高速鐵路路基表面沉降光學測量方法及應用

徐傳廷

（中鐵十四局第四工程有限公司，濟南250000）

1 引言

高鐵速度快、安全性好、舒適度高，在世界各國都得到了快速發展。為了能夠確保高鐵行車的平穩安全運行，其建設所需的標準要遠高于普通的鐵路，確保軌道具有持久穩定的高平順性。而小的沉降以及好穩定性的路基則是保證軌道平順性的前提條件。所以需要對路基的沉降進行監測，一方面來為路基的養護提供相應的依據，另一方面通過對路基沉降規律的研究來控制或者減緩沉降的速度[1]。路基在施工之后的沉降主要是由填土壓密、行車荷載以及地基自重產生的路基工后沉降幾個方面組成的。路基表面沉降監測的技術大體上可以劃分為傳統土木監測技術、光學測量技術、GPS技術以及雷達差分干涉測量技術[2]。

2 路基表面沉降光學測量方案設計

2.1 單點路基表面沉降測量裝置的設計與實現

2.1.1 單點路基表面沉降裝置設計

單點路基表面沉降裝置主要可以劃分為3部分，分別為光學成像、信號接收與處理、數據通信，其具體的框圖如圖1所示。

圖1 單點路基表面沉降測量裝置具體框圖

2.1.2 路基表面沉降光學測量原理

利用光學對路基表面的沉降進行測量其裝置主要由光源、透鏡、CCD光電探測器等組成。光學測量的原理是在沉降監測樁上設置點光源，而監測樁通常又會埋在路基的表面處，一旦路基發生了沉降，監測樁也就會隨之發生沉降，同時光點就會發生相應的位移。通常將透鏡以及CCD光電探測器共同組合成為測量裝置，并將其設置在沉降量可以忽略不計的地方作為基點，確保監測的可靠性[3]。根據圖2可以得出其中，h為路基的沉降量也就是點光源所產生的位移值，h′為點光源在光電探測器上的像點位移值，d為點光源與成像透鏡中心的水平距離，d′為像敏面與像透鏡中心的水平距離。根據公式可以看出沉降值與物距和像距有著很大的關系，雖然可以通過CCD能夠將h′的數值計算出，但是物距和像距的準確數據卻難以測量。

圖2 基于CCD的光學測量原理圖

基于雙點光源的路基表面沉降測量裝置主要是由點光源組合以及測量部分所組成，如圖3所示。點光源之間的間距為s，像點間距為s′，則路基表面沉降公式可以表示為，通過2個點光源的成像比例技術能夠有效地避免測量物距與像距之間的誤差，系統的精度也得以提高。

圖3 路基表面沉降光學測量原理圖

2.1.3 CCD光斑中心提取算法

測量裝置通過確定LED在線陣CCD上成像光斑的中心來測量被測點的沉降值，但是在測量的過程中由于各方面因素的影響，使得CCD所采集到的光斑信號呈現出光強分布不均勻的情況，需要采取合適的算法來精確定位光斑中心的位置。目前，常用的算法主要包括了中心法、傳統質心法以及加權質心法。CCD光斑中心定位算法對比見表1。

表1 CCD光斑中心定位算法對比

2.2 多點監測方案設計

2.2.1 多點組網測量

多點組網測量是在待測的路基沿線設置多個表面沉降單點測量裝置，然后將這些單點測量裝置進行串聯。該測量方案的穩定性較好、精度高，體積小而且方便安裝，能夠在較長的路基上進行連續的監測。但是由于各個測量點之間的關聯性較大，其中一點的問題都會對之后的測量產生干擾，產生累積誤差[4]。

2.2.2 旋轉掃描測量

旋轉掃描測量是在被測的路基之上設置多個監測樁，在不發生沉降的地方設置旋轉臺。該方案能夠將信號處理部分與無線網絡搭建部分進行簡化，由于各個測點時相互獨立的，因而并不會因為其中某一個測點的問題而對其他的測點產生影響。但是該方案在旋轉時高精度的基準面難以保證，也就導致了測量的誤差也沒辦法進行有效的控制；且該方案的耗電量較大，在無交流電的環境下，該方案不太適用。

2.2.3 點對點同時測量

點對點的測量方案是將單點路基沉降測量方法進行了擴展，多個探測器能夠共用同一個無線模塊，此外對于各個測點之間并無關聯性，并不會由于一個測點的問題而對其他測點產生影響。但是該方案的裝置體積較大，施工的難度和成本均會隨之增加，此外熱脹冷縮也會產生較大的影響，導致其精度會有所下降。

3 路基表面沉降監測系統的實際應用

3.1 實際應用中的注意事項

為了能夠對鐵路路基的動應力特性、位移、沉降變形等參量進行監測，在關鍵路基斷面處埋設傳感元件就地安裝采集設備，通過采用無線、遠程的自動傳輸方法，將所采集的信息先經過簡單的后處理之后再傳至監測中心進行分析處理。對于該路線由于處于野外，其環境條件相對較為惡劣，為了能夠保證長期穩定的監測，需要解決電磁干擾對數據傳輸所造成的影響，以及長期監測中電池供電的問題。在路基表面的監測點與總控板之間采用無線模塊的通信技術。待完成了傳感器的安裝和調試，之后就需要進入標定階段，確定出物方與像方之間的比例關系。為了能夠評價表面沉降測量裝置的工作穩定性，需要在調試完畢之后選擇一段時間進行不間斷的多次測量，并對傳感器本身系統誤差以及隨機誤差進行修正。

3.2 影響系統可靠性的主要因素及解決措施

3.2.1 系統自身影響

元器件的安裝容易影響反射鏡座，造成俯仰、偏擺等角度誤差，會對光路產生一定的影響。此外光源也會造成一定的影響，點光源在CCD光敏面上的成像很小，倘若CCD與光源之間發生了相對的橫向移動，也極有可能會使得像點出現在CCD光敏面的正中。傳感器裝置各部分材料的線脹系數會有所不同，當溫度發生變化時，會導致其尺寸發生不同的變化，同時又由于大氣環境干濕的變化影響，也就會導致之前緊密結合的地方出現差異性變形，對測量的結果產生一定的影響。濾片在理論上應當為平板玻璃，而實際中濾波片通常存在著一定的曲率半徑，會對成像透鏡所計算出的像距造成影響，所以在光路設計以及機械的加工中需要選擇高精度的濾波片。

3.2.2 大氣衰減和湍流

光波在大氣中傳播的過程，由于氣體分子以及溶膠的吸收與消散均會衰減光束的能量，也就會導致CCD的信號強度會有所減弱。所以光波的傳輸距離越長，對其造成的影響也就會越嚴重。其中水和二氧化碳分子是造成大氣光學衰減的重要因素。而大氣湍流會導致空氣折射率產生隨機的變化，進而導致出現光束彎曲以及光強起伏的現象，對光學成像的質量也會產生影響。在鐵路中，當列車迅速通過時，會造成路基的振動以及空氣的擾動，尤其是面臨兩車相向通過時，該現象會加劇，造成CCD探測出的光強不夠穩定而出現像點位置的抖動。所以需要判斷出列車經過的時間，對列車經過時的測量數據進行剔除，避免該類數據對沉降信息造成錯誤的判斷。

3.2.3 太陽光影響

對于較為強烈的太陽光，碎石會產生一定的反射，如果反射的太陽光進入光學的成像系統當中，就會對成像的質量產生一定的影響，加大了背景光干擾。此外，部分陽光還會直接照射到監測裝置的成像系統之中，大大降低了系統的信噪比。所以在測量的過程中應當盡可能地避免在背景光較強、空氣干擾較大的情況下進行數據的采集。需要適當地在光路中增加濾波片，或者在夜間進行數據的采集和分析，來提高數據的準確性。

4 結語

綜上，高鐵路基的沉降監測有著至關重要的作用。高鐵高速行駛的特性要求高鐵的軌道必須具有持久穩定的高平順性，高鐵路基的各種不均勻沉降等都會嚴重影響車輛振動，對列車的平穩性、安全性以及舒適性造成影響。通過對沉降的監測來研究分析路基的沉降規律，進而實現對路基沉降的預測以及控制，從而達到減小沉降的目的。本文著重對光學沉降測量技術展開了分析，闡述了單點路基表面沉降裝置設計、路基表面沉降光學測量原理、CCD光斑中心提取算法以及多點監測方案設計。并從系統自身影響、大氣衰減和湍流以及太陽光影響3個方面分析了影響光學沉降測量系統可靠性的主要因素及解決措施。