CN111307945A - 一种基于超声阵列检测无砟轨道近表面缺陷的成像方法及装置 - Google Patents
一种基于超声阵列检测无砟轨道近表面缺陷的成像方法及装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于超声阵列检测无砟轨道近表面缺陷的成像方法及装置，所述成像方法是先利用脉冲信号激发接收换能器激发并经由超声阵列探头发射频率在1～2.5MHz范围内的超声波信号至无砟轨道内部，由超声阵列传感器采用自发自收的模式获取无砟轨道中的扩散场信号并将扩散场信号传输给计算机；由计算机采用MATLAB软件对所接收到的信号被动提取格林函数，对扩散场信号进行互相关，重建阵元之间的格林函数，获取阵元之间未延时的响应，恢复被噪声淹没的早期缺陷信息，然后依据全聚焦成像算法进行无砟轨道近表面缺陷成像。本发明可清晰的呈现出轨道板近表面缺陷的信息，能为高铁日常的轨道板损伤检测提供及时预警和有力的评估手段。
Description
技术领域
本发明是涉及一种基于超声阵列检测无砟轨道近表面缺陷的成像方法及装置，属于轨道无损检测技术领域。
背景技术
由于高速铁路的速度快、运力强和安全准时等优点，现阶段高速铁路已成为我国大力发展的公共交通方式之一，铁路高速化尤其是客运铁路高速化必将是未来的发展趋势。随着高速铁路的迅猛发展，无砟轨道作为一种主要的轨道结构，是由无砟轨道板、CA砂浆层、支撑层和基床构成，其运用范围越来越广。然而近年来，高铁线下结构出现了越来越多的病害，包括线下结构离隙、贯穿裂缝以及CA砂浆层脱空等病害。主要原因一方面是列车高速重载运行过程中会对无砟轨道产生挤压、冲击等作用，导致其内部可能会出现不密实、裂缝或空洞，外部形成损伤层或蜂窝麻层等各种各样的缺陷；另一方面是由于无砟轨道在前期制作中因施工工艺、施工经验可能存在问题，导致本身就存在缺陷；另外，雨雪的侵蚀、环境温度变化等自然灾害下也将导致产生缺陷。因缺陷的存在将严重影响无砟轨道的承载力和耐久性，将会致使无砟轨道结构失效，无法保证高速铁路无砟轨道及线下结构的稳定性和平顺性，而稳定性和平顺性恰恰是保证高铁快速和安全运营的重要前提条件，将直接关系到列车的正常运营和乘客的人身安全。
但目前，我国实现无砟轨道近表面缺陷检测主要依靠人工静态检测技术，由于轨道交通用于可供线路检修维护的有效天窗时间仅为2～3小时，且高速铁路的线程又很长，若采用现有的检测手段不仅耗费大量人力物力，而且效率十分低下，检测维护成本很高，还不能满足轨道安全预警需求。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题和需求，本发明的目的是提供一种基于超声阵列检测无砟轨道近表面缺陷的成像方法及装置，以实现高效、无损、实时检测出无砟轨道的近表面缺陷，为高铁的安全运营提供及时预警和有力保障。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于超声阵列检测无砟轨道近表面缺陷的成像方法，包括如下步骤：
a)利用脉冲信号激发接收换能器激发并经由超声阵列探头发射频率在1～2.5MHz范围内的超声波信号至无砟轨道内部，由超声阵列传感器采用自发自收的模式获取无砟轨道中的扩散场信号并将扩散场信号传输给计算机，具体是指：先利用脉冲信号激发接收换能器的发射端发射频率在1～2.5MHz范围内的超声波信号，并由超声阵列传感器的发射端发射至无砟轨道内部，然后由超声阵列传感器的接收端采集扩散场信号并将其传输给脉冲信号激发接收换能器的接收端，然后由脉冲信号激发接收换能器的接收端将接收的扩散场信号传输给计算机；
b)由计算机采用MATLAB软件对所接收到的信号被动提取格林函数，对扩散场信号进行互相关，重建阵元之间的格林函数，获取阵元之间未延时的响应，恢复被噪声淹没的早期缺陷信息，然后依据全聚焦成像算法进行无砟轨道近表面缺陷成像。
一种实施方案，所述步骤b)具体包括如下操作：
1)数据处理：
首先，由于超声波信号在无砟轨道内部传播的过程中，超声波信号和缺陷目标之间发生相互作用，经过散射和多次的反射后会形成一个近似均匀的声场,该声场即为扩散场，而如步骤a)所示，通过超声阵列传感器即可获取无砟轨道中的扩散场信号，设定超声阵列传感器中任意的两个接收阵元分别为r1和r2，两个接收阵元r1和r2处于封闭的曲面空间内，则接收阵元r1和r2处声场互谱的所有声源积分等于r1和r2之间频域因果格林函数与非因果格林函数之差：
G(r1，r2，ω)-G*(r1，r2，ω)＝-2iω∫G(r1，r，ω)G(r2，r，ω)dv (1)；
公式(1)中，等式的左侧是两个接收阵元r1和r2之间的频域格林函数的因果和非因果函数之差，等式右侧表示接收阵元r1和r2处声场互相关的所有声源积分，具体的，G(r1,r2,ω)代表频域中r1和r2之间的因果格林函数，*代表共轭复数，G*(r1,r2,ω)代表频域中r1和r2之间的非因果格林函数，i代表虚数单位，i2＝-1，ω代表发射信号的角频率，r是处于扩散场积分密闭空间V中的任意一点位置，代表任意的缺陷目标，可视为噪声源，G(r1,r,ω)代表r和r1之间的频域格林函数传播公式，G(r2,r,ω)代表r和r2之间的频域格林函数传播公式，dV代表密闭空间V的微分；
然后，假设扩散场噪声源强度是空间均匀分布且互不相关,则功率谱密度|q(ω)|2同时与噪声源的位置无关：
<q(r1，ω)*q(r2，ω)>＝δ(r1-r2)|q(ω)|2 (2)；
公式(2)代表频域r1和r2处信号的互功率谱的期望值等于r1和r2间噪声源的功率谱密度，具体的，公式(2)中，<q(r1，ω)*q(r2，ω)>代表频域r1和r2处信号的互功率谱的期望值，q(r1,ω)代表r1处的场强，q(r2,ω)代表r2处的场强，<>代表统计平均的期望值,*代表共轭复数，δ(r1-r2)代表r1和r2之间信号的互功率谱与噪声源的位置无关；
同时，频域中两个接收阵元r1和r2位置处声场之间的互相关为：
<P(r1，ω)P*(r2，ω)>＝|q(ω)|2∫G(r1，r)G*(r2，r)dv (3)；
公式(3)中，p(r1,ω)代表接收阵元r1处的声场，p(r2,ω)代表接收阵元r2处的声场，<p(r1,ω)*p(r2,ω)>代表两个接收阵元r1和r2位置处声场之间的互相关函数，*代表共轭复数；G(r1，r)代表r1和r频域格林函数传播公式，G(r2，r)代表代表r2和r频域格林函数传播公式；
然后由公式(1)和(3)得到：
(G(r1，r2，ω)-G*(r1，r2，ω))|q(ω)|2＝-2iω<P(r1，ω)P*(r2，ω)> (4)；
公式(4)中，等式左侧为格林函数G(r1,r2,ω)以及它对应的时间反转，即对应频域中的共轭操作，把这两项乘以随机噪声的功率谱密度后，其结果等于等式右侧扩散场中两个的接收阵元r1和r2互相关结果，*代表共轭复数；
然后，求出公式(4)所对应的时域表达式，频域2iω对应时域2d/dt，根据卷积定理可知，频域中的乘积对应时域中的卷积，从而得到：
公式(5)中，G(r1,r2,t)代表时域中r1和r2之间的格林函数，G(r1,r2,-t)代表G(r1,r2,t)的时间反转，即对应频域中的共轭操作，*代表卷积运算，
代表互相关运算，Cq(t)表示扩散场中的噪声q(t)的自相关结果，d/dt代表对t求导，p(r1,t)代表时域中接收阵元r1处的声场，p(r2,t)代表时域中接收阵元r2处的声场；
公式(4)和(5)的结果表明扩散场中接收阵元声场p(r1,t)和p(r2,t)互相关并求导，其结果等于这两接收阵元之间的格林函数响应，根据声波的互易性原理，在时间轴上，这两接收阵元之间的格林函数响应具有对称性；
2)全聚焦成像：
超声阵列传感器拥有相互独立的线性阵列，不仅能够动态聚焦实现B扫和S扫，而且拥有强大的全矩阵捕获功能，其为离线处理数据提供了各种各样的成像方法；
超声阵列传感器是由若干超声传感器呈阵列组成，其中用于发射信号的超声传感器称为发射传感器，用于接收信号的超声传感器称为接收传感器，每个发射传感器对应一个发射阵元，每个接收传感器对应一个接收阵元，假设无砟轨道近表面具有一个缺陷P(x,y)，以超声阵列传感器中的一对收发传感器组合对为例，设定其是第i个阵元发射，第j个阵元接收，则对超声阵列传感器中的所有阵列来说，每个发射信号的阵元和每个接收信号的阵元到P(x,y)的时间值不同，即存在相位差，设定第i个发射阵元的坐标为(xTi,yTi)，到达P(x,y)的飞行时间为Ti，设定第j个接收阵元的坐标为(xRj,yRj)，到达P(x,y)的飞行时间为Tj，即可求得总的飞行时间Tij为:
公式(6)中，c是被测无砟轨道的恒定纵波速度，其值为5900m/s；
则阵列大小为n*n个收发组合对的超声相控阵，任意一个阵元对应的一个像素值大小Iij为：
由于缺陷处的像素值累加远高于正常区域，故在成像时呈现不同的颜色，从而快速准确地识别出缺陷区域及缺陷的大小和形状。
一种基于超声阵列检测无砟轨道近表面缺陷的成像装置，包括脉冲信号激发接收换能器、超声阵列传感器和计算机，所述脉冲信号激发接收换能器的发射端口与超声阵列传感器中的发射端信号连接，所述脉冲信号激发接收换能器的接收端口与超声阵列传感器中的接收端信号连接，所述脉冲信号激发接收换能器的接收端口与计算机信号连接。
一种实施方案，还包括移动电源单元，所述移动电源单元包括移动电源外壳和设于移动电源外壳内的电源本体，所述电源本体分别与脉冲信号激发接收换能器和超声阵列传感器电连接，所述脉冲信号激发接收换能器安装于移动电源外壳内，所述移动电源外壳的侧部均匀设有若干与脉冲信号激发接收换能器相适配的开口，所述超声阵列传感器竖直设于移动电源外壳内，且超声阵列传感器的信号发射/接收端口穿过移动电源外壳位于移动电源外壳的下方。
一种优选方案，所述移动电源外壳的两端设有手柄。
一种实施方案，还包括移动通信控制单元，所述移动通信控制单元与脉冲信号激发接收换能器信号连接。
一种优选方案，所述移动通信控制单元包括通信单元和控制单元，所述通信单元具有无线连接功能，所述控制单元与通信单元信号连接，所述控制单元与脉冲信号激发接收换能器信号连接，所述通信单元与计算机无线连接。
一种优选方案，所述移动通信控制单元设于移动电源外壳的顶部。
与现有技术相比，本发明具有如下有益技术效果：
1)本发明采用的超声阵列传感器具有能量高，衰减小的优势，超声能量几乎不会泄露，更好地入射到待测材料的内部并与缺陷相互作用，形成对检测有利的散射信号，且超声阵列传感器中的每个阵元可以单独进行激发，也可以组合激发，能够实现聚焦和偏转功能，可以更好的采集扩散场信号，进而使得本发明可以利用扩散场信号检测板式无砟轨道，由于扩散场的特性使得早期湮没在噪声中的信号得以重建，便于对轨道板近表面缺陷的处理与分析，有效提高了检测效率；
2)本发明对信号进行处理及成像时，计算机先运用接收阵元扩散场信号之间的互相关运算重建格林函数的原理，获得阵元之间未延时的响应，提取出被噪声淹没的早期缺陷散射信息，然后运用频域合成孔径聚焦成像技术，采用时域全聚焦成像方法，使得缺陷处信号幅值叠加，实现了板式无砟轨道缺陷的可视化，提高了成像的精度与清晰度，不仅能确保具有高分辨率的能力，而且还有效降低成像的计算时间，速度快、精度高；
综上所述，本发明可实现高效、无损、准确、实时检测无砟轨道近表面缺陷，能为高铁的安全运营提供及时预警和有力保障，可为后续轨道维修工作提供有力支撑；因此，本发明相对于现有技术，具有显著进步性和应用价值。
附图说明
图1为实施例提供的基于超声阵列检测无砟轨道近表面缺陷的成像装置中脉冲信号激发接收换能器、超声阵列传感器、无线电源单元、移动通信控制单元部分的结构示意图；
图2为实施例提供的基于超声阵列检测无砟轨道近表面缺陷的成像装置中脉冲信号激发接收换能器、超声阵列传感器、无线电源单元、移动通信控制单元部分的另一个视角的结构示意图；
图3为实施例提供的基于超声阵列检测无砟轨道近表面缺陷的成像装置的结构示意图；
图4实施例所述成像装置在工作时的状态图；
图5为实施例中全聚焦成像原理图；
图6为实施例所述检测轨道板的剖面图；
图7为实施例所述轨道板全聚焦成像图；
图中标号示意如下：图中标号示意如下：1、脉冲信号激发接收换能器；2、超声阵列传感器；21、超声阵列传感器的信号发射/接收端口；3、移动电源单元；31、移动电源外壳；311、开口；312、手柄；4、移动通信控制单元；5、无咋轨道；6、计算机。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步详细描述。
结合图1至图4所示：本发明提供的一种基于超声阵列检测无砟轨道近表面缺陷的成像装置，包括脉冲信号激发接收换能器1、超声阵列传感器2和计算机6，所述脉冲信号激发接收换能器1的发射端口与超声阵列传感器2中的发射端信号连接，所述脉冲信号激发接收换能器1的接收端口与超声阵列传感器2中的接收端信号连接，所述脉冲信号激发接收换能器1的接收端口与计算机信号连接。
所述超声阵列传感器2采用市售产品即可，例如，可以采用接触式的超声阵列传感器，具有能量高，衰减小的优势，超声能量几乎不会泄露，更好地入射到待测材料的内部并与缺陷相互作用，形成对检测有利的散射信号，所述超声阵列传感器2是由若干超声传感器以阵列的形式组成，例如，本实施例中，所述的超声阵列传感器2可以由8行3列共24个超声传感器组成，相应的，所述超声阵列传感器2即具有24个阵元，每个超声传感器的阵元可以单独进行激发，也可以组合激发，能够实现聚焦和偏转功能。此外，从上述可见，本实施例中的超声阵列传感器2具有发射端和接收端，具备自发自收的功能，即组成超声阵列传感器2的超声传感器中，部分是用于发射信号的发射传感器，剩余部分是用于接收信号的接收传感器。由于超声波在密度不同的介质中传播速度不同，当其通过两种不同介质的分界面时，会发生反射散射等现象，因无砟轨道属于混凝土构件，是由砂、水泥、石子等混合组成的多孔质非均匀复合材料，脉冲信号激发接收换能器1发射的超声脉冲波在混凝土中传播时遇到缺陷会发生绕射，在缺陷界面会发生散射和反射，导致到达接收传感器时声波能量得幅值显著减小，本申请中，采用超声阵列传感器2，不仅能够更加有效率的采集扩散场信号，还可以使得其接收的扩散场信号叠加，使得反射扩散场信号在某一个方向的辐射能量最大，而在其它方向的总辐射能量较小，从而实现对扩散场信号的聚焦作用，使得有用的扩散场信号得到增强，进而使得干扰信号得到抑制，从而保证了信号采集及检测结果的精度。
此外，本实施例所述的成像装置还包括移动电源单元3，所述移动电源单元3包括移动电源外壳31和设于移动电源外壳31内的电源本体(未显示)，所述电源本体分别与脉冲信号激发接收换能器1和超声阵列传感器2电连接，所述脉冲信号激发接收换能器1安装于移动电源外壳31内，所述移动电源外壳31的侧部均匀设有若干与脉冲信号激发接收换能器2相适配的开口311(便于脉冲信号激发接收换能器1发射和接收信号)，所述超声阵列传感器2竖直设于移动电源外壳31内，且超声阵列传感器2的信号发射/接收端口21穿过移动电源外壳31位于移动电源外壳31的下方(便于超声阵列传感器2对轨道检测)。移动电源单元为所述成像装置中的其余组成部分移动供电，此外，将脉冲信号激发接收换能器1和超声阵列传感器2共同集约于移动电源外壳31内，有效简化了装置整体的结构和占地面积，进而方便装置整体的移动。
此外，所述移动电源外壳31的两端设有手柄312，以便于通过手柄312实现移动电源单元3及装置整体的搬运与安装。
此外，本实施例所述的成像装置还包括移动通信控制单元4，所述移动通信控制单元4与脉冲信号激发接收换能器1信号连接。具体的，所述移动通信控制单元4包括通信单元和控制单元，所述通信单元具有无线连接功能(例如，蓝牙连接功能，可与计算机6蓝牙连接)，以实现与远程终端(图中未示出)进行无线通讯连接，所述控制单元(可以为市售的单片机、控制器等)与通信单元信号连接，所述控制单元与脉冲信号激发接收换能器1信号连接，以自动控制脉冲信号激发接收换能器1的开关。
此外，所述移动通信控制单元4设于移动电源外壳31的顶部，可以固定安装于移动电源外壳31的顶部，即可将所述成像装置中除了计算机6以外的组件均集约于移动电源外壳31处，简化了装置的整体结构。
采用本发明所述成像装置进行无砟轨道近表面缺陷检测的成像方法如下：
a)将所述成像装置放置于无咋轨道5上(如图4所示)，调节好位置，先利用脉冲信号激发接收换能器1的发射端发射频率在1～2.5MHz范围内的超声波信号，并由超声阵列传感器2的发射端发射至无砟轨道5内部，然后由超声阵列传感器2的接收端采集扩散场信号并将其传输给脉冲信号激发接收换能器1的接收端，然后由脉冲信号激发接收换能器1的接收端将接收的扩散场信号传输给计算机6；
b)由计算机6采用MATLAB软件对所接收到的信号被动提取格林函数，对扩散场信号进行互相关，重建阵元之间的格林函数，获取阵元之间未延时的响应，恢复被噪声淹没的早期缺陷信息，然后依据全聚焦成像算法进行无砟轨道近表面缺陷成像，具体包括如下操作：
1)数据处理：
首先，由于超声波信号在无砟轨道内部传播的过程中，超声波信号和缺陷目标(参见图6所示)之间发生相互作用，经过散射和多次的反射后会形成一个近似均匀的声场,该声场即为扩散场，而如步骤a)所示，通过超声阵列传感器即可获取无砟轨道中的扩散场信号，设定超声阵列传感器中任意的两个接收阵元分别为r1和r2，两个接收阵元r1和r2处于封闭的曲面空间内，则接收阵元r1和r2处声场互谱的所有声源积分等于r1和r2之间频域因果格林函数与非因果格林函数之差：
G(r1，r2，ω)-G*(r1，r2，ω)＝-2iω∫G(r1，r，ω)G(r2，r，ω)dv (1)；
公式(1)中，等式的左侧是两个接收阵元r1和r2之间的频域格林函数的因果和非因果函数之差，等式右侧表示接收阵元r1和r2处声场互相关的所有声源积分，具体的，G(r1,r2,ω)代表频域中r1和r2之间的因果格林函数，*代表共轭复数，G*(r1,r2,ω)代表频域中r1和r2之间的非因果格林函数，i代表虚数单位，i2＝-1，ω代表发射信号的角频率，r是处于扩散场积分密闭空间V中的任意一点位置，代表任意的缺陷目标，可视为噪声源，G(r1,r,ω)代表r和r1之间的频域格林函数传播公式，G(r2,r,ω)代表r和r2之间的频域格林函数传播公式，dV代表密闭空间V的微分；
然后，假设扩散场噪声源强度是空间均匀分布且互不相关,则功率谱密度|q(ω)|2同时与噪声源的位置无关：
＜q(R1，ω)*q(r2，ω)＞＝δ(r1-r2)|q(ω)|2 (2)；
公式(2)代表频域r1和r2处信号的互功率谱的期望值等于r1和r2间噪声源的功率谱密度，具体的，公式(2)中，＜q(r1，ω)*q(r2，ω)＞代表频域r1和r2处信号的互功率谱的期望值，q(r1,ω)代表r1处的场强，q(r2,ω)代表r2处的场强，<>代表统计平均的期望值,*代表共轭复数，δ(r1-r2)代表r1和r2之间信号的互功率谱与噪声源的位置无关；
同时，频域中两个接收阵元r1和r2位置处声场之间的互相关为：
<P(r1，ω)P*(r2，ω)>＝|q(ω)|2∫G(r1，r)G*(r2，r)dv (3)；
公式(3)中，p(r1,ω)代表接收阵元r1处的声场，p(r2,ω)代表接收阵元r2处的声场，＜p(r1,ω)*p(r2,ω)＞代表两个接收阵元r1和r2位置处声场之间的互相关函数，*代表共轭复数；G(r1，r)代表r1和r频域格林函数传播公式，G(r2，r)代表代表r2和r频域格林函数传播公式；
然后由公式(1)和(3)得到：
(G(r1，r2，ω)-G*(r1，r2，ω))|q(ω)|2＝-2iω＜P(r1，ω)P*(r2，ω)＞ (4)；
公式(4)中，等式左侧为格林函数G(r1,r2,ω)以及它对应的时间反转，即对应频域中的共轭操作，把这两项乘以随机噪声的功率谱密度后，其结果等于等式右侧扩散场中两个的接收阵元r1和r2互相关结果，*代表共轭复数；
然后，求出公式(4)所对应的时域表达式，频域2iω对应时域2d/dt，根据卷积定理可知，频域中的乘积对应时域中的卷积，从而得到：
公式(5)中，G(r1,r2,t)代表时域中r1和r2之间的格林函数，G(r1,r2,-t)代表G(r1,r2,t)的时间反转，即对应频域中的共轭操作，*代表卷积运算，
代表互相关运算，Cq(t)表示扩散场中的噪声q(t)的自相关结果，d/dt代表对t求导，p(r1,t)代表时域中接收阵元r1处的声场，p(r2,t)代表时域中接收阵元r2处的声场；
公式(4)和(5)的结果表明扩散场中接收阵元声场p(r1,t)和p(r2,t)互相关并求导，其结果等于这两接收阵元之间的格林函数响应，根据声波的互易性原理，在时间轴上，这两接收阵元之间的格林函数响应具有对称性；
2)全聚焦成像：
超声阵列传感器拥有相互独立的线性阵列，不仅能够动态聚焦实现B扫和S扫，而且拥有强大的全矩阵捕获功能，其为离线处理数据提供了各种各样的成像方法；
超声阵列传感器是由若干超声传感器呈阵列组成，其中用于发射信号的超声传感器称为发射传感器，用于接收信号的超声传感器称为接收传感器，每个发射传感器对应一个发射阵元，每个接收传感器对应一个接收阵元，参见图5所示，假设无砟轨道近表面具有一个缺陷P(x,y)，以超声阵列传感器中的一对收发传感器组合对为例，设定其是第i个阵元发射，第j个阵元接收，则对超声阵列传感器中的所有阵列来说，每个发射信号的阵元和每个接收信号的阵元到P(x,y)的时间值不同，即存在相位差，设定第i个发射阵元的坐标为(xTi,yTi)，到达P(x,y)的飞行时间为Ti，设定第j个接收阵元的坐标为(xRj,yRj)，到达P(x,y)的飞行时间为Tj，即可求得总的飞行时间Tij为:
公式(6)中，c是被测无砟轨道的恒定纵波速度，其值为5900m/s；
则阵列大小为n*n个收发组合对的超声相控阵，任意一个阵元对应的一个像素值大小Iij为：
由于缺陷处的像素值累加远高于正常区域，故在成像时呈现不同的颜色，从而快速准确地识别出缺陷区域及缺陷的大小和形状(如图7所示)。
综上所述可见，本发明可实现无砟轨道近表面缺陷的检测与评估，可解决目前轨道效率低的问题，而且可大大降低人力和工作强度，并且提供缺陷可视化的服务，能为铁路安全维护提供有力支持；另外，本发明结构简单，使用便捷，可使维护成本大大降低；因此，本发明相对于现有技术，具有显著进步性和应用价值。
最后有必要在此指出的是：以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于超声阵列检测无砟轨道近表面缺陷的成像方法，其特征在于，包括如下步骤：
a)利用脉冲信号激发接收换能器激发并经由超声阵列探头发射频率在1～2.5MHz范围内的超声波信号至无砟轨道内部，由超声阵列传感器采用自发自收的模式获取无砟轨道中的扩散场信号并将扩散场信号传输给计算机；
b)由计算机采用MATLAB软件对所接收到的信号被动提取格林函数，对扩散场信号进行互相关，重建阵元之间的格林函数，获取阵元之间未延时的响应，恢复被噪声淹没的早期缺陷信息，然后依据全聚焦成像算法进行无砟轨道近表面缺陷成像。
2.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于，所述步骤b)具体包括如下操作：
1)数据处理：
首先，由于超声波信号在无砟轨道内部传播的过程中，超声波信号和缺陷目标之间发生相互作用，经过散射和多次的反射后会形成一个近似均匀的声场,该声场即为扩散场，而如步骤a)所示，通过超声阵列传感器即可获取无砟轨道中的扩散场信号，设定超声阵列传感器中任意的两个接收阵元分别为r1和r2，两个接收阵元r1和r2处于封闭的曲面空间内，则接收阵元r1和r2处声场互谱的所有声源积分等于r1和r2之间频域因果格林函数与非因果格林函数之差：
G(r1，r2，ω)-G*(r1，r2，ω)＝-2iω∫G(r1，r，ω)G(r2，r，ω)dv (1)；
公式(1)中，等式的左侧是两个接收阵元r1和r2之间的频域格林函数的因果和非因果函数之差，等式右侧表示接收阵元r1和r2处声场互相关的所有声源积分，具体的，G(r1，r2，ω)代表频域中r1和r2之间的因果格林函数，*代表共轭复数，G*(r1,r2,ω)代表频域中r1和r2之间的非因果格林函数，i代表虚数单位，i2＝-1，ω代表发射信号的角频率，r是处于扩散场积分密闭空间V中的任意一点位置，代表任意的缺陷目标，可视为噪声源，G(r1,r,ω)代表r和r1之间的频域格林函数传播公式，G(r2,r,ω)代表r和r2之间的频域格林函数传播公式，dV代表密闭空间V的微分；
然后，假设扩散场噪声源强度是空间均匀分布且互不相关,则功率谱密度|q(ω)|2同时与噪声源的位置无关：
<q(r1，ω)*q(r2，ω)>＝δ(r1-r2)|q(ω)|2 (2)；
公式(2)代表频域r1和r2处信号的互功率谱的期望值等于r1和r2间噪声源的功率谱密度，具体的，公式(2)中，<q(r1，ω)*q(r2，ω)>代表频域r1和r2处信号的互功率谱的期望值，q(r1,ω)代表r1处的场强，q(r2,ω)代表r2处的场强，<>代表统计平均的期望值,*代表共轭复数，δ(r1-r2)代表r1和r2之间信号的互功率谱与噪声源的位置无关；
同时，频域中两个接收阵元r1和r2位置处声场之间的互相关为：
<P(r1，ω)P*(r2，ω)>＝|q(ω)|2∫ G(r1，r)G*(r2，r)dv (3)；
公式(3)中，p(r1,ω)代表接收阵元r1处的声场，p(r2,ω)代表接收阵元r2处的声场，<P(r1，ω)P*(r2，ω)>代表两个接收阵元r1和r2位置处声场之间的互相关函数，*代表共轭复数；G(r1,r)代表r1和r频域格林函数传播公式，G(r2,r)代表代表r2和r频域格林函数传播公式；
然后由公式(1)和(3)得到：
(G(r1，r2，ω)-G*(r1，r2，ω))|q(ω)|2＝-2iω<P(r1，ω)P*(r2，ω)> (4)；
公式(4)中，等式左侧为格林函数G(r1,r2,ω)以及它对应的时间反转，即对应频域中的共轭操作，把这两项乘以随机噪声的功率谱密度后，其结果等于等式右侧扩散场中两个的接收阵元r1和r2互相关结果，*代表共轭复数；
然后，求出公式(4)所对应的时域表达式，频域2iω对应时域2d/dt，根据卷积定理可知，频域中的乘积对应时域中的卷积，从而得到：
公式(5)中，G(r1,r2,t)代表时域中r1和r2之间的格林函数，G(r1,r2,-t)代表G(r1,r2,t)的时间反转，即对应频域中的共轭操作，*代表卷积运算，
代表互相关运算，Cq(t)表示扩散场中的噪声q(t)的自相关结果，d/dt代表对t求导，p(r1,t)代表时域中接收阵元r1处的声场，p(r2,t)代表时域中接收阵元r2处的声场；
公式(4)和(5)的结果表明扩散场中接收阵元声场p(r1,t)和p(r2,t)互相关并求导，其结果等于这两接收阵元之间的格林函数响应，根据声波的互易性原理，在时间轴上，这两接收阵元之间的格林函数响应具有对称性；
2)全聚焦成像：
超声阵列传感器拥有相互独立的线性阵列，不仅能够动态聚焦实现B扫和S扫，而且拥有强大的全矩阵捕获功能，其为离线处理数据提供了各种各样的成像方法；
超声阵列传感器是由若干超声传感器呈阵列组成，其中用于发射信号的超声传感器称为发射传感器，用于接收信号的超声传感器称为接收传感器，每个发射传感器对应一个发射阵元，每个接收传感器对应一个接收阵元，假设无砟轨道近表面具有一个缺陷P(x,y)，以超声阵列传感器中的一对收发传感器组合对为例，设定其是第i个阵元发射，第j个阵元接收，则对超声阵列传感器中的所有阵列来说，每个发射信号的阵元和每个接收信号的阵元到P(x,y)的时间值不同，即存在相位差，设定第i个发射阵元的坐标为(xTi,yTi)，到达P(x,y)的飞行时间为Ti，设定第j个接收阵元的坐标为(xRj,yRj)，到达P(x,y)的飞行时间为Tj，即可求得总的飞行时间Tij为:
公式(6)中，c是被测无砟轨道的恒定纵波速度，其值为5900m/s；
则阵列大小为n*n个收发组合对的超声相控阵，任意一个阵元对应的一个像素值大小Iij为：
由于缺陷处的像素值累加远高于正常区域，故在成像时呈现不同的颜色，从而快速准确地识别出缺陷区域及缺陷的大小和形状。
3.一种基于超声阵列检测无砟轨道近表面缺陷的成像装置，其特征在于：包括脉冲信号激发接收换能器、超声阵列传感器和计算机，所述脉冲信号激发接收换能器的发射端口与超声阵列传感器中的发射端信号连接，所述脉冲信号激发接收换能器的接收端口与超声阵列传感器中的接收端信号连接，所述脉冲信号激发接收换能器的接收端口与计算机信号连接。
4.根据权利要求3所述的成像装置，其特征在于：还包括移动电源单元，所述移动电源单元包括移动电源外壳和设于移动电源外壳内的电源本体，所述电源本体分别与脉冲信号激发接收换能器和超声阵列传感器电连接，所述脉冲信号激发接收换能器安装于移动电源外壳内，所述移动电源外壳的侧部均匀设有若干与脉冲信号激发接收换能器相适配的开口，所述超声阵列传感器竖直设于移动电源外壳内，且超声阵列传感器的信号发射/接收端口穿过移动电源外壳位于移动电源外壳的下方。
5.根据权利要求4所述的成像装置，其特征在于：所述移动电源外壳的两端设有手柄。
6.根据权利要求3所述的成像装置，其特征在于：还包括移动通信控制单元，所述移动通信控制单元与脉冲信号激发接收换能器信号连接。
7.根据权利要求6所述的成像装置，其特征在于：所述移动通信控制单元包括通信单元和控制单元，所述通信单元具有无线连接功能，所述控制单元与通信单元信号连接，所述控制单元与脉冲信号激发接收换能器信号连接，所述通信单元与计算机无线连接。
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