介紹了激光測距的原理及激光測距技術在城市軌道交通直線電機氣隙測量中的應用，並提出了實際測量中相關(guan) 問題的解決(jue) 方法。隨著技術的不斷發展和功能的不斷完善，激光測距技術在軌道交通領域中的應用將更加廣泛。

    目前，新型的城市軌道交通車輛采用了直線電機（LIM）牽引方式，直線電機有別於(yu) 傳(chuan) 統的旋轉電機，它將電機的定子和轉子分開布置，即定子位於(yu) 列車側(ce) ，轉子 （又稱感應板）敷設在軌道中央，在電流和磁場的作用下，定子與(yu) 轉子產(chan) 生的相互作用力使列車相對於(yu) 軌道運動，為(wei) 保證一定的牽引力、減少能耗和列車限界的要 求，直線電機的定子和轉子的距離（以下稱作氣隙）應保持在一定的範圍內(nei) ，因此氣隙日常測量維護是確保列車正常運行的重要環節，由於(yu) 氣隙測量是一個(ge) 動態測 量，且受線路長度、線路條件、直線電機電磁場幹擾強度等因素影響，實際測量難度較大，目前國內(nei) 外同行在該領域的研究仍在不斷探索中，下文簡單介紹激光測距 技術在該領域中的應用。

1 原理介紹

    20世紀90年代初，隨著半導體(ti) 激光二極管技術的開發，激光的實際應用發生了革命性的變化，半導體(ti) 激光測量器具有測量精度高、體(ti) 積小、重量輕、可靠性高、轉換效率高、功耗低、驅動電路簡單且不易受電磁場幹擾等優(you) 點開始運用於(yu) 測距領域。激光測距原理分為(wei) 3種：一是脈衝(chong) 法激光測距，測距儀(yi) 發射出的激光經被測量物體(ti) 反射後又被測。距儀(yi) 接收，測距儀(yi) 同時記錄激光往返的時間，光速和往返時間的乘積的一半就是測距儀(yi) 和被測量物體(ti) 之間的距離，脈衝(chong) 法測量距離的精度一般在±1m，適合於(yu) 測定距離較遠的物體(ti) （如建築、地質等方麵）；二是三角法激光測距（又稱結構光掃描儀(yi) ），以半導體(ti) 激光器作光源，使其產(chan) 生的光束照射被測表麵，經表麵散射（或反射）後，用麵陣CCD攝像機接收，光點在CCD像平麵上的位置將反映出表麵在法線方向上的變化，即點結構光測量原理；三是相位法激光測距，它是用無線電波段的頻率對激光束進行幅度調製並測定調製光往返測線一次所產(chan) 生的相位延遲，再根據調製光的波長，換算該相位延遲所代表的距離。相位式激光測距儀(yi) 一般應用於(yu) 精密測距。目前廣州地鐵四號線直線電機氣隙的測量主要采用三角法激光測距原理。

2 測量實施

    車輛直線電機氣隙是由車輛側(ce) 的定子和軌道側(ce) 的感應板構成，實時測量時若將測量裝置安裝在直線電機上則易受磁場幹擾和列車運行的影響，測量出來超標點在線路 中的精確定位難度較大，因此實際測量是采用分開測量的方法，即在線路中的某個(ge) 點測量所經過列車直線電機定子（相對於(yu) 軌麵）高度，另外運用移動測量設備測量 線路感應板（相對於(yu) 軌麵）高度，兩(liang) 者之差即為(wei) 直線電機氣隙值，該測量方法基本上能夠反應出全線直線電機氣隙的水平，在實際生產(chan) 運用中效果較為(wei) 理想。以下就 具體(ti) 的測量方法作一介紹。

2.1 定子高度測量
    定子高度測量是將激光測量器預埋在車輛段出入線的軌道中央（可以將測量器布置成與(yu) 感應板等高，見圖1）。采用三角法激光測距時，來自探頭的激光光束照射在 直線電機定子底麵，並形成光點，該光的一部分被反射，通過光學鏡頭到達安裝在傳(chuan) 感器內(nei) 部的CCD電荷耦合器的線性陣列（圖2）。光點在陣列中的位置根據傳(chuan) 感器與(yu) 被測表麵的距離按比例改變，內(nei) 部數據處理係統能識別出其位置並直接給出被測距離。該測量方法適用於(yu) 任何具有漫反射表麵的材料的測量，表麵反射率的變 化由集成電子儀(yi) 器加以補償(chang) 。

圖1 激光測距傳(chuan) 感器的布置圖

    係統測量時采用2套激光測距傳(chuan) 感器來實現電機底麵沿電機長度方向的2條輪廓曲線的數據采集，從(cong) 而測出在動態環境下電機定子的高度，該測量方法亦稱在線測量，它能夠真實地反映定子的高度。

圖2 三角法激光測距原理圖

    采用預埋設備的方法，係統相對固定，因此係統規模相對較大，功能也較為(wei) 齊全，係統主要包括以下部分：中央控製管理係統、探測站（數據采集及前置處理設 備）、車號自動識別裝置、標定裝置及其他輔助設備（圖3）。考慮到方便操作、經濟實惠等原則，探測站係統進行集成配置，包括多套激光測距傳(chuan) 感器、車輪傳(chuan) 感 器、主機係統、微波天線、分線箱、電纜及整體(ti) 鋼枕係統等。

 

圖3 控製結構示意圖

    整個(ge) 數據處理方法基於(yu) 一個(ge) 數字信號處理器（DSP），它自動控製激光能量和CCD陣列的曝光時間。同時應用同周期補光RSTC技術可以測量多種不同的表麵，如光亮的金屬，黑色的橡膠和粗糙的油漆麵等。
    該測量係統的優(you) 點是能夠在車輛運行時實時在線測量電機定子的高度，同時具有自動判別列車運行方向、自動測速、自動計軸、計算列車數量，並根據設定的直線電機氣隙最小值，實現故障或超限的預警、報警。缺點是係統投資規模和占地空間較大。

2.2感應板高度測量
    感應板高度測量采用高度集成化的移動測量設備（以下稱測量小車），測量小車由激光測量編碼器定距、計算機圖形處理等多種技術結合而成，測量小車走行部能夠 通過5#道岔和65m小半徑曲線以及既有的城市軌道交通任何坡度線路，且滿足鐵路限界的要求，它具有體(ti) 積小，重量輕等特點。操作者通過推動小車，便可實時 監控當前裏程對應的感應板的高度，大大提高了工作效率並降低了勞動強度。
    與(yu) 定子高度測量一樣，該係統也是采用三角法激光測距，監測儀(yi) 由2個(ge) 激光傳(chuan) 感器組成，分別測量感應板的兩(liang) 邊，通過位移傳(chuan) 感器等間距采樣並計算當前的裏程，然 後經計算機處理分析後在顯示屏上顯示實時測量結果，測量小車采樣頻率高，可達到16kHz，測量精度≥0.04min，可進行事件觸發（即發現數據超標才 開始記錄，以節約內(nei) 存空間），傳(chuan) 感器的采樣間隔可調，數據處理可靠，不失真。係統構成圖和主體(ti) 示意圖分別如圖4和圖5所示。

圖4 係統構成圖

圖5 主體(ti) 示意圖

    為(wei) 了適應全天候的氣候條件，尤其是避免白天強烈日照對激光頭采樣的影響，激光驅動電路采用特殊設計使得激光頭的激光點強度能夠自適應閉環，保證測量數據不 隨環境溫度、顏色、光亮度（太陽照射或夜晚較暗環境）等變化而變化，但該係統缺點是測量易受惡劣天氣影響，且感應板上有雜物時也會(hui) 影響測量精度。
    傳(chuan) 統測量法是采用人工方法對感應板高度進行抽樣測量，操作者將高度測量尺靠在軌道上，通過調節尺的遊標進行測量，由於(yu) 現代城市軌道交通線路建設裏程越來越 長（如廣州地鐵四號線雙向全長達93.12km），傳(chuan) 統的手工測量方法效率低，一天僅(jin) 能測量約0.7km，工作強度高，而且是非連續測量，易造成漏檢的情 況。激光測量小車的使用可以很好地替代手工測量，不但提高了工作效率，測量速度可達到3km/h，同時可以減輕操作者的工作強度和連續進行測量，為(wei) 感應板 管理人員提供了精確的技術參數，並便於(yu) 測量數據的管理。最後將測得定子高度減去轉子（感應板）高度即為(wei) 直線電機氣隙值，從(cong) 實測的數據表明廣州地鐵四號線直 線電機氣隙值基本為(wei) 11-12mm，滿足正常使用範圍要求。

3 結束語

    激光測距技術在廣州地鐵四號線直線電機車輛氣隙測量領域的運用雖然剛剛起步，但是已經取得了明顯的效果，它不但改善了測量效率，提高了測量精度，降低了檢 修作業(ye) 人員的勞動強度，更避免了以往使用測量尺而造成的漏檢情況，為(wei) 直線電機車輛的安全、可靠運行提供了保障。隨著技術的不斷發展和功能的不斷完善，激光 測距技術在軌道交通領域中的應用將更加廣泛。