一种基于分段SAFE的道岔尖轨超声导波损伤成像方法

本发明涉及铁路轨道无损检测，尤其涉及一种基于分段safe的道岔尖轨超声导波损伤成像方法。

背景技术：

1、铁路轨道，尤其是道岔区的尖轨，因其复杂的几何结构和承受的剧烈动力载荷，是疲劳损伤与内部缺陷的高发区域。传统的人工敲击检查或局部探伤方法效率低下、可靠性不足，且难以实现内部损伤的量化评估与精确定位。

2、现有技术中，出现了多种基于自动化检测车的轨道综合检测方案。例如，在中国发明专利cn120314456a公开了一种多模态传感器协同检测的方法。采用图像与超声脉冲回波技术，实现了对标准直线轨道表面及近表面缺陷的综合检测。然而，该方案存在明显局限性：其一，其超声检测基于传统的垂直入射脉冲回波原理，检测范围局限在探头下方局部区域，无法利用导波进行大范围监测；其二，该方法并未考虑也无法处理超声导波在变截面复杂波导（如尖轨）中传播时必然产生的多模态、强频散及模态转换等关键物理问题。若将此类通用方法直接应用于尖轨，会导致损伤信号湮没、定位失效，无法实现有效的内部损伤成像与精确定位。因此，亟待一种能够专门针对道岔尖轨的变截面特性，实现其内部损伤高精度定位与可视化成像的专用方法。

技术实现思路

1、本发明的主要目的是提供一种基于分段safe的道岔尖轨超声导波损伤成像方法，旨在解决现有通用检测技术无法对连续变截面的道岔尖轨实现内部损伤精确定位与成像的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供一种基于分段safe的道岔尖轨超声导波损伤成像方法，所述方法包括以下步骤：

3、步骤1、信号采集：在道岔尖轨表面布置传感器阵列，激励并接收超声导波信号；

4、步骤2、分段建模与模态分析：依据所述道岔尖轨的几何轮廓，将其沿纵向划分为多个分段；根据每个分段建立其横截面的半解析有限元模型，计算超声导波在该分段传播的模态参数，所述模态参数包括群速度与位移振型；

5、步骤3、目标模态追踪：基于步骤2得到的各分段模态参数，通过比较相邻分段间模态的振型相似性，追踪同一物理模态在所述道岔尖轨全长范围内的传播轨迹，并从中筛选出目标模态；

6、步骤4、损伤指数计算：针对每一激励-接收传感器路径，依据所述目标模态在路径所涉各分段的群速度，计算其理论到达时间，并以此为中心构造模式相关时间窗；提取该时间窗内的信号并计算损伤指数；

7、步骤5、概率成像与优化：基于所有传感器路径的损伤指数及其几何关系，采用概率成像算法重构损伤概率分布图；其中，在成像过程中，依据所述道岔尖轨的几何特征对损伤指数进行路径扩散补偿，并对成像算法的空间权重函数进行沿尖轨纵向的分段归一化处理。

8、可选地，在步骤2中，所述分段的划分原则是：确保每个分段内的横截面形状变化小于预设阈值，使得以该分段内一代表截面进行半解析有限元分析时，所引入的模态参数误差在允许范围内。

9、可选地，在步骤3中，筛选所述目标模态的条件为所述目标模态的位移振型在预设的目标检测区域内的幅值分量或应变能量密度高于第一预设阈值；且所述目标模态在被追踪的尖轨全长范围内，其群速度的最大值与最小值之差，相对于其群速度平均值的百分比低于第二预设阈值。

10、可选地，在步骤4中，所述构造模式相关时间窗的具体方法为：以所述理论到达时间为中点，选取一时间区间，且区间的宽度被配置为能够覆盖所述目标模态波包在时域中的主要能量分布

11、可选地，在步骤4中，计算所述损伤指数的方法为：计算所述模式相关时间窗内，当前检测信号与基准信号之间的相关系数或信号差分值。

12、可选地，在步骤5中，所述路径扩散补偿系数是用于校正因所述道岔尖轨特定几何结构导致的不同超声导波传播路径响应差异的参量，其具体数值或模型基于所述尖轨的几何与传播特性预先确定。

13、可选地，在步骤5中，所述对空间权重函数进行分段归一化处理是指：将所述道岔尖轨的成像区域沿纵向划分为若干个子段，在每个子段内，分别对所有传感器路径至该子段内各像素点的空间权重进行归一化，使每个子段内的权重和为一恒定值

14、可选地，在步骤5中，所述概率成像算法为椭圆定位算法或rapid算法。

15、此外，为了实现上述目的，本发明还提供一种基于分段safe的道岔尖轨超声导波损伤成像系统，用于实现上述任一项所述的方法，所述系统包括：

16、信号采集模块，用于在道岔尖轨表面布置传感器阵列，激励并接收超声导波信号；

17、建模与分析模块，用于依据所述道岔尖轨的几何轮廓，将其沿纵向划分为多个分段；并针对每个分段，建立其横截面的半解析有限元模型，计算超声导波在该分段传播的模态参数；

18、模态追踪模块，用于基于各分段模态参数，通过比较相邻分段间模态的振型相似性，追踪同一物理模态在所述道岔尖轨全长范围内的传播轨迹，并从中筛选出目标模态；

19、损伤指数计算模块，用于针对每一激励-接收传感器路径，依据所述目标模态在路径所涉各分段的群速度，计算其理论到达时间并构造模式相关时间窗，进而计算损伤指数；

20、成像优化模块，用于基于所有传感器路径的损伤指数及其几何关系，采用概率成像算法重构损伤概率分布图，并在成像过程中执行路径扩散补偿与空间权重函数的分段归一化处理。

21、此外，为了实现上述目的，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如上述任一项所述的方法。

22、有益效果：

23、（1）本发明采用“分段近似”策略和safe方法，首次实现了对连续变截面道岔尖轨这一特殊波导结构中超声导波传播特性的高精度、参数化描述，攻克了现有通用方法无法应对的建模与分析难题。

24、（2）通过构造与目标模态精确对应的“模式相关时间窗”，能够从包含多模态混叠、边界反射及环境噪声的原始信号中，纯净地提取出对损伤敏感的模态成分。这种针对性的信号提取方式，极大地抑制了干扰，使得计算出的损伤指数（di）更能真实反映损伤的存在与程度，大幅降低了漏报和误报的风险。显著提升了损伤指数的信噪比和可靠性。

25、（3）针对尖轨特殊的几何结构（如边缘倒角、狭长监测区域），创新性地引入了“路径扩散补偿”和“权重函数分段归一化”后处理步骤。前者校正了因几何不对称导致的各传播路径响应不均衡问题；后者增强了成像在纵向的对比度。两者结合，使得最终生成的损伤概率成像图定位更准确，对相邻损伤的分辨能力更强，成像结果更清晰、稳定。

26、（4）本发明提供了一套从波导物理建模、信号处理到成像优化的完整技术链条，各步骤环环相扣，形成了一套专用于道岔尖轨内部损伤高精度成像的一体化解决方案，具有重要的工程应用价值。

1.一种基于分段safe的道岔尖轨超声导波损伤成像方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤2中，所述分段的划分原则是：确保每个分段内的横截面形状变化小于预设阈值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤3中，筛选所述目标模态的条件为所述目标模态的位移振型在预设的目标检测区域内的幅值分量或应变能量密度高于第一预设阈值；且所述目标模态在被追踪的尖轨全长范围内，其群速度的最大值与最小值之差，相对于其群速度平均值的百分比低于第二预设阈值。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤4中，所述构造模式相关时间窗的具体方法为：以所述理论到达时间为中点，选取一时间区间，且区间的宽度被配置为能够覆盖所述目标模态波包在时域中的主要能量分布。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤4中，计算所述损伤指数的方法为：计算所述模式相关时间窗内，当前检测信号与基准信号之间的相关系数或信号差分值。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤5中，所述路径扩散补偿系数是用于校正因所述道岔尖轨特定几何结构导致的不同超声导波传播路径响应差异的参量，其具体数值或模型基于所述尖轨的几何与传播特性预先确定。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤5中，所述对空间权重函数进行分段归一化处理是指：将所述道岔尖轨的成像区域沿纵向划分为若干个子段，在每个子段内，分别对所有传感器路径至该子段内各像素点的空间权重进行归一化，使每个子段内的权重和为一恒定值。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤5中，所述概率成像算法为椭圆定位算法或rapid算法。

9.一种基于分段safe的道岔尖轨超声导波损伤成像系统，用于实现如权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述系统包括：

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1至8中任一项所述的方法。