测速度慢，只有2-3公里/小时。现场操作时，一班组7人，每天只能检测10公里钢轨，探测效率低，需要大量人力。受探测环境限制，探伤人员很难对荒郊野岭、桥梁、隧道等处的钢轨进行探伤。
[0005]机动超声钢轨探伤设备在国外已有四五十年的历史，尤其在美国、瑞士、英国、日本等发达国家早已替代手推式钢轨探伤设备。从传感器结构上看机动探伤设备主要有两种类型:轮式传感器和滑靴式传感器。滑靴式传感器设计可以达到较高的检测速度(目前报道最高速度130公里/小时)，但是对钢轨形态要求相对苛刻，在有缝线路和轨头形态不良的情况下难以完成检测，不适合我国轨道状况。因此，我国进口的探伤车都采用轮式传感器结构。
[0006]现有轮式探伤车一般采用脉冲回波法进行探测。该方法简单、直观。但其精度有限，漏检率较高，存在“近场盲区”，且脉冲信号占空比小，能量有限，穿透深度浅，为提高信号功率，必须采用高电压器件，导致了系统结构复杂。另外，轮式探伤车的发射、接收探头通常离钢轨距离较远，信号游程长。因此，为避免回波信号丢失，探伤车运行时，其运行速度不能太快。目前经过改进，轮式探伤车最高的有效时速只有80公里/小时，与我国当前列车正常运营的速度还不匹配(特别是高速铁路300公里/小时以上的速度)，无法在列车运营的同时进行检测，所以必须安排专门的探伤时间，影响铁路运营效率。
[0007]采用基于调频信号的超声探测技术能够克服脉冲回波法的缺点，具有精度较高、参数稳定、鲁棒性强等优点，且可以避免“近场盲区”。该技术通过探头向探测目标发射连续的、频率周期变化的超声波，再根据发射波和反射波的频差进行分析判断。虽然基于调频信号的超声探测技术具有诸多优点，但尚未在现有探伤车上采用，主要原因如下:1)该方法需要利用最大似然法实现高精度频率参数估计，因此运算量大，难以通过硬件实现。2)受硬件工艺的限制，发射信号的带宽较窄，根据香农定理，窄频信号所提供的信息量也较少，因此难以实现探测精度的进一步提升。目前，随着云计算的迅速发展，可以通过后台云计算处理解决运算量大的问题，而如何产生宽频信号仍有待探索。
[0008]此外，为了提高超声探测的成像精度，需要在有限的空间内安置更多的探头组成探头阵列，因此要求探头的口径较小。而小口径探头发射功率低，抗干扰能力不强，探测距离短，难以满足钢轨检测的探测深度。大口径探头虽然发射功率高，但受空间限制，只能安装数量较少的探头，且位置一般离钢轨较远，使得超声探测信号穿越距离长，损耗大，难以提尚成像精度。
[0009]综上所述，现有轮式探伤车存在检测精度不高、检测速度受限等问题。
【发明内容】
[0010]本发明的目的在于克服现有轮式探伤车的探头发射功率与探头口径之间的矛盾，以及采用调频技术时发射信号带宽窄的问题，提出一种基于时空四维宽频阵列的高速钢轨超声探测成像装置。
[0011]本发明的另一个目的在于提供一种基于时空四维宽频阵列的高速钢轨超声探测成像方法。
[0012]本发明的目的通过以下技术方案实现:
一种基于时空四维宽频阵列的高速钢轨超声探测成像装置，包括探测前端和后台处理器。探测前端和后台处理器通过无线方式连接。
[0013]所述后台处理器，用于产生宽频探测信号及控制指令，并将宽频探测信号及控制指令发送至探测前端，然后接收探测前端传回的探测回波信号，并且进行处理和成像。
[0014]所述探测前端，包括发射探头阵列、接收探头阵列、数据传输模块、数据存储模块和控制模块，其中发射探头阵列发射超声波信号进行探测，接收探头阵列接收反射的探测回波信号，数据传输模块负责探测前端与后台处理器之间的无线通信，数据存储模块用于存储后台处理器发来的宽频探测信号和接收探头阵列已接收的探测回波信号，控制模块负责控制探测前端各个部分之间的协调工作。
[0015]所述探测前端内置于钢轨探伤车的车轮中，车轮内充满耦合液。探测前端的顶部通过连接杆与车轮中心的轮轴相连。探测前端在重力的作用下始终处于下垂状态，并与轮轴保持相对静止。探测前端的底部与车轮之间的缝隙被耦合液充满。探测前端的底部与车轮底部尽可能贴近，从而使发射探头阵列和接收探头阵列尽可能贴近钢轨，以便缩短信号游程，实现在保证回波信号不丢失的情况下，提高轮式探伤车的运行速度，更好地匹配高速铁路的需求。同时，探测前端的底部与钢轨贴近，所发射的超声信号能够绝大部分进入钢轨，从而减小信号损耗，提高探测效率。探测前端的形状主要取决于内部发射探头阵列和接收探头阵列的形状。
[0016]所述探测前端的发射探头阵列由若干发射探头按某种排列规律组成。发射探头阵列为时空四维阵列，即设计发射探头阵列时，需同时考虑一维时间与三维空间。在时间上，发射探头阵列中的发射探头按照一定的时序顺序依次发射超声波信号，以减少探头之间的声束干扰；在空间上，发射探头阵列由二维探头阵列拓展为三维立体阵列，即发射探头阵列不但要设定发射探头在二维空间的排列规律，还要设定发射探头在三维立体空间中的高度、形态等。发射探头阵列的发射探头需要具备宽频、大功率、小口径的特点。
[0017]所述发射探头由超声换能器和功率聚焦装置构成，超声换能器安置在功率聚焦装置的顶部。超声换能器为宽频大功率超声换能器，可以将宽频探测信号转换为宽频大功率超声信号发送出去；功率聚焦装置为类似漏斗的空心装置，即顶部口径大、底部口径小，并由声阻抗较高的材料制成。功率聚焦装置的顶部形状与口径分别与超声换能器的底部形状与口径一致。
[0018]所述功率聚焦装置可以将超声换能器发射的大功率超声信号通过汇聚，从底部小口径发射孔发射出