高速铁路路基表面沉降光学测量方法及应用

徐传廷

（中铁十四局第四工程有限公司，济南250000）

1 引言

高铁速度快、安全性好、舒适度高，在世界各国都得到了快速发展。为了能够确保高铁行车的平稳安全运行，其建设所需的标准要远高于普通的铁路，确保轨道具有持久稳定的高平顺性。而小的沉降以及好稳定性的路基则是保证轨道平顺性的前提条件。所以需要对路基的沉降进行监测，一方面来为路基的养护提供相应的依据，另一方面通过对路基沉降规律的研究来控制或者减缓沉降的速度[1]。路基在施工之后的沉降主要是由填土压密、行车荷载以及地基自重产生的路基工后沉降几个方面组成的。路基表面沉降监测的技术大体上可以划分为传统土木监测技术、光学测量技术、GPS技术以及雷达差分干涉测量技术[2]。

2 路基表面沉降光学测量方案设计

2.1 单点路基表面沉降测量装置的设计与实现

2.1.1 单点路基表面沉降装置设计

单点路基表面沉降装置主要可以划分为3部分，分别为光学成像、信号接收与处理、数据通信，其具体的框图如图1所示。

图1 单点路基表面沉降测量装置具体框图

2.1.2 路基表面沉降光学测量原理

利用光学对路基表面的沉降进行测量其装置主要由光源、透镜、CCD光电探测器等组成。光学测量的原理是在沉降监测桩上设置点光源，而监测桩通常又会埋在路基的表面处，一旦路基发生了沉降，监测桩也就会随之发生沉降，同时光点就会发生相应的位移。通常将透镜以及CCD光电探测器共同组合成为测量装置，并将其设置在沉降量可以忽略不计的地方作为基点，确保监测的可靠性[3]。根据图2可以得出其中，h为路基的沉降量也就是点光源所产生的位移值，h′为点光源在光电探测器上的像点位移值，d为点光源与成像透镜中心的水平距离，d′为像敏面与像透镜中心的水平距离。根据公式可以看出沉降值与物距和像距有着很大的关系，虽然可以通过CCD能够将h′的数值计算出，但是物距和像距的准确数据却难以测量。

图2 基于CCD的光学测量原理图

基于双点光源的路基表面沉降测量装置主要是由点光源组合以及测量部分所组成，如图3所示。点光源之间的间距为s，像点间距为s′，则路基表面沉降公式可以表示为，通过2个点光源的成像比例技术能够有效地避免测量物距与像距之间的误差，系统的精度也得以提高。

图3 路基表面沉降光学测量原理图

2.1.3 CCD光斑中心提取算法

测量装置通过确定LED在线阵CCD上成像光斑的中心来测量被测点的沉降值，但是在测量的过程中由于各方面因素的影响，使得CCD所采集到的光斑信号呈现出光强分布不均匀的情况，需要采取合适的算法来精确定位光斑中心的位置。目前，常用的算法主要包括了中心法、传统质心法以及加权质心法。CCD光斑中心定位算法对比见表1。

表1 CCD光斑中心定位算法对比

2.2 多点监测方案设计

2.2.1 多点组网测量

多点组网测量是在待测的路基沿线设置多个表面沉降单点测量装置，然后将这些单点测量装置进行串联。该测量方案的稳定性较好、精度高，体积小而且方便安装，能够在较长的路基上进行连续的监测。但是由于各个测量点之间的关联性较大，其中一点的问题都会对之后的测量产生干扰，产生累积误差[4]。

2.2.2 旋转扫描测量

旋转扫描测量是在被测的路基之上设置多个监测桩，在不发生沉降的地方设置旋转台。该方案能够将信号处理部分与无线网络搭建部分进行简化，由于各个测点时相互独立的，因而并不会因为其中某一个测点的问题而对其他的测点产生影响。但是该方案在旋转时高精度的基准面难以保证，也就导致了测量的误差也没办法进行有效的控制；且该方案的耗电量较大，在无交流电的环境下，该方案不太适用。

2.2.3 点对点同时测量

点对点的测量方案是将单点路基沉降测量方法进行了扩展，多个探测器能够共用同一个无线模块，此外对于各个测点之间并无关联性，并不会由于一个测点的问题而对其他测点产生影响。但是该方案的装置体积较大，施工的难度和成本均会随之增加，此外热胀冷缩也会产生较大的影响，导致其精度会有所下降。

3 路基表面沉降监测系统的实际应用

3.1 实际应用中的注意事项

为了能够对铁路路基的动应力特性、位移、沉降变形等参量进行监测，在关键路基断面处埋设传感元件就地安装采集设备，通过采用无线、远程的自动传输方法，将所采集的信息先经过简单的后处理之后再传至监测中心进行分析处理。对于该路线由于处于野外，其环境条件相对较为恶劣，为了能够保证长期稳定的监测，需要解决电磁干扰对数据传输所造成的影响，以及长期监测中电池供电的问题。在路基表面的监测点与总控板之间采用无线模块的通信技术。待完成了传感器的安装和调试，之后就需要进入标定阶段，确定出物方与像方之间的比例关系。为了能够评价表面沉降测量装置的工作稳定性，需要在调试完毕之后选择一段时间进行不间断的多次测量，并对传感器本身系统误差以及随机误差进行修正。

3.2 影响系统可靠性的主要因素及解决措施

3.2.1 系统自身影响

元器件的安装容易影响反射镜座，造成俯仰、偏摆等角度误差，会对光路产生一定的影响。此外光源也会造成一定的影响，点光源在CCD光敏面上的成像很小，倘若CCD与光源之间发生了相对的横向移动，也极有可能会使得像点出现在CCD光敏面的正中。传感器装置各部分材料的线胀系数会有所不同，当温度发生变化时，会导致其尺寸发生不同的变化，同时又由于大气环境干湿的变化影响，也就会导致之前紧密结合的地方出现差异性变形，对测量的结果产生一定的影响。滤片在理论上应当为平板玻璃，而实际中滤波片通常存在着一定的曲率半径，会对成像透镜所计算出的像距造成影响，所以在光路设计以及机械的加工中需要选择高精度的滤波片。

3.2.2 大气衰减和湍流

光波在大气中传播的过程，由于气体分子以及溶胶的吸收与消散均会衰减光束的能量，也就会导致CCD的信号强度会有所减弱。所以光波的传输距离越长，对其造成的影响也就会越严重。其中水和二氧化碳分子是造成大气光学衰减的重要因素。而大气湍流会导致空气折射率产生随机的变化，进而导致出现光束弯曲以及光强起伏的现象，对光学成像的质量也会产生影响。在铁路中，当列车迅速通过时，会造成路基的振动以及空气的扰动，尤其是面临两车相向通过时，该现象会加剧，造成CCD探测出的光强不够稳定而出现像点位置的抖动。所以需要判断出列车经过的时间，对列车经过时的测量数据进行剔除，避免该类数据对沉降信息造成错误的判断。

3.2.3 太阳光影响

对于较为强烈的太阳光，碎石会产生一定的反射，如果反射的太阳光进入光学的成像系统当中，就会对成像的质量产生一定的影响，加大了背景光干扰。此外，部分阳光还会直接照射到监测装置的成像系统之中，大大降低了系统的信噪比。所以在测量的过程中应当尽可能地避免在背景光较强、空气干扰较大的情况下进行数据的采集。需要适当地在光路中增加滤波片，或者在夜间进行数据的采集和分析，来提高数据的准确性。

4 结语

综上，高铁路基的沉降监测有着至关重要的作用。高铁高速行驶的特性要求高铁的轨道必须具有持久稳定的高平顺性，高铁路基的各种不均匀沉降等都会严重影响车辆振动，对列车的平稳性、安全性以及舒适性造成影响。通过对沉降的监测来研究分析路基的沉降规律，进而实现对路基沉降的预测以及控制，从而达到减小沉降的目的。本文着重对光学沉降测量技术展开了分析，阐述了单点路基表面沉降装置设计、路基表面沉降光学测量原理、CCD光斑中心提取算法以及多点监测方案设计。并从系统自身影响、大气衰减和湍流以及太阳光影响3个方面分析了影响光学沉降测量系统可靠性的主要因素及解决措施。