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摘要：大型钢轨探伤车普遍采用超声波检测钢轨内部疲劳伤损，检测系统一般采用A型显示和B型显示两种图形窗口用以判伤。目前，A型显示因为通道多、数据量大，所以只进行显示而不保存。而A型显示包含很多有用的信息，如不保存则只能作为检测作业时的参考，不能作为B型显示数据回放时的参考，将影响伤损判别。因此，开展了钢轨探伤作业数据显示和存储技术研究，将A型显示数据压缩存储，通过脉冲同步触发实现了B型显示与A型显示的点对点同步回放，填补了国内大型钢轨探伤车在A/B同显技术领域的空白。

关键词：A显；B显；大数据压缩；同步显示

中图分类号：TP751

Abstract：Ultrasonic detection is widely used in large rail flaw detection vehicle to detect the internal fatigue damage of rail， and the detection system generally uses A Scan and B Scan to judge the damage.At present， system only displays but does not save A Scan because of many channels and large amount of data.However， A Scan contains a lot of useful information， if A Scan can not be saved， it can only be used as a reference for the detection operation and can not be used as a reference for B-Scan playback， which will affect flaw identification.Therefore， research on rail flaw detection data display and storage is performed， A Scan data is compressed and saved， B Scan and A Scan synchronous playback is realized through pulse synchronous triggering， which filling the gap of A/B Scan synchronous display technology of domestic large rail flaw detection vehicle.

Keywords： A Scan， B Scan， Mass data compression， Synchronous display

引言

钢轨在长期的服役过程中，容易产生各种类型的疲劳伤损，根据伤损的分布位置情况大致可以分为钢轨表面伤损（如鱼鳞纹、剥离掉块、压痕等），轨头伤损（如核伤），轨腰伤损（螺孔裂纹、轨端水平裂纹等），轨底伤损（如轨底月牙伤等）。

大型高速钢轨探伤车是用来检测钢轨疲劳伤损的专用设备，对保证铁路安全起到越来越重要的作用，传统的检测系统均采用超声波检测的形式。目前基于超声波检测技术的钢轨探伤车最高检测速度已达到80km/h，但其采用的超声检测系统的不足逐渐凸现出来。钢轨探伤A型显示（以下简称A显）窗口为示波器显示，探伤车作业时示波器数量有限，一次最多显示8个通道的超声A显信号，无法全部显示，且切换通道时，切换界面在探伤主软件窗口，与示波器分离，操作不方便；A显信号对自动增益控制和伤损判定起到很重要的作用，比如可通过A显数据中草状波的幅度大小，实现自动增益控制；可通过出波顺序判定是正常的螺孔还是螺孔裂纹，螺孔上下裂出波时，A显中下裂是前 37°通道先下裂波消失紧跟着出孔波，上裂是孔波消失紧跟着出上裂波，后 37°通道反之亦然。A显信号不能实时存储，则不能用作回放时的参考，影响伤损判别。为克服上述不足，开展了钢轨探伤作业数据显示和存储技术研究，实现B型显示（以下简称B显）与A显的同步及A显的实时存储，弥补了原有技术的缺陷，填补了国内大型钢轨探伤车在A/B同显技术领域的空白。

1大型钢轨探伤车图形化显示

大型钢轨探伤车基于超声反射原理，高压激励脉冲激发超声波探轮晶片，产生超声波经过探轮液、轮膜、耦合液层入射钢轨，不同角度的超声晶片在钢轨中传播路径不一样，可探测的钢轨区域不同，见图1 。超声波在钢轨内传播，遇到反射体则返回，如伤损、螺孔、轨底等。返回的超声回波信号经过数字信号处理形成A显和B显，通过A显和B显两个界面的图形化特征判定伤损，B显波形见图2，B显窗口包含弹出窗口和进程窗口。晶片角度不同对应的A显通道不同，A显包含超声激励波、界面波闸门、监视闸门、超声回波、底波闸门等。目前国内探伤车A显与B显分开，且A显因为通道多，存储数据巨大，所以只能实时显示，不能保存。但A显中却包含很多有价值的信息，例如：回波信号的幅值，激励信号是否有拖尾，对中是否良好、探轮耦合液是否充足、是否破轮等具有重要意义，如不能保存这些有用信息，A显只能作为检测作业时的参考，而不能作为探伤车回放人员进行伤损B显数据回放时的参考，影响伤损判定的精度，增加误报率。为了改变这种现状，开发了钢轨探伤作业数据显示和存储技术，将A显数据压缩，有效保存所有通道的A显有效信息，并可与B显同步以供回放时调取。钢轨探伤车检测系统0度晶片A显界面及激励触发脉冲波形见下图3 ，图中上半部分为0度晶片单通道波形，包括起始波、界面波及界面波闸门、监视闸门、轨底闸门，单个周期的有效区间为Se区间，单个周期时域长为Se和Sm的和，Sm、激励信号与始脉冲、闸门之间的区域被称为“死区”。每个周期的超声A显信号对应一个触发信号，图中下半部分对应触发信号。

1.1钢轨探伤作业数据采集及处理

钢轨探伤作业数据通过系统多通道回放处理板中现场可编程逻辑门阵列（FPGA）采集及处理，通过总线传输至实时控制器。采集的回波信号只考虑其信号的包络，因为只有回波信号的幅值、闸门对应宽度区域、激励波信号形态对实际伤损检测有参考意义，所以数据采样频率取回波信号最高频率5～10倍即可。

A显数据采集处理流程如图4 所示，FPGA接收到超声检测系统发送的触发信号后，在触发信号下降沿开始对回波信号进行A/D采集，采集区间至对应通道最后一个有效闸门截止为止，可以根据对应通道探测区域的声程来确定该时域区间长度，通过计数器来控制采样的区间，实现分段采样。同时读取此刻编码器脉冲计数值，与采样数据组合成固定格式的数据并保存到FIFO中， 当一个周期数据采集完成后，通过DMA传输方式， 将FIFO中的回波数据传至实时控制器中， 进行处理和显示。FIFO中数据按一定的格式进行设置， 例如每个数据预设8位，回波数据最大值设为255等。上位机软件对传送到实时控制器内的数据进行降帧重选取、里程解释，最后在屏幕上进行显示，压缩过的A显数据同时存储在大容量的固态硬盘当中。

1.2 A型/B型显示

大型钢轨探伤车的B显根据里程的累加或累减进行显示，因此A显与B显保持同步，只能通过里程的方式来调用。且A显波形显示应与示波器相同，可进行幅度、时间刻度的调节，以满足不同需求的显示效果，因此采用虚拟示波器的方式来实现，上位机A显界面如图5所示。A显界面可对30个通道进行切换选择，根据屏幕数量及尺寸，一次可显示多个通道。

1.3 A显信号与里程同步

通过对编码器输入脉冲进行计数，某时刻计数值乘以钢轨的几何分辨率（1.6mm）即为该时刻对应的里程值。同时在系统启动时需设置起始里程，大型钢轨探伤车根据速度等级将超声信号激发重复频率设置在不同的区间，速度越慢其重复频率越低。以触发脉冲下降沿作为单个激励周期的起始，此时读入计数器的里程计数值，实现了与超声信号采样的同步，该计数值与此周期内采样的A显有效数据按照一定格式打包，经过FIFO缓存后通过DMA方式传送到实时控制器中，将里程计数值与编码器单个脉冲对应的物理尺寸相乘再加上作业起始里程值即为该处里程值。同时在FPGA处理卡中配备RS232接口，以接收串口传送过来的外部校准里程，例如射频标签里程、GPS换算后的里程、小键盘里程等，一旦接收到校准里程，则里程计数值在该校准里程基础上进行累计。探伤车触发信号、A显、编码器脉冲时序图如图6 所示。

1.4 A显数据处理

根据钢轨的外形、尺寸、高度、重量及材质的不同，目前国内钢轨型号分38kg/m、43kg/m、50kg/m、60kg/m、75kg/m五种，常用的为50kg/m、60kg/m、75kg/m三种，尤以60kg/m使用最多。75kg/m外形尺寸最大，对应的回波声程也最长，因此其单个周期内有效信号区间最长。

为避免相邻两次超声波发射周期之间产生干扰，超声波换能器连续发射时，最小发射间隔时间应以从超声发射到反射接收的最大传播声程周期为准，对需要用到二次波的，应以接收到反射的二次波时间为准。以75轨作为衡量标准，计算75轨最大声程则可得超声波发射的最大重复频率。根据钢轨尺寸，结合声束传播角度及声速，计算可得各种角度的晶片声程，即传播时间，如表1所示。

从表中可知，中心70°的传播声程最长，但70°方向的换能器主要探测轨头核伤和钢轨焊接接头头部的夹渣、气孔和裂纹等，在实际检测中，中心70°方向在60轨中的监视闸门长度最大约为100µS，一周期内最大有效总时间约为210µS，因此实际上制约重复发射最小周期的因素为偏斜70°方向的最大有效总时间。由上述可知，对尺寸最大的75轨而言其最大的有效信号区间为307us，因此单个周期最大的有效采样区间即为307us。

对实际钢轨探伤A显信号进行频谱分析，除闸门上升沿外，有效信号最高频率为2.1MHz， 根据采样定律，采样频率至少要达到被采信号最高频率的2倍以上，才能保证信号不失真，如果要使重建后的信号完整准确，则采样频率需达到被采信号最高频率的5～10倍以上，所以选用20M/s采样率的进行采集。若不进行数据压缩处理，则30个通道每秒需存储600M的信号量，而需要存储连续几百小时检测作业的A显数据，则数据量巨大。

每次下降沿触发后间隔几个µs即启动1个周期的A显周期，虽然超声信号的重复频率在不同速度等级下变化，即显示周期会根据车速而变化，但信号的有效区间只包括超声激励信号至最后一个闸门信号的这段区间，且同一通道信号有效区间基本不变，故针对不同通道可以只采样有效数据区间。根据前文所述，所有轨型中最大的有效采样区间为307us，因此在低速情况下只采样有效信号区间可降低2/3数据量，在速度提高的情况下单个周期会变短，但依然要大于有效采样区间。

经过采样的数据被写入数据缓存器中，系统读入当下周期的里程计数，再通过DMA方式直接发送数据到实时控制器内存，此时可以进行二次数据压缩。有效信号中除激励信号和回波脉冲信号外，闸门区域的信号电平趋平，且闸门两端的电平会在基准电平的基础上进行跳变，而闸门重构时，只需要闸门两端采样点及闸门内回波信号脉冲采样点即可重构闸门区域的A显。回波脉冲中对探伤最重要的是其尖峰和脉宽，前面采用20M/s采样率是为了采样其脉冲含高频成分的前沿，而对最终的显示重构而言，只需要其尖峰值及左右数点即可进行拟合重构，因此在缓存中进行数据选取时分段取采样点，这样可成几个数量级缩减数据存储量。

通过以上方式既可以降低存储量，同时又不影响有效A显信号的重构显示。

数据经过压缩后存储，因为其采样数据中包含里程信息，所以回放时基于里程进行播放。需要调取某个特定里程A显数据时，只需将里程轴拉到此位置或直接用里程对话框的形式查找。

1.5数据传输与压缩存储计算

超声回波数字化之后的信号进入多通道回波处理板，提取A显和B显数据，其中最主要的数据量是A显信号。系统传输数据流如图7，A显信号波形经过降帧处理发送到主控制器，由主控制器上传到上位机，用于在上位机对A显信号波形进行实时显示。由于全部A显信号波形的数据量（高速时最大900MB/s）超过千兆以太网的带宽，同时显示效果受限于显示器的采集频率和刷新频率，因此每秒只上传300帧A显数据用于显示，采用峰值保持方法将数据量从4000帧每秒降到300帧每秒，降帧可满足主控制器往上位机上传的要求。在主控制器压缩数据后写入到SSD硬盘中存储，对A显信号进行压缩可获得5倍的压缩率。传输节点间的A显信号的数据量和带宽估计见表2。

为了在有限的存储空间情况下保存A显，需要对所有通道的A显数据进行适当的压缩并存储。压缩策略包括：

（1）没有B显数据则不对A显数据进行存储，存储可降为原来1/100左右；

（2）使用Huffman编码对信号进行进一步压缩，减少存储量，可压缩20倍。Huffman编码通过评估来源符号出现机率的方法得到变长编码表，来对源符号进行编码。当各个字符出现的频率不均时，出现频率最高的字符便可用最短的二进制码值表示，出现频率最低的字符用最长的二进制码值表示。因此，各字符出现的频率是Huffman编码的主要依据。按照每天8小时计算，配备3TB的总存储空间由以下表3计算可知可以存储347天的A显数据量。

2试验结果及分析

探伤车行车速度在60km/h-80km/h区间时，将探伤车两侧所有探轮直接升起，正常检测，此时所有30通道的超声信号通道（40多个闸门通道）都将出现伤损信息，底层硬件接近极限超声激发频率，A显数据量最大。经连续1小时验证，系统A显数据量约为0.1TB，验证了Huffman压缩方法工作的有效性。 同时A显和B显数据实现了里程脉冲点对点同步，具体见图8所示。

3结论

本文针对大型钢轨探伤车高速超声波探伤系统在A显数据显示和存储等方面存在的不足，对A显显示形式、大数据压缩存储等技术进行研究和验证，具体如下：

（1）钢轨探伤作业通过A显虚拟示波器软显示技术实现全通道切换模式；

（2）通过多级压缩实现钢轨探伤作业A显多通道数据并行采集、连续作业海量数据保存；

（3）钢轨探伤作业A显、B显数据通过同脉冲数对应方法，能根据里程同时调取同一位置的A显、B显数据在同一界面显示回放。

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