去，既满足了发射功率足够大，又可以保证发射口径小，从而解决了探头发射功率与探头口径之间的矛盾。当功率聚焦装置的顶部形状与其底部形状不一致时，需要通过外壳的空间变形进行异形转换，比如:将方形转换为圆形。功率聚焦装置的高度、倾斜度、底部口径等可以根据需要调节，从而使车轮内的有限空间能够容纳数量更多的发射探头组成发射探头阵列，以提高探测精度。
[0019]为了实现宽频超声发射信号，发射探头的超声换能器由多个不同频率范围的窄频条状超声换能器按照频率由低到高的顺序拼接而成，再将拼接后的整体与功率聚焦装置相连。
[0020]所述探测前端的接收探头阵列由若干高灵敏度小口径宽频接收探头组成。高灵敏度小口径宽频接收探头围绕发射探头对称分布，接收探头的数量可以根据需要设置，以获得所需的探测精度。高灵敏度小口径宽频接收探头可以是电容式微加工超声探头或压电薄膜超声探头等多种类型的探头。
[0021]本发明利用宽频超声信号对钢轨进行无损探测，具体包括以下步骤:
步骤1:系统启动后，后台处理器将待发射的宽频探测信号及相关控制指令通过无线通信方式发送至探测前端。
[0022]步骤2:探测前端的数据传输模块接收数据，并将控制指令传送至探测前端的控制模块，将宽频探测信号传送至数据存储模块。
[0023]步骤3:在控制模块的控制下，数据存储模块将宽频探测信号传送至发射探头阵列。
[0024]步骤4:在控制模块的控制下，发射探头阵列中的发射探头将宽频探测信号转换为宽频超声信号，并按照一定的时序顺序发射超声信号进行钢轨探伤。
[0025]步骤5:超声波信号在钢轨中传播，遇到介质改变(例如:钢轨内部有裂纹等情况)发生反射，反射的探测回波信号由接收探头阵列进行接收。
[0026]步骤6:在控制模块的控制下，接收探头阵列将探测回波信号发送至数据存储模块暂时存储，再由数据传输模块通过无线网络发送至后台处理器。
[0027]步骤7:后台处理器接收到探测回波信号后，一方面进行分析处理和探测成像，得出检测结果，一方面检测是否结束探测。如果是，结束探测；如果否，回到步骤1，后台处理器向探测前端发送下一组宽频探测信号及相关控制指令。
[0028]本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果:
1、本发明通过设计功率聚焦装置，与宽频大功率超声换能器组合，构成发射探头。该发射探头既可以产生高精度探测所需的大功率发射信号，还可以同时保持小口径发射端，使贴近车轮底部的发射面可以容纳更多的发射探头形成阵列，解决了探头发射功率与探头口径之间的矛盾。
[0029]2.本发明的发射探头由于采用了功率聚焦装置，发射探头阵列由二维探头阵列拓展为三维立体阵列。功率聚焦装置的高度、倾斜度、底面口径等均可灵活调整，通过调节功率聚焦装置，可使车轮内有限的立体空间容纳更多的发射探头形成阵列，以提高探测精度。
[0030]3.本发明的宽频超声换能器由多个不同频率范围的窄频条状超声换能器按照频率由低到高的顺序拼接而成，以产生宽频超声发射信号。
[0031]4.本发明的功率聚焦装置可以通过外壳的空间变形进行异形转换，实现不同形状的上下端面，以匹配超声换能器底面的形状和发射端口的形状。
[0032]5.本发明的发射探头阵列和接收探头阵列贴近钢轨，因此所发射的超声信号绝大部分能够进入钢轨，且信号游程短、损耗小，不但提高了探测效率，还能够更好地匹配高速探测的需求。
【附图说明】
[0033]图1为基于时空四维宽频阵列的高速钢轨超声探测成像装置的结构图；
图2为基于时空四维宽频阵列的高速钢轨超声探测成像装置探测前端的结构图；
图3为探测前端中3x3发射探头阵列和相应接收探头阵列的位置分布示意图；
图4 (a)为倾斜度为O的发射探头结构和形状示意图；
图4 (b)为具有一定倾斜度的发射探头结构和形状示意图；
图5为三个发射探头形成立体阵列的示意图；
图6(a)为采用拼接式宽频超声换能器的发射探头示意图；
图6(b)为采用拼接式宽频超声换能器以及经过异形转换的功率聚焦装置的发射探头示意图；
图7为图3所示的3x3发射探头阵列中发射探头顶面位置分布示意图；
图8为图3所示的3x3发射探头阵列中发射探头底面位置分布示意图；
图9为基于时空四维宽频阵列的高速钢轨超声探测成像装置工作流程图。
【具体实施方式】
[0034]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步说明，但本发明的实施不限于此。
[0035]如图1，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101和后台处理器102。探测前端101和后台处理器102通过无线方式连接。后台处理器102，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101，然后接收探测前端101传回的探测回波信号进行处理和成像。
[0036]上述探测前端101内置于钢轨探伤车的车轮103中，车轮内充满耦合液106。探测前端的顶部通过连接杆105与车轮中心的轮轴104相连。探测前端的底部与车轮底部尽可能贴近，以便探测前端尽可能贴近钢轨107，从而缩短信号游程，使超声探测信号能够快速往返于探测前端101和钢轨内部损伤108，实现在保证不丢失回波信号的情况下，提升轮式探伤车的运行速度，更好地匹配高速铁路的需求。由于车轮内充满耦合液，探测前端的底部与车轮之间的缝隙通过耦合液进行耦合。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，本实施例中探测前端呈漏斗状。
[0037]如图2，基于时空四维宽频阵列的高速钢轨超声探测成像装置的探测前端，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，其中发射探头阵列由若干发射探头按某种排列规律组成，负责发射超声波信号进行探测，发射探头具有大功率、宽频、小口径的特点；接收探头阵列由若干接收探头组成，负责接收反射的探测回波信号，接收探头具有高灵敏度、小口径、宽频的特点；数据传输模块负责探测前端101与后台处理器102之间的无线通信，即接收后台处理器102发送至探测前端101的宽频探测信号及控制指令，并向后台处理器102发送探测回波信号，数据传输模块接收到后台处理器102发送的数据后，将宽频探测信号传送至数据存储模块，同时将控制指令发送至控制模块；数据存储模块用于存储数据传输模块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，并与数据传输模块保持通信，即将数据传输模块发来的数据进行存储，并将所存储的回波信号传送给数据传输模块；控制模块负责控制探测前端各个部分之间的协调工作，并向发射探头阵列、接收探头阵列、数据传输模块和数据存储模块发送运行指令。
[0038]如图3，为了尽可能贴近车轮与钢轨，探测前端101的底部303的面积不能太大。由于发射探头阵