基于激光測距的鐵路鋼軌縱向位移檢測系統的實現

蔣萬軍，韓占濤

（中國路橋工程有限責任公司，北京 100011）

無縫線路消除了鋼軌接頭，減小了軌道結構振動，提高了軌道的平順性和運營速度，是現代鐵路軌技術進步的標志之一[1]。無縫線路不受鋪設長度限制，長度可達幾十甚至數百公里。在長大坡道、列車制/啟動及溫度過渡地段，無縫線路容易產生爬行，嚴重時會引發斷軌、脹軌、跑道等危害，影響行車安全性[2]。為了有效預防和監測鐵路安全事故的發生，有必要對無縫線路的鋼軌縱向位移進行監測。

當前，中國以位移觀測樁法測量鋼軌縱向位移為主，該方法需要在線路兩側設置觀測樁，采用手工拉線法或利用光學儀器進行觀測[3]。由于需要人工操作，工作效率低，檢測精度不易保證，且不能實時測量。因此，本文基于激光測距原理，建立了一種實時自動監測軌道縱向位移的測試系統，該系統采用激光測距裝置測試鋼軌縱向位移，并利用無線網絡將各點鋼軌位移實時傳輸到鋼軌爬行觀測管理系統[4]。爬行觀測管理系統對測試結果進行智能管理，實現重點地段爬行位移實時監控并自動報警，將超標信息自動發送到工電管理部門、調度部門以及現場車間管理人員手機，便于及時安排現場檢查復核，合理制定爬行綜合整治措施，控制因鋼軌爬行造成連續瞎縫及鋼軌內部應力嚴重不均等不良現象，從而有效預防由鋼軌疲勞性或突發性折斷、脹軌跑道等造成的安全事故[5]。

1 系統總體設計

本設計以相位法激光測距原理為理論基礎，在鋼軌軌腰上粘貼楔形靶標裝置，通過測量該楔形裝置的橫向位移，進而計算出鋼軌的縱向位移[6]。測試裝置的采集系統放置于路基外側距離鋼軌3～6 m 處，既不會影響行車，又是高精度激光測距的合適距離[7]。激光測距及通信系統、楔形靶標、鋼軌相對位置關系示意圖如圖1 所示。

圖1 激光測距及通信系統、楔形靶標、鋼軌相對位置關系示意圖

楔形裝置的剖面是一個30°頂角的直角三角形，檢測系統發出的激光打在斜邊上，當鋼軌發生縱向位移時，檢測系統實際上測量的是斜邊上的橫向位移。假設在一定的鎖定軌溫變化范圍內，鋼軌縱向位移距離為ΔL，檢測到的楔形裝置橫向位移為ΔD，則ΔL=1.732×ΔD。

檢測系統中的STM32F4 單片機根據通信接口接收到的指令信息控制激光發射二極管發光，同時檢測目標物反射回來的激光相位與發射激光之間的相位差，利用式（1）計算楔形裝置被測面與測距系統之間的距離[8]：

式（1）中：D 為測試距離；E[]為對[]內取整；Df0為低頻尺測得距離；NARf1為高頻尺不模糊距離；Df1為高頻尺測得距離。

2 系統硬件設計

本系統硬件電路是以“STM32F407”為核心，外圍電路包含了“905 nm 激光發射和接收傳感器工作電路”“接收波形重建電路”“AD 采集電路”“數據傳輸通信接口電路”以及“系統供電電路”等電路[9]。其中“905 nm 激光發射和接收傳感器工作電路”是激光測距的基本電路，主要完成激光發射和接收功能；“接收波形重建電路”主要是為了系統在接收微弱激光信號后進行光電轉換，并把微小的電信號通過多級放大的方式放大到單片機系統，以達到使系統能夠進行數據采集的電平值范圍；“AD 采集電路”主要負責將“接收波形重建電路”產生并放大后的信號進行A/D 采集，提供給單片機系統進行數據計算；通信接口模塊采用成品4G 通信模塊，與單片機之間通過串口互聯[10]。該系統的硬件設計實現原理框圖如圖2 所示。

圖2 硬件系統實現原理框圖

由于本系統中激光發射電路、AD 數據采集電路、數據傳輸通信接口電路以及電源供電電路較為簡單常用，因此本部分主要介紹激光接收電路。該電路中激光接收二極管采用響應時間極短的雪崩光電二極管（APD），利用該二極管構成的波形整理放大電路[11]及電路器件參數如圖3 所示。

圖3 APD 構成的波形整理放大電路

圖3 是激光接收電路的前置放大電路，由PNP 和NPN 型三極管Q1、Q2、Q3 及Q4 分別組成2 組達林頓電路，由于Q2 管輸入阻抗較大，為避免信號放大過程中產生畸變[12]，需要在Q4 管基極并聯一個大小為51 Ω的R10 電阻，使得實際放大倍數控制在500 倍左右；通過Q1 管集電極上的R11 和C8 濾波電路，平滑和重建光脈沖波形，可使得后端接收電路能夠準確捕捉到經過放大整理后的小信號，從而達到準確測量的目的[13]。由Q2 和Q4 構成的兩級放大負反饋電路，其輸入阻抗和APD 的PN 節電容形成的時間常數，可由R11 和C8 確定。為了平滑APD 雪崩脈沖，R11 和C8的具體值需要根據電路中接入的APD 反復計算、試驗和測量得到，本系統中R11 取值150 Ω，C8 取值47 pF。

3 系統軟件設計

本系統軟件設計是在Keil 編譯環境下完成，該編譯環境是采用意法半導體STM32 系列的單片機的官方推薦編譯環境之一。根據系統總體設計和硬件設計要求，軟件部分主要完成STM32F407 單片機對激光發射二極管驅動、激光接收信號波形整理電路的信號數據AD 采集、通信鏈路建立等功能[14]。系統軟件運行流程如圖4 所示。

圖4 系統軟件流程圖

根據軟件設計流程圖，需要在系統上電后對單片機的外設進行必要的初始化，這些初始化不僅包括了單片機驅動激光發射二極管及激光接收信號的I/O 端口進行輸入輸出設置，A/D 采集端口通道指定、采集速率以及采集數據的位數等設置，還包含串行通信接口的速率、數據位、停止位、校驗位以及數據流控等設置[15]。

初始化完畢后，軟件進入等待接收上位機指令模式，直到接收到上位機發送的測距指令。根據協議格式，系統一旦確認接收到上位機測距指令，立刻驅動激光發射二極管發射激光電路工作，并通過A/D 采集接收到的激光反射信號，據此信號計算出測量距離。系統會根據協議格式讀取測量精度，并據測量精度要求決定每次輸出的測量結果要經過多少次實際測量后均值輸出。一般要求測量精度為2 mm 時，輸出測量結果是經過3 次實測后輸出的結果；要求精度為1 mm時，輸出測量結果是經過10 次實測后輸出的結果；要求精度為0.5 mm 時，輸出測量結果是經過20 次實測后輸出的結果。測量完成后，系統會據要求將符合條件的測試距離通過串行通信接口按照協議格式發送出去，在上位機軟件系統中會將該數據幀中的距離參數顯示出來，從而完成一次系統數據采集與顯示。

4 實驗結果

系統經過不斷調試和改進，在室外一定的環境溫度、鋼軌溫度下，將激光測距采集設備按照圖1 方式安裝并固定在距離鋼軌3.8 m 的路基上，以100 m 鋼軌為一個單元軌節，在活動端安裝鋼軌靶標物，并進行了多個鋼軌溫度下的實際測量。該實驗數據采用福祿克F59E 手持式溫度測量、博世GLM25 激光測距儀和本系統實際測量對比得到，實驗數據如表1 所示。

表1 系統實驗結果記錄表

通過分析表1 實驗數據可知，本系統通過激光測距的方式可以獲得精度很高的距離值，并利用三角函數關系相關公式將鋼軌的橫向位移數據轉化為縱向位移值，巧妙地簡化了鋼軌縱向位移的測量方法，且與傳統人工測量法相比，降低了人工測量誤差，大幅度提高了測量精度，可以將測量誤差控制在0.5 mm 以內。

5 結論

本文基于相位法激光測距原理，以嵌入式系統為基礎建立了鋼軌縱向位移實時監測系統，詳細介紹了該系統的總體設計方案以及軟硬件的工作原理，并進行了野外實驗檢測，獲取了大量實驗數據，主要得到以下結論：①該系統監測鋼軌縱向位移是切實可行的。利用楔形靶標裝置將鋼軌橫向位移轉換成縱向位移，簡化了測量方法，但是由于本系統將單片機嵌入式系統作為數據采集終端，并利用數傳模塊將采集數據由電信網絡傳送至上位機，造成了本系統對其正常工作的環境溫度、濕度、系統密封程度、抗震性能以及基礎通信設施有一定要求。②與位移觀測樁法等傳統測量鋼軌縱向位移相比，本系統通過相位法激光測距原理和多次測量等手段提高了系統測量精度，可以將測量誤差控制在0.5 mm 以內，滿足對鋼軌縱向位移監測的高精度需要，符合鐵路運輸系統的高標準嚴要求。