Способ получения радиолокационного изображения и геометрии поверхности рельсового полотна
METHOD OF OBTAINING RADAR IMAGE AND GEOMETRY OF SURFACES OF RAIL COVER

1. Область техники.
Изобретение относится к области железнодорожного транспорта, а именно к способам и средствам неразрушающего контроля материалов и может быть использовано для диагностики рельсов и других протяженных объектов железнодорожного пути.
2. Уровень техники.
Известны ультразвуковые, магнитные, оптические, механические и радиолокационные способы для определения состояния рельсового полотна.
Недостатком ультразвуковых методов является невысокая скорость диагностики, обусловленная необходимостью физического контакта между излучателем/приемником ультразвуковых колебаний и головкой рельса. Стабильность акустического контакта при увеличении скорости падает, снижая надежность диагностики на высоких скоростях. Оптические методы, основанные на освещении рельса светом и измерении дальности с использованием оптической триангуляции, обладают таким недостатком, как чувствительность к состоянию поверхности рельса, например, загрязнению.
Одним из аналогов является способ (патент РФ 2521095 B61K 9/08, G01N 27/82, G01N 29/04 от 27.03.2013 г.). Способ заключается в том, что магнитным дефектоскопом, установленным на вагоне-дефектоскопе, обследуют участок рельсового пути. Обнаруживают дефекты и конструктивные элементы (болтовые и сварные стыки рельсов, рельсовые металлические подкладки и т.п.), сигналы от которых и их положение сохраняют в диагностической карте. Используют данные о конструктивных элементах рельсового пути для навигации при ультразвуковой (УЗ) дефектоскопии того же участка рельсового пути. Подробно анализируют УЗ дефектоскопом объекты, обнаруженные магнитным дефектоскопом. Корректируют диагностическую карту по результатам дефектоскопии.
Известен способ оценки состояния путевой структуры (патент РФ 2096221 B61K 9/06, B61K 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 данных аналогов являются низкая чувствительность к мелким неоднородностям, размеры которых меньше ширины поверхности катания рельса, а также необходимость иметь паспортные (эталонные) профили рельсовых нитей и необходимость устанавливать устройства для дефектоскопии на специальных путеизмерительных вагонах.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является устройство и метод контроля железнодорожных путей (патент США 6570497 B61K 9/08, B61L 3/00, B61L 23/04, G01S 7/41, G01S 9/35,от 30.08.2001). Метод включает в себя использование одной или двух антенн для излучения радиолокационного сигнала в направлении рельса и приема отраженного радиолокационного сигнала. Состояние рельса определяется за счет обработки отраженного сигнала с использованием процессорного устройства. Недостатком указанного метода является низкое пространственное разрешение радиолокационной системы, определяемое шириной диаграммы направленности антенн, что не позволяет получать детальные радиолокационные изображения поверхности рельса, имеющие достаточное разрешение в направлении, перпендикулярном направлению рельса. В известном устройстве и методе не используются поляризационные свойства излучения, с помощью которых можно было бы увеличить чувствительность радиолокационной системы по отношению к малым по сравнению с длиной волны дефектам рельсов, которые вызывают изменение поляризации отраженного радиолокационного излучения по отношению к падающему. Известный метод также не позволяет получить радиолокационное изображение и геометрию поверхности рельсового полотна.
3. Перечень чертежей и иных материалов.
На фиг. 1 представлена геометрия расположения антенн радиолокатора для зондирования рельсов: 1 - радиолокатор, 2 - антенная система; 3 - рельс.
На фиг. 2 представлена фотография установки, состоящей из двухкоординатного механического сканера и радиолокатора с переключением частоты.
На фиг. 3 показана фотография радиолокатора: 1 - волноводные антенны, 2 - микроконтроллер, 3 - трансивер.
На фиг. 4 изображен фрагмент рельса Р24 длиной 50 см с дефектами на головке рельса.
На фиг. 5 показаны радиолокационные изображения поверхности катания рельса в разных поляризациях приемного канала для линейной поляризации падающего излучения, направленной вдоль рельса: а) параллельная поляризация, б) перпендикулярная поляризация.
На фиг. 6 показан профиль поверхности катания рельса, построенный вдоль осевой линии рельса: а) направление излучаемой и принимаемой поляризации совпадают и направлены вдоль рельса, б) направление излучаемой поляризации поперек рельса, принимаемой поляризации - вдоль рельса. Сплошной линией показан профиль рельса, полученный с помощью контактных измерений, пунктирной линией показан профиль, полученный радиолокационным методом.
4. Сущность изобретения.
4.1. Задача.
Техническая задача состоит в устранении перечисленных недостатков за счет использования многоканальной антенной системы, у которой антенны располагаются над рельсом и по обе его стороны. При движении антенной системы вместе с железнодорожным составом двумерная синтезированная апертура образуется за счет движения и электронной коммутации антенн. За счет этого, с использованием соответствующей обработки радиолокационного сигнала, радиолокационные изображения имеют высокое пространственное разрешение. Передающие и приемные антенны излучают и регистрируют излучение в нескольких поляризационных каналах, благодаря чему на радиолокационных изображениях увеличивается контраст малых по сравнению с длиной волны дефектов. Обработка радиолокационного сигнала позволяет получить не только радиолокационное изображение, но и геометрию поверхности рельса.
4.2. Отличительные признаки.
1
2
a
Технический результат достигается тем, что, в отличие от известного метода, заключающегося в использование одной или двух антенн для излучения радиолокационного сигнала в направлении рельса, приема отраженного радиолокационного сигнала и определения состояния поверхности рельса за счет обработки отраженного сигнала с использованием процессорного устройства, электронно-коммутируемые антенны располагаются вблизи рельсового полотна над рельсом по обе его стороны, а двумерная синтезированная апертура и связанное с ней высокое пространственное разрешение системы достигается за счет движения железнодорожного состава и электронной коммутации антенн, излучение и прием радиолокационного сигнала осуществляется с использованием от одного до четырех каналов, отличающихся характером поляризации излучаемых и принимаемых радиоволн, при этом радиолокационные изображения и геометрия поверхности рельса получаются следующим образом: в декартовой системе координат OXYZ, у которой плоскость XOY расположена параллельно полотну железной дороги, а ось Z направлена вниз, в плоскости z=0 регистрируются и сохраняются в виде массива комплексных чисел квадратурные выборки радиолокационного сигнала (радиоголограмма) E(x, y, ƒ), где ƒ - частота зондирующего сигнала, изменяющаяся в диапазоне от ƒ до ƒ, а действительная и мнимая части соответствуют синфазной и квадратурной компонентам сигнала соответственно, поверхность катания рельса при этом находится в плоскости с координатой z=z, затем методом обратного распространения с использованием быстрого преобразования Фурье выполняется восстановление радиоголограммы:
где
0
Q(x, y, z) - массив восстановленных данных, каждый элемент которого характеризует комплексный коэффициент отражения объекта, а координата z отсчитывается от положения z;
2D
FT и  обозначают двумерное прямое и трехмерное обратное быстрые преобразования Фурье соответственно;
k=2πƒ/с - волновое число;
с - скорость света;
x
y
a
0
kи k - проекции волнового вектора на соответствующие оси, где абсолютное значение величины Q, вычисленное в точке z=z-z, принимается в качестве радиолокационного изображения объекта;
n
a
0
n
из множества дискретных значений z, определяемых обратным трехмерным быстрым преобразованием Фурье в формуле (1), выбирается z, ближайшее к z-z; в каждой точке (x, y, z) вычисляется остаточная фаза Ф(х, у) с использованием выражения:
n
вычисляется расстояние, соответствующее высоте профиля поверхности рельса относительно уровня z согласно выражению:
где
unwrap - процедура двумерного развертывания фазы, заключающаяся в добавлении угла 2π соответствующей кратности в местах скачков фазы при достижении полного периода арктангенса.
4.3. Сущность способа.
1
2
a
Электронно-коммутируемые антенны располагаются вблизи рельсового полотна, над рельсом и по обе его стороны, а двумерная синтезированная апертура и связанное с ней высокое пространственное разрешение системы достигается за счет движения железнодорожного состава и электронной коммутации антенн, излучение и прием радиолокационного сигнала осуществляется с использованием от одного до четырех каналов, отличающихся характером поляризации излучаемых и принимаемых радиоволн, при этом радиолокационные изображения и геометрия поверхности рельса получаются следующим образом: в декартовой системе координат OXYZ, у которой плоскость XOY расположена параллельно полотну железной дороги, а ось Z направлена вниз, в плоскости z=0 регистрируются и сохраняются в виде массива комплексных чисел квадратурные выборки радиолокационного сигнала (радиоголограмма) Е(x, y, ƒ), где ƒ - частота зондирующего сигнала, изменяющаяся в диапазоне от ƒ до ƒ, а действительная и мнимая части соответствуют синфазной и квадратурной компонентам сигнала соответственно, поверхность катания рельса при этом находится в плоскости с координатой z=z, затем методом обратного распространения с использованием быстрого преобразования Фурье выполняется восстановление радиоголограммы:
где
0
Q(x, y, z)  - массив восстановленных данных, каждый элемент которого характеризует комплексный коэффициент отражения объекта, а координата z отсчитывается от положения z;
2D
FT и  обозначают двумерное прямое и трехмерное обратное быстрые преобразования Фурье соответственно;
k=2πƒ/c - волновое число;
с - скорость света;
x
y
a
0
k и k - проекции волнового вектора на соответствующие оси, где абсолютное значение величины Q, вычисленное в точке z=z-z, принимается в качестве радиолокационного изображения объекта;
n
a
0
из множества дискретных значений z, определяемых обратным трехмерным быстрым преобразованием Фурье в формуле (4), выбирается z, ближайшее к z=z; в каждой точке (x, y, z) вычисляется остаточная фаза Ф(х, у) с использованием выражения:
n
вычисляется расстояние, соответствующее высоте профиля поверхности рельса относительно уровня z согласно выражению:
где
unwrap - процедура двумерного развертывания фазы, заключающаяся в добавлении угла 2π соответствующей кратности в местах скачков фазы при достижении полного периода арктангенса.
5. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.
На фиг. 1 представлена геометрия расположения антенн, где 1 - радиолокатор, 2 - антенная система; 3 - рельс. Антенны образуют антенную решетку и располагаются над поверхностью рельса по обе его стороны, каждая антенна коммутируется электронным способом. Двумерная синтезированная апертура радиолокационной системы образуется за счет перемещения антенной решетки вдоль рельса и электронной коммутации антенн в перпендикулярном направлении.
Для технической реализации способа был изготовлен действующий макет радиолокационной системы (фиг. 2), состоящий из двухкоординатного электромеханического сканера и радиолокатора с непрерывным зондирующим сигналом с переключением частоты в диапазоне от 22,2 до 2 6,2 ГГц. В радиолокаторе (фиг. 3) используются два приемных канала, отличающихся направлением принимаемой линейной поляризации излучения по отношению к излучаемой поляризации. Одна из двух приемных антенн принимает в такой же поляризации, как и передающая антенна, другая приемная антенна принимает в перпендикулярной поляризации. Радиолокатор имеет квадратурный приемник, что позволяет измерять фазу отраженного сигнала по двум приемным каналам во взаимно ортогональных линейных поляризациях.
Использование антенн в виде открытого конца волновода позволяет сформировать широкую диаграмму направленности, которая увеличивает эффективный размер синтезированной апертуры.
Измерение отраженного сигнала в различных точках пространства над рельсом производится с использованием механического сканирования. Механическое перемещение антенн позволяет получить данные, аналогичные данным, которые могут быть получены с использованием электронно-коммутируемой антенной решетки, но с минимальными производственными затратами.
Радиолокатор и двухкоординатный сканер управляются с помощью микроконтроллерного устройства, которое соединяется с персональным компьютером. В ходе эксперимента собираются отсчеты радиолокационного сигнала в программируемых положениях координатного стола с фрагментом рельса с дефектами (фиг. 4) на задаваемой сетке дискретных частот в пределах рабочего диапазона радиолокатора. Отсчеты радиолокационного сигнала передаются в ПК для обработки с использованием приведенного алгоритма обработки сигнала. В результате обработки многочастотного радиолокационного сигнала получаются радиолокационные изображения поверхности катания рельса (фиг. 5), а также геометрия поверхности катания рельса (фиг. 6). На фиг. 6 приведены результаты сравнения профилей поверхности катания рельса, построенных вдоль осевой линии рельса, полученных с использованием радиолокационных (пунктирные линии) и контактных измерений с помощью глубиномера штангенциркуля (сплошные линии). Данные радиолокационных и контактных измерений хорошо совпадают в пределах погрешностей измерений. На фиг. 6а направление излучаемой и принимаемой поляризации совпадают и направлены вдоль рельса, на фиг. 6б направление излучаемой поляризации поперек рельса, принимаемой поляризации - вдоль рельса.