СПОСОБ ОПТИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕРОВНОСТЕЙ И ДЕФЕКТОВ РЕЛЬСОВОГО ПУТИ
METHOD OF OPTICAL DETERMINATION OF TACK IRREGULARITIES AND DEFECTS

1. Область техники
Изобретение относится к области железнодорожного транспорта, а именно к способам определения неровностей и других дефектов рельсового пути.
2. Уровень техники
Известен способ контроля состояния рельсового пути (патент RU 2123445, В61К 9/08, Е01В 35/00 от 12.07.1995), заключающееся в том, что определяют угловые колебания и координаты буксы колесной пары. Находят координаты точек касания левого и правого колес колесной пары и просадку каждой рельсовой нити выражают в виде разности вертикальных координат точки касания колеса, соответствующих двум моментам времени. Известен также способ инерциальных измерений рельсового пути (патент RU 2242391, В61К 9/08, Е01В 35/06 от 30.12.2002), согласно данному способу формируют вектор виртуальной скорости каждой из рельсовых нитей в проектной системе координат, используя сигналы с датчика пути, переходят к независимой переменной по продольной координате пути. Интегрированием найденных скоростей получают вертикальные и горизонтальные профили рельсовых нитей и искомые неровности получают как разность между полученными профилями и их аппроксимирующими кривыми, полученными в результате обработки измерений, или с паспортными профилями. Недостатками аналогов являются низкая чувствительность к мелким неоднородностям, размеры которых меньше ширины верхней опорной поверхности рельса, а также необходимость иметь паспортные профили рельсовых нитей.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является способ оценки состояния путевой структуры (патент RU 2096221, В61К 9/06, В61К 9/08 от 03.10.1994). Способ заключается в том, что определяется уровень электромагнитного излучения от поверхности контролируемого участка, которое сравнивают с эталонным, соответствующим заданной характеристике путевой структуры, и по результатам сравнения выявляют степень износа и дефекты путевой структуры. Недостатками данного способа являются низкая чувствительность к мелким неоднородностям, размеры которых меньше ширины верхней опорной поверхности рельса, а также необходимость иметь паспортные (эталонные) профили рельсовых нитей и необходимость устанавливать устройства для дефектоскопии на специальных путеизмерительных вагонах.
3. Перечень фигур, чертежей и иных материалов
На фиг.1 представлена блок-схема получения изображений рельсового пути: 1 - неполяризованное электромагнитное излучение видимого спектра; 2 - частично поляризованное излучение; 3 - рельсовый путь; 4 - поляризационный фильтр с вращающейся осью пропускания; 5 - приемник электромагнитного излучения видимого спектра, 6 - угол визирования; 7 - нормаль к поверхности головки рельса.
На фиг.2 представлено фотоизображение впадины на рельсе, снятое в профиль (длинна впадины - 300 мм, глубина - 3 мм).
На фиг.3 приведены исходное изображение участка рельсового пути в видимом диапазоне электромагнитного спектра излучения.
На фиг.4 показан результат обработки изображений впадины на рельсе, полученный при различных положениях поляризационного фильтра, и их последующей обработки путем оценки параметров Стокса.
4. Сущность изобретения
4.1. Задача
Техническая задача состоит в устранении указанных недостатков за счет фиксации изображения рельсового пути в видимом диапазоне спектра электромагнитного излучения с использованием поляризационного фильтра с вращающейся осью пропускания.
4.2. Отличительные признаки
Технический результат достигается тем, что в отличие от известного способа, заключающегося в том, что определяют уровень электромагнитного излучения поверхности контролируемого участка железнодорожного пути путем видиотехнического считывания, перемещая приемник электромагнитного излучения вдоль указанного участка, и по измеренному уровню электромагнитного излучения выявляют степень износа и дефекты путевой структуры, производится фиксация изображения рельсового пути в видимом диапазоне спектра электромагнитного излучения через поляризационный фильтр с вращающейся осью пропускания и последующей обработкой полученных изображений путем оценки параметров Стокса.
4.3. Сущность способа
Сущность способа оптического определения неровностей рельсового пути показана на фиг.1: неполяризованное электромагнитное излучение видимого спектра 1 становится частично поляризованным 2, отражаясь от рельсового пути 3, проходит поляризационный фильтр с вращающейся осью пропускания 4 и попадает в приемник электромагнитного излучения видимого спектра 5, в дальнейшем полученное изображение обрабатывается с помощью преобразований Стокса, что позволяет получать более четкие изображения дефектов рельсового пути (в том числе и малоразмерных). Данный эффект основан на том, что степень поляризации отраженного от угла визирования 6 (7 - нормаль к поверхности головки рельса), который является постоянной величиной для ровных участков головки рельса и изменяется на ее неровностях.
5. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Известно, что при отражении света от металлической поверхности происходит изменение параметров его поляризации, т.е. поляризационные характеристики отраженного света не совпадают с аналогичными характеристиками падающего (М. Борн, Э. Вольф, Основы оптики, М., 1973, 716 с.; Соколов А.В., Оптические свойства металлов, М., 1961, 464 с.) Параметры поляризации зависят от угла визирования, который, в свою очередь, определяется профилем поверхности рельса в месте наблюдения.
Для реализации предлагаемого способа проводилась съемка железнодорожного пути фотокамерой Canon 40D с установленным объективом Canon EF-S 17-55 f/2.8 IS USM и поляризационным фильтром. Использовалось фокусное расстояние 55 мм. Для каждого фрагмента полотна делалась серия кадров (60 или 30) с разной ориентацией поляризационного фильтра (с шагом 6 или 12 градусов соответственно), при этом осуществлялся полный поворот фильтра на 360 градусов.
C
j
j
В качестве модели отраженного сигнала I(ϕ), регистрируемого матрицей фотокамеры при угле ϕ между главной осью поляризационного фильтра и вертикальной плоскостью, проходящей через ось оптической системы, использовалось следующее выражение:
<mrow><msub><mi>I</mi><mi>C</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>φ</mi><mi>j</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>I</mi><mo>+</mo><mi>Q</mi><mi>cos</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><msub><mi>φ</mi><mi>j</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><mi>U</mi><mi>sin</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><msub><mi>φ</mi><mi>j</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>.</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
По каждой серии снимков вычислялись оценки параметров Стокса
<mrow><mover accent="true"><mi>I</mi><mo>˜</mo></mover><mo>=</mo><mfrac><mn>2</mn><mi>N</mi></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mrow><msub><mi>I</mi><mi>C</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>φ</mi><mi>j</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mstyle></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>Q</mi><mo>˜</mo></mover><mo>=</mo><mfrac><mn>4</mn><mi>N</mi></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mrow><msub><mi>I</mi><mi>C</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>φ</mi><mi>j</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mi>cos</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><msub><mi>φ</mi><mi>j</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mstyle></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˜</mo></mover><mo>=</mo><mfrac><mn>4</mn><mi>N</mi></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mrow><msub><mi>I</mi><mi>C</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>φ</mi><mi>j</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mi>sin</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><msub><mi>φ</mi><mi>j</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mstyle></mrow>
и ошибка модели:
<mrow><mi>e</mi><mi>r</mi><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>N</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mrow><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mover accent="true"><mi>I</mi><mo>˜</mo></mover><mo>+</mo><mover accent="true"><mi>Q</mi><mo>˜</mo></mover><mi>cos</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><msub><mi>φ</mi><mi>j</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>+</mo><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˜</mo></mover><mi>sin</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><msub><mi>φ</mi><mi>j</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>−</mo><msub><mi>I</mi><mi>C</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>φ</mi><mi>j</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>,</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>5</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mstyle></mrow>
<mrow><msub><mi>φ</mi><mi>j</mi></msub><mo>=</mo><mfrac bevelled="true"><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>j</mi></mrow><mi>N</mi></mfrac></mrow>
где N - количество кадров;
- угол поворота поляризационного фильтра для кадра j.
Для экспериментов использовался участок пути в районе станции Ржевская Октябрьской железной дороги, г.Москва.
В качестве первого тестового образца был выбран участок пути со сварным рельсовым швом (фиг.2). Из-за нарушения структуры металла в месте сварки при длительной эксплуатации такого рельса возникает впадина, длина которой составляла около 30 см, а максимальная глубина была около 3 мм. Изображение впадины на рельсе, снятое в профиль, приведено на фиг.2.
На фиг.3 приведено изображение впадины на рельсе в естественном свете, а на фиг.4 - после обработки исходного изображения путем оценки параметров Стокса. Преобразованное изображение позволило значительно увеличить контраст впадины на исходном изображении.
Способ, основанный на изменении параметров поляризации электромагнитного излучения видимого диапазона, отраженного от дефектов рельсовых нитей, по сравнению с бездефектными участками пути позволяет использовать в качестве носителя аппаратуры кроме путеизмерительных вагонов и низколетящие летательные аппараты, в том числе и дистанционно-пилотируемые летательные аппараты (ДПЛА). Использование ДПЛА позволит повысить производительность и оперативность диагностики состояния железнодорожных путей.
Анализ, проведенный заявителем по известному ему уровню техники, показал, что предлагаемое изобретение, обладающее новизной и промышленной применимостью, отвечает в отношении совокупности его существенных признаков требованию критерия «изобретательский уровень», из уровня техники неизвестен также механизм достижения технического результата, раскрытого в материалах заявки.