一种基于四点弦测法的轨道不平顺检测方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及轨道工务检测领域，具体地，涉及一种基于四点弦测法的轨道不平顺 检测方法及系统。
【背景技术】
[0002] 轨道不平顺是两股钢轨在高低和左右方向上与理想位置几何尺寸的偏差。轨道不 平顺的存在不仅会加快机车车辆及轨道结构各部件的动力学伤损，也会影响行车安全性和 舒适性。因此对轨道不平顺的检测一直是各国轨道工务的重要工作。
[0003] 目前世界各国用来检测轨道不平顺的方法可分为弦测法和惯性基准法两大类。弦 测法作为基本方法之一，发展至今，主要有四种类型：两点差分法、三点中弦法（又称正矢 法）、二点偏弦法（又称偏矢法）、多点弦测法。
[0004] 以弦测法作为检测原理的检测小车具有价格便宜、装置简单、使用方便等优点，而 且检测过程中不受检测速度、列车动态作用和运行方向等因素的影响。因此，弦测法不仅为 许多大型轨道检查车采用，也是许多轨检小车、人工检测常用的方法。例如前苏联轨检车采 用的是两点差分法，法国国铁轨检车采用多点弦测法，其余各国普遍采用的都是三点弦测 法，以日本为典型代表。我国一些轻型轨检小车大都采用的都是三点中弦法。
[0005] 三点弦测法的检测原理如图1所示。检测过程中三个传感器发射激光束打在钢轨 表面并分别被反射回来，由此测得检测梁到钢轨轨面的距离Aa、Bb和Cc。以前后两束激光 在轨道上的反射点的连线ac作为测量基准线，以中间位置传感器在轨道的照射点b偏离弦 线ac作为测量值f。a、b、c点处对应的轨道不平顺幅值分别为yi、72和y 3，且与测量值f 有几何关系如下：
[0_
(1)
[0007] 式中：m、η为传感器间的距离，1为总弦长，I = m+n。
[0008] 三点弦测法的传递函数为：
[0_
(2)
[0010] 其中：ω = 2 π / λ，λ为不平顺波长。
[0011] 由于弦测法的测量基准ac会随钢轨表面起伏发生变动，因此测量值f并不等于实 际轨道不平顺数值，所以需要通过传递函数在频域内修正，从而得到轨道不平顺真实值。由 此可见，传递函数是弦测法的核心，但是对于传递函数振幅增益曲线中的零点波长，由于算 法中除法运算的原因，用弦测法无法实现对这些波长的检测。例如图2所示，b位于弦线ac 上，三点弦测法检测值为〇,无法实现对这一特定波长轨道不平顺的检测。
[0012] 但实际轨道不平顺具备一定随机性，即可认为是无穷多个波长正弦波的叠加，一 些特定波长不平顺的无法检测势必会影响弦测法的最终检测精度。这点限制了弦测法的进 一步应用，也是弦测法需要进一步理论攻关的难点所在。
【发明内容】
[0013] 本发明的目的是提供一种基于四点弦测法的轨道不平顺检测方法及系统，用于解 决三点弦测法无法检测特定波长这一技术问题。
[0014] 为了实现上述目的，本发明提供一种基于四点弦测法的轨道不平顺检测方法，包 括：在车体上设置四个位于同一直线上的传感器，并设这四个传感器发射的激光束在轨道 上的反射点分别为a、b、c和d ;将点a和点c的连线ac作为第一弦线，将点a和点d的连 线ad作为第二弦线；分别计算点b偏离第一弦线的距离bo和偏离第二弦线的距离bo'，将 bo和bo'的差值作为四点弦测法的测量值f ;根据测量值f，计算四点弦测法的传递函数， 通过传递函数在频域内修正测量值f，获得轨道不平顺真实值。
[0015] 优选地，还包括：根据四点弦测法的测量值f和传递函数获得轨道不平顺波形。
[0016] 优选地，所述获得轨道不平顺波形具体包括：对四点弦测法的测量值f进行傅里 叶变换，得到其频谱F(U);根据测量值f，计算四点弦测法的传递函数Η(ω);通过F(U)/ Η(ω)除法运算得到轨道不平顺y的频谱Υ(ω);对轨道不平顺频谱Υ(ω)进行傅里叶逆变 换，得到轨道不平顺y的时域波形。
[0017] 优选地，所述计算四点弦测法的传递函数，具体包括：设点a、b、c和d的真实不平 顺幅值分别为yi、y2、y#P y 4，设从点a对应的传感器开始，相邻传感器间的距离依次为m、n 和k ;通过以下公式表示测量值f :
[0018]
[0019] 根据该公式推导出四点弦测法的传递函数为：
[0020]
[0021] 式中，ω = 2π/λ，λ为不平顺波长。
[0022] 优选地，所述四个传感器安装在同一水平直线上。
[0023] 优选地，还包括：增加传感器间的间距，以使检测的不平顺波长范围增大。
[0024] 本发明的技术方案还包括一种基于四点弦测法的轨道不平顺检测系统，包括：传 感器组，包括设置在在车体上的四个位于同一直线上的传感器，并设这四个传感器发射的 激光束在轨道上的反射点分别为a、b、c和d ;弦线设置模块，用于将点a和点c的连线ac 作为第一弦线，将点a和点d的连线ad作为第二弦线；第一计算模块，用于分别计算点b偏 离第一弦线的距离bo和偏离第二弦线的距离bo'，将bo和bo'的差值作为四点弦测法的测 量值f ;以及第二计算模块，用于根据测量值f，计算四点弦测法的传递函数，并通过传递函 数在频域内修正测量值f，获得轨道不平顺真实值。
[0025] 优选地，还包括波形获取模块，用于根据四点弦测法的测量值f和传递函数获得 轨道不平顺波形，具体包括：对四点弦测法的测量值f进行傅里叶变换，得到其频谱F (ω); 根据测量值f，计算四点弦测法的传递函数Η(ω);通过F(?)/H(u)除法运算得到轨道不 平顺y的频谱Y ( ω );对轨道不平顺频谱Y ( ω )进行傅里叶逆变换，得到轨道不平顺y的时 域波形。
[0026] 优选地，所述计算四点弦测法的传递函数，具体包括：
[0027] 设点a、b、c和d的真实不平顺幅值分别为yi、y2、％和y 4，设从点a对应的传感器 开始，相邻传感器间的距离依次为m、η和k ;
[0028] 通过以下公式表示测量值f :
[0029]
[0030] 根据该公式推导出四点弦测法的传递函数为：
[0031]
[0032] 式中，ω = 2π/λ，λ为不平顺波长。
[0033] 优选地，所述四个传感器安装在同一水平直线上。
[0034] 通过上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明采用四点弦测法，突破了传统局 限于三点弦测法检测思路的局限性，通过新增一个传感器，对弦测法的测量值f进行了重 新定义，并在此基础上推导得到了它的传递函数，由此建立了从检测值到轨道不平顺真实 值的复原模型。本发明提高了轨道不平顺检测的检测精度，对于高速铁路平顺性控制以及 本身幅值就很小的轨面短波不顺的检测无疑是具有十分重要的意义。
[0035] 本发明的其它特征和优点将在随后的【具体实施方式】部分予以详细说明。
【附图说明】
[0036] 附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具 体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0037] 图1是现有技术中三点弦测法的检测原理示意图，图中X轴表示轨道完全平顺状 态下的实际基准线，y轴表示轨道不平顺幅值，图2、图3及图5中的坐标轴定义与此相同。
[0038] 图2是现有技术中三点弦测法无法检测特定波长示意图。
[0039] 图3是图2的基础上新增传感器的示意图。
[0040] 图4是本发明所述的基于四点弦测法的轨道不平顺检测方法的流程示意图。
[0041] 图5是本发明所述的四点弦测法的检测原理图。
[0042] 图6是三点弦测法与四点弦测法的传递函数振幅增益对比图。
【具体实施方式】
[0043] 以下结合附图对本发明的【具体实施方式】进行详细说明。应当理解的是，此处所描 述的【具体实施方式】仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
[0044] 对于三点弦测法无法检测特定波长这一问题，如图2的情况，若在检测传感器C后 面新增一个传感器D，该传感器在轨面的反射点d可与a构成第二条弦线，而只要b到新弦 线ad的距离不为零，如图3所示，便可有效避免上述情况的发生。下述两个实施例即是基 于这一原理。
[0045] 实施例一
[0046] 如图4所示，本实施例给出了一种基于四点弦测法的轨道不平顺检测方法，包括：
[0047] 步骤S1，在车体上设置四个位于同一直线上的传感器，并设这四个传感器发射的 激光束在轨道上的反射点分别为a、b、c和d ;
[0048] 步骤S2,将点a和点c的连线ac作为第一弦线，将点a和点d的连线ad作为第二 弦线；
[0049] 步骤S3,分别计算点b偏离第一弦线的距离bo和偏离第二弦线的距离bo'，将bo 和bo'的差值作为四点弦测法的测量值f ;
[0050] 步骤S4,根据测量值f，计算四点弦测法的传递函数，通过传递函数在频域内修正 测量值f，获得轨道不平顺真实值。
[0051] 四点弦测法的传递函数比三点弦测法更加复杂，其检测原理如图5所示，主要与 四个传感器的两两间距m、n、k有关（即设点a对应的传感器与点b对应的传感器之间距离 为m、点b对应的传感器与点c对应的传感器、点c对应的传感器和点d对应的传感器之间 的距离分别为m、n、k)。将bo与bo'的差值作为四点弦测法的测量值f，即：
[0052] f = bo_bo' (3)
[0053] 图4中a、b、c、d点处轨道的真实不平顺幅值为yi、y2、y# y 4，通过几何关系推导 得到与测量值f的关系如下：
[0054]
[0055] 由于四个反射点经历的是同一段轨道不平顺，只是存在一个恒定相位差，因此根 据傅里叶变换的线性性质及时移性质，