光電技術(shù)在軌道交通測(cè)量中的應(yīng)用研究

田 波，祁艷艷，魏 琳，饒曉紅

(重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司，重慶 401121)

0 引言

隨著鐵路與城市軌道交通“十三五”行動(dòng)計(jì)劃的進(jìn)行，城市軌道發(fā)展十分迅速。自動(dòng)化控制和測(cè)量技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域中所占比重也在不斷增加。計(jì)算機(jī)技術(shù)與微電子技術(shù)的快速發(fā)展，促進(jìn)了測(cè)量?jī)x器與技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，測(cè)量?jī)x器精確度與應(yīng)用效果不斷提高。而光電技術(shù)在軌道交通測(cè)量中的應(yīng)用更為廣泛，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各項(xiàng)參數(shù)的自動(dòng)化測(cè)量，能夠降低工作人員工作程度，以及測(cè)量誤差，對(duì)提高測(cè)量結(jié)果具有重要意義。

1 光電技術(shù)的應(yīng)用原理分析

更多的新型技術(shù)被應(yīng)用到自動(dòng)化測(cè)量中，同時(shí)各個(gè)工件在生產(chǎn)加工時(shí)，參數(shù)具有一定的豐富性與差異性，因此最終測(cè)量?jī)x器的工作原理與工作結(jié)構(gòu)也會(huì)有一定的差異性[1]。根據(jù)軌道交通測(cè)量特點(diǎn)，可以將其結(jié)構(gòu)劃分為三個(gè)部分，即檢測(cè)環(huán)節(jié)、傳送放大環(huán)節(jié)以及顯示環(huán)節(jié)。其中，檢測(cè)環(huán)節(jié)能夠完成被測(cè)量參數(shù)的科學(xué)轉(zhuǎn)換，確保測(cè)量結(jié)果的精確性與合理性。同時(shí)，將測(cè)量參數(shù)傳送到放大環(huán)節(jié)，被測(cè)參數(shù)信號(hào)在顯示環(huán)節(jié)即可完成儀表指示與記錄。由此可見，被測(cè)參數(shù)將會(huì)經(jīng)過一次或者多次信號(hào)的轉(zhuǎn)換處理，然后通過最后的顯示環(huán)節(jié)，利用表盤刻度、指針位移或者數(shù)字符號(hào)等形式表達(dá)測(cè)量結(jié)果，得出最終的測(cè)量結(jié)果。

而光電技術(shù)在軌道交通測(cè)量過程中，主要應(yīng)用于測(cè)量檢測(cè)儀器，即：利用光信號(hào)等將測(cè)量信號(hào)傳送到接收電路，利用光電轉(zhuǎn)換裝置將光線傳來的光信號(hào)還原為電信號(hào)，然后再利用信號(hào)調(diào)節(jié)器預(yù)處理裝置恢復(fù)成最初要測(cè)量的電信號(hào)。其中，光電傳輸系統(tǒng)最后利用光電二極管與發(fā)光二極管組合的光電轉(zhuǎn)換裝置。

2 光電傳輸系統(tǒng)組成原理分析

按照信號(hào)調(diào)制與解調(diào)方式的區(qū)別，一般可以將光電傳輸系統(tǒng)劃分為模數(shù)轉(zhuǎn)換方式、調(diào)幅方式以及壓頻轉(zhuǎn)換方式。光電傳輸系統(tǒng)一般由光源、發(fā)射電路、以及光檢測(cè)器接受電路組成。光電傳輸系統(tǒng)組成如圖1所示。其中，發(fā)射電路包括信號(hào)處理、光電(electro、optical,E/O)轉(zhuǎn)換以及調(diào)制結(jié)構(gòu)，主要作用是將測(cè)量的軌距、高低或障礙物等信號(hào)轉(zhuǎn)換成便于調(diào)制的信號(hào)，然后利用被調(diào)制好的信號(hào)來促進(jìn)發(fā)光二極管工作，最終將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。而接收電路主要由光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)調(diào)解以及處理三部分組成，起到將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的作用，并利用信號(hào)調(diào)解以及處理裝置將其恢復(fù)為最初被測(cè)量的電信號(hào)。對(duì)于光電傳輸系統(tǒng)來說，一般是選擇用光電二極管或發(fā)光二極管來組成光電與光電轉(zhuǎn)化裝置，并且傳輸系統(tǒng)一般會(huì)選擇用光纖或者多模光纖。

圖1 光電傳輸系統(tǒng)組成圖

3 光電技術(shù)的應(yīng)用分析

3.1 軟件控制系統(tǒng)

從VC語言和數(shù)字圖像兩部分對(duì)系統(tǒng)軟件的控制系統(tǒng)進(jìn)行探討。

第一部分，將VC語言作為操作平臺(tái)，并與數(shù)據(jù)庫的管理系統(tǒng)相結(jié)合，形成完整控制系統(tǒng)的軟件。該軟件控制方式主要利用計(jì)算機(jī)，對(duì)指針表測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置。一般來說，測(cè)試點(diǎn)數(shù)量為5個(gè)。設(shè)置后，借助計(jì)算機(jī)具備的網(wǎng)絡(luò)功能發(fā)射信號(hào)。經(jīng)電流運(yùn)動(dòng)，待指針和表盤20°刻度相互重合后，計(jì)算機(jī)可重新發(fā)出信息，讀取數(shù)據(jù)，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行儲(chǔ)存。依據(jù)此方法分別測(cè)量5點(diǎn)，測(cè)量后打印證書。

第二部分，先對(duì)系統(tǒng)軟件指針和表盤刻度的信號(hào)進(jìn)行處理，后經(jīng)制定濾波器對(duì)噪聲信號(hào)予以處理，提取圖像，對(duì)噪聲干燥起到抵抗作用，使數(shù)據(jù)提取準(zhǔn)確性大大增加。除此之外，還可在擬合工序中運(yùn)用最小二乘法，提高擬合度的精密性。采用該方式，精確度至少可提高5倍。

3.2 光電技術(shù)成像系統(tǒng)

現(xiàn)在所應(yīng)用的光電系統(tǒng)主要是利用遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)將被測(cè)儀表表盤與指針圖像攝入到CCD表面，然后受到驅(qū)動(dòng)器影響，將載有表盤與指針信息的視頻信號(hào)傳送給A/D數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換成功后，數(shù)據(jù)將會(huì)以矩陣的形式被保存在存儲(chǔ)器中，利于計(jì)算機(jī)完成成像數(shù)據(jù)的識(shí)別。一般情況下，選擇10 m×10 m作為單位尺寸，而元數(shù)面陣CCD則是1 024×1 024。這種同軸照明方式可以通過自動(dòng)可調(diào)節(jié)光源亮度來實(shí)現(xiàn)[2-4]。

3.3 交流標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)控制系統(tǒng)

二相交流標(biāo)準(zhǔn)源輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓、頻率、電流以及相位，并且?guī)?dòng)20 W以上負(fù)載，可以利用波形存儲(chǔ)器與A/D轉(zhuǎn)換器共同構(gòu)成高精度數(shù)字合成三相信號(hào)源。整個(gè)工程可以利用脈沖調(diào)寬技術(shù)直流基準(zhǔn)源設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)幅，以及通過鎖相環(huán)技術(shù)與脈沖移相技術(shù)設(shè)計(jì)頻率綜合完成調(diào)相與調(diào)頻處理。對(duì)于系統(tǒng)來說，原來的電流、電壓放大器只可以帶動(dòng)20 W負(fù)載，而利用前饋控制技術(shù)，并不會(huì)對(duì)跟蹤信號(hào)的基準(zhǔn)造成影響，可以通過放大器來保證輸出與輸入信號(hào)的一致性[5-6]。另外，在對(duì)全信息進(jìn)行取樣處理時(shí)，除了要保證信號(hào)中幅值信息的有效性，還應(yīng)確保其具有相位信息與諧波信息。系統(tǒng)經(jīng)過矢量采樣處理后，將會(huì)全部反饋到控制回路中。與其他技術(shù)相比，矢量采集技術(shù)具有更大的優(yōu)勢(shì)，在自動(dòng)化測(cè)量中將會(huì)取得良好的應(yīng)用效果。

3.4 計(jì)算機(jī)技術(shù)控制系統(tǒng)

光電技術(shù)在軌道交通測(cè)量中，引入了計(jì)算機(jī)控制技術(shù)。其目的是實(shí)現(xiàn)測(cè)量的智能化，加強(qiáng)自動(dòng)化的控制力度。計(jì)算機(jī)控制是光電技術(shù)中的關(guān)鍵部分，其在軌道交通測(cè)量中的應(yīng)用具有實(shí)踐性的優(yōu)勢(shì)。利用基于C語言的操作平臺(tái)，連接數(shù)據(jù)庫，構(gòu)成獨(dú)特的管理方式。此方式可以通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)軟件的控制，進(jìn)而為軌道交通測(cè)量提供智能化的控制途徑。在軌道交通測(cè)量中，測(cè)量人員可利用計(jì)算機(jī)通過操作界面設(shè)置需要測(cè)量的相關(guān)參數(shù)，主要是各測(cè)試點(diǎn)的參數(shù)。當(dāng)軌道交通向標(biāo)準(zhǔn)源發(fā)送信號(hào)后，儀表的電流呈現(xiàn)平穩(wěn)上升的區(qū)域，儀表指針與刻度重合，第二次發(fā)送信號(hào)，可以重新獲取刻度的測(cè)量數(shù)據(jù)。按照此項(xiàng)方法類推，得出不同信號(hào)發(fā)送時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)可以直接計(jì)算出與測(cè)量相關(guān)的參數(shù)信息，如值波率、高斯波率等，用于檢測(cè)噪聲信息，檢測(cè)到信息參數(shù)后并存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)庫內(nèi)；然后通過Caany算子，處理噪聲信息，保障噪聲處理的準(zhǔn)確性，排除影響因素的干擾。計(jì)算機(jī)控制利用最小二乘法，確保軌道交通測(cè)量的信息，達(dá)到規(guī)范的精確度，再將最終的測(cè)量數(shù)據(jù)在儀表終端顯示。計(jì)算機(jī)控制在軌道交通測(cè)量中的應(yīng)用，表明光電技術(shù)的重要性，在計(jì)算機(jī)控制的作用下，光電技術(shù)有效應(yīng)用在軌道交通的測(cè)量中，促使其向智能化方向發(fā)展。

4 光電技術(shù)應(yīng)用注意要點(diǎn)

在軌道交通測(cè)量實(shí)施工作中，均需要配置相應(yīng)的有源設(shè)備，這就決定了高壓端口供電電壓的穩(wěn)定性會(huì)對(duì)最終的測(cè)試結(jié)果精確性造成影響。目前，我國(guó)光電系統(tǒng)高壓側(cè)供電方式主要包括3種，即利用高壓母線進(jìn)行傳輸供電、利用高壓電池供電以及低壓側(cè)電能轉(zhuǎn)換為光能并利用光線傳送到高壓端口。在面對(duì)不同的供電方式時(shí)，必須要采取相應(yīng)的措施進(jìn)行維護(hù)，確保供電效果不會(huì)對(duì)最終測(cè)量精確性造成影響。對(duì)于高壓母線傳輸供電方式來說，如果流經(jīng)母線內(nèi)部的電流過小，會(huì)對(duì)傳輸電流的供電效果造成影響；而供電電流過大，則會(huì)對(duì)整個(gè)電路的運(yùn)行穩(wěn)定性造成影響，出現(xiàn)電路損壞的問題[7]。針對(duì)此類問題，在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，即需要在母線端口與光電系統(tǒng)前端部位設(shè)置變壓器，來完成供電線路中電流強(qiáng)度的控制，以提高系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性、降低其對(duì)軌道交通測(cè)量結(jié)果的影響。

5 結(jié)束語

光電技術(shù)在軌道交通測(cè)量中的應(yīng)用，對(duì)提高測(cè)量結(jié)果的精確性具有重要意義。但是在應(yīng)用工程中也會(huì)受到各項(xiàng)因素的影響。想要提高其應(yīng)用效果，必須要了解其所具有的特點(diǎn)，以及光電傳輸系統(tǒng)運(yùn)行的原理，并在此基礎(chǔ)上對(duì)各方面的應(yīng)用進(jìn)行分析。從不同的控制系統(tǒng)著手，采取合理的措施進(jìn)行研究，同時(shí)還應(yīng)做好源供電電流的控制，提高其運(yùn)行穩(wěn)定性，以免對(duì)測(cè)量結(jié)果的精確性造成影響。