01 導讀

早期缺陷檢測在軌道交通安全監(jiān)測中發(fā)揮著重要作用。然而，現(xiàn)有方法不能同時滿足實現(xiàn)實時、在線、高精度的監(jiān)測需求。近日，華中科技大學孫琪真教授團隊提出并驗證了一種針對鋼軌缺陷的高精度、分布式、在線檢測方法。該團隊利用列車駛過缺陷時，輪-軌相互作用激發(fā)瞬時彈性波并沿鐵軌雙向傳播的特性，提出了基于光纖分布式聲波傳感技術及聲傳遞曲線擬合算法的鋼軌缺陷檢測新方法。

具體來說，通過在鐵軌上安裝離散散射增強光纜作為分布式聲波傳感器（DAS）記錄聲波事件，首先通過識別彈性波的傳播軌跡尋找鐵軌缺陷，然后擬合傳播軌跡定位聲源和缺陷位置。特別的，優(yōu)化算法利用多道聲波信息，使缺陷定位精度突破DAS系統(tǒng)的空間分辨率?，F(xiàn)場測試證明，該系統(tǒng)能夠成功識別鐵軌沿線的多個缺陷，且定位精度達到0.314m。該研究首次實現(xiàn)軌道缺陷的分布式在線檢測，并能進一步推廣應用于管道和隧道等基礎設施的高精度結構損傷檢測，帶來技術革新。研究成果以“High-precision distributed detection of rail defect by tracking the acoustic propagation waves”為題在Optics Express上發(fā)表，論文第一作者為華中科技大學博士研究生范存政，通訊作者為孫琪真教授。

02 研究背景

目前，現(xiàn)有的軌道損傷監(jiān)測技術包括超聲探測技術、聲發(fā)射技術、軸箱加速度監(jiān)測技術。但是這些技術手段均有著一定的不足之處：聲發(fā)射傳感器覆蓋范圍僅為幾米，難以用于長線路的監(jiān)測中；超聲探傷車僅能在鐵路天窗期使用，對于缺陷檢測存在盲時、盲區(qū)；軸箱加速度監(jiān)測會受到列車振動的影響，噪聲大、定位精度低，監(jiān)測效果差。

近些年，分布式聲學傳感（DAS）技術表現(xiàn)出了巨大的潛力。得益于抗電磁干擾、長距離無源測量和抗腐蝕的優(yōu)勢，光纖DAS已應用于軌道交通領域的多個方面，例如入侵監(jiān)測、列車位置和速度監(jiān)測和輪對異常檢測等。因此，通過光纖DAS技術實現(xiàn)分布式缺陷監(jiān)測是完全可行的。

03 創(chuàng)新研究

3.1 基于彈性波傳播軌跡追蹤的鋼軌缺陷識別&高精度定位方法

圖1 鋼軌缺陷檢測方法的原理示意圖

圖源：Optics Express（2022）

https://doi.org/10.1364/OE.468193 （Fig.1）

當列車駛過鐵軌缺陷時，車輪和軌道之間的相互作用會產(chǎn)生彈性波并延鐵軌向兩側傳播。通過將散射增強光纖（BEOF）安裝在軌道軌腰上，記錄彈性波的傳播軌跡。由于軌道是條形聲波導，彈性波將在軌道中以恒定的速度向前和向后傳播。因為前向傳輸和后向傳輸軌跡的交點為激發(fā)聲源的位置即缺陷位置，所以通過分析聲信號數(shù)據(jù)獲得傳播軌跡，即可實現(xiàn)缺陷的定位。

圖2 數(shù)值仿真結果。（a）定位誤差與傳感區(qū)間數(shù)量、采樣頻率的關系（b）定位誤差與信號噪聲水平的關系缺陷的垂直視圖（c）定位誤差與傳感區(qū)間數(shù)量的關系

圖源：Optics Express（2022）

https://doi.org/10.1364/OE.468193 （Fig.3）

數(shù)值仿真結果表明，定位誤差和系統(tǒng)采樣率、聲波信噪比、彈性波傳播傳感道數(shù)相關，其中系統(tǒng)采樣率、信噪比、傳感道數(shù)越高，定位誤差越小。理論上，在8kHz采樣率、傳感道數(shù)為10道時，可實現(xiàn)小于0.179m的定位誤差。

3.2 現(xiàn)場驗證&結果分析

該團隊在真實鐵軌上進行了驗證，使用自主研發(fā)的基于相干檢測和極化分集接收的DAS系統(tǒng)作為聲波詢問器，如圖3（a）所示。特別地，通過紫外曝光在傳感光纜中引入一系列的散射增強點，以增強背向散射光的功率，并抑制相干衰落噪聲。DAS的采樣頻率設置為8kHz，并將具有2m空間分辨率的散射增強光纜固定在軌道腰部，如圖3（b）所示。測試鐵軌沿線共有5處缺陷，尺寸為7cm×1cm×3cm，分別位于81m、104m、129m、155m和204m左右。此外，一輛GC-270重型軌道車以30km/h的速度沿測試軌道行駛。

圖3 （a）DAS系統(tǒng)原理圖?，F(xiàn)場測試環(huán)境照片：（b）鋪設在軌道腰部的光纖電纜（c） 缺陷的垂直視圖（d）缺陷的側視圖（e）現(xiàn)場測試環(huán)境和測試列車。

圖源：Optics Express（2022）

https://doi.org/10.1364/OE.468193 （Fig.4）

首先，本文中記錄并繪制了204m處的時空分布圖。由于不同波長的聲波傳播速度不同，輪-軌作用彈性波中的兩個主頻帶（600Hz-800Hz和1100Hz-1300Hz）被提取并單獨繪制時空分布圖，如圖4（a）和圖4（b）所示，其中對于不同的傳感通道添加了不同的偏置。以600Hz-800Hz范圍內的信號為例，計算彈性波在不同位置傳感通道的到達時間，進而擬合正反兩條傳播曲線：

進而可以計算得到缺陷的位置為204.8375 m。通過同樣的方法，使用1100Hz-1300Hz的信號定位同一缺陷，得到了204.9592m的結果。為了進一步提高精度，本文利用彈性波擁有多個頻帶能量的特點提出了雙頻帶聯(lián)合算法進一步提高定位精度。對于兩個主頻帶的曲線擬合結果進行計算，選取其中擬合系數(shù)更高的一個頻帶的位置作為最終定位結果。由于更高的擬合系數(shù)意味著更精準的擬合和定位，這一算法可以進一步提高定位精度。為了評估該方法的穩(wěn)定性，對5個缺陷進行了10次測試。實驗結果表明，所有的缺陷測試都可以被成功檢測，識別率為100%。10次測試的位置誤差如圖4（c）所示，其中黑色點和紅色點表示兩個頻帶的結果，藍色點是通過雙頻聯(lián)合處理算法優(yōu)化的結果。圖4（d）為圖4（c）結果的標準偏差，結果證明雙頻聯(lián)合處理算法可以有效提高定位精度，最大標準偏差僅為0.314m。進一步的，如果提高采樣率和降低噪聲，缺陷定位誤差可以進一步減小。

圖4 實驗結果。（a）600Hz-800Hz頻帶時空分布圖（b）1100Hz-1300Hz 頻帶時空分布圖（c）缺陷定位誤差（d）缺陷定位結果的標準偏差。

圖源：Optics Express（2022）

https://doi.org/10.1364/OE.468193 （Fig. 4&5）

04 應用與展望

本文提出并論證了一種基于光纖DAS系統(tǒng)的高精度、分布式、在線鐵軌缺陷識別方法。當列車駛過缺陷時，輪-軌相互作用會產(chǎn)生瞬時彈性波并延鐵軌雙向傳播。通過光纖DAS系統(tǒng)監(jiān)測傳播過程并求解兩個傳播軌跡的交點，從而實現(xiàn)缺陷的在線檢測和精準定位。理論分析表明，定位誤差與DAS噪聲和采樣頻率有關。此外，本文設計了雙頻聯(lián)合處理算法用以抑制相位噪聲，從而提高定位精度。現(xiàn)場測試實驗證明，該方法能夠以100%的識別率和亞米級的定位精度檢測缺陷，突破了DAS系統(tǒng)自身的空間分辨率。據(jù)我們所知，本研究首次公開報道了一種分布式在線缺陷識別方法，監(jiān)測距離可長達數(shù)十千米，定位精度可達亞米級，為高精度結構損傷檢測提供了新的思路，有望實現(xiàn)鐵路、管道、隧道等基礎設施安全監(jiān)測的技術革新。

審核編輯 ：李倩