（光学工程专业论文）钢轨表面擦伤光学检测方法的研究.pdf

中文摘要 随着我国铁路提速战略的实施，对列车的安全、舒适性提出了更高的要求， 同时运行速度的提高和重载列车的开行，对轨道的破坏作用加大，导致轨道状态 的恶化加剧。因此，加强轨道动态检测力度，确保铁路运输安全，已成为铁路工 作中的一项重要基础工作。 本文结合中国铁道科学研究院的项目钢轨表面擦伤光学检测系统，综合分 析了钢轨动态检测设备的组成以及设计要点，详细探讨了各组成部分的设计思路， 对现有c c d 检测光路、光源系统光路进行优化设计，有效的保证了图像的拍摄质 量。根据现有设备在检测过程中出现的图像曝光过强现象设计实现了光源反馈系 统，应用于铁道部钢轨探伤车中，提高了整个系统对外界干扰光的适应能力。 关键词：机器视觉；钢轨擦伤；光学检测。 分类号：t n 2 9 j 匕塞交通厶堂亟堂僮途塞旦墨i ! a bs t r a c t t h ei m p l e m e n t a t i o no ft h er a i l w a ys p e e ds t r a t e g yi nc h i n ar e q u e s th i g hd e m a n do nt h e t r a i ns a f e t ya n dc o m f o r t ，a tt h es a m et i m e ，t h eh i g hs p e e da n dt h eh e a v yt r a i nm a k e d a m a g eo nt h et r a c k ，i ti n c r e a s e st h ed e t e r i o r a t i o no ft r a c ks t a t e i tb e c a m ea ni m p o r t a n t t a s kt oe n h a n c et h ed y n a m i cd e t e c t i o no ft r a c ka n de n s u r et h es a f e t yo fr a i lt r a n s p o r t t h i sa r t i c l ea n a l y s e sc o m p o s i t i o n sa n dd e s i g nf e a t u r e so ft h ed y n a m i ct e s t i n ge q u i t m e n t c o m b i n i n gw i t hi t e mo fo p t i c a ls y s t e mf o rm e a s u r i n gr a i ls u r f a c ea b r a s i o np r o p o s e db y c h i n ar a i l w a yi n s t i t u t i o no fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y t h i sa r t i c l eg i v e sa no p t i m a l d e s i g no fc c do p t i c a lp a t ha n dl i g h ts o u r c ep a t h t om a k es u r e q u a l i t yo ft h e i m a g e s b e s i d e s ，i tc o m eu pw i t haf e e d b a c ks y s t e mo fl i g h ts o u r c ea c c o r d i n gt o p r o b l e m sa p p e a r i n gi nt h ed e t e c t i o n t h ef e e d b a c ks y s t e mh a sb e e nu s e di nt h er a i l i n s p e c t i o nt r a i no fm i n i s t r yo fr a i l w a y s ，a n dh a si m p r o v et h ea d a p t a b l i l i t yo ft h e d e t e c t i o ns y s t e m k e y w o r d s ：m a c h i n e v i s i o n ；r a i la b r a s i o n ；o p t i c a lm e a s u r i n g c i 。a s s n o ：y n 2 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学雠文作者躲她玛签字眺矽脬7 月日 5 2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 螨讶 签字日期：z 。7 年7 月l 1 7 1撒舳 翅r 致谢 我的学位论文之所以能够顺利完成，并非我一人之功劳，是所有指导过我的 老师，帮助过我的同学和一直关心支持着我的家人对我的教诲、帮助和鼓励的结 果。我在这里对他们表示深深的谢意! 首先，我要感谓 我的导师冯其波教授。在我攻读硕士学位期间得到了冯老师 的悉心教导。在此，我谨向冯老师表示最忠心的感谢! 在课题的选题及研究过程 中，冯老师多次询问研究过程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点 拨、热忱鼓励。冯老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不 仅授我以文，而且教我做人，虽历时两年，却给以终生受益无穷之道。 同样，我也要忠心感谢我的老师邵双运副教授。邵老师在整个课题研究过程 中提出了很多建设性的意见，在实验过程中也给予了我很大的帮助，在这里对邵 老师表示深深的谢意。 高瞻副教授、陈士谦高工，张斌副教授、崔建英高工、谢芳副教授、吴思进 博士对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，徐楠师兄，高岩、杨婧、毛雅亚、高晓婧、 岳鹏远、雷和平、熊文超、贾佳同学对我论文中的部分研究工作和平时的学习、 生活给予了热情帮助，在此谨向他们以及所有曾支持和帮助过我工作和学习的老 师、同学表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 引言 1 1 研究目的与意义 随着我国铁路提速战略的实施，对列车的安全、舒适性提出了更高的要求， 同时运行速度的提高和重载列车的开行，对轨道的破坏作用加大，导致轨道状态 的恶化加剧。因此，加强轨道动态检测力度，及时掌握轨道质量状态，指导线路 养护维修，确保铁路运输安全，已成为铁路工作中的一项重要基础工作。 钢轨是铁路运输中基础的元素【l 】，随着机车的高速、重载、高密度运行，机车 轮对在钢轨上走行时会对钢轨产生磨损，当磨损超过一定限度，一方面将增加与 机车车轮踏面的接触面积，使得运行阻力增大，对机车的行车安全造成极大的影 响；另一方面机车车辆会发生剧烈摇摆，严重影响了乘客旅行的舒适度。所以需 要经常性地及时地对钢轨断面尺寸和磨损情况进行检测，以保证行车稳定和安全。 我国改革开放以来，也逐渐建立了自己的快速铁路运输系统。为了顺应铁路 运输的高速、重载、高密度运行发展方向，提高铁路运输的安全运营，综合以上 国内外现状，我们需要研究钢轨磨耗检测的新技术。 我国改革开放以来，也逐渐建立了自己的快速铁路运输系统【2 1 。为了满足高速 铁路、既有铁路和地铁、城市轻轨等多领域轨道检测需要的检测系统和分析处理 系统，目前正在向更加高速、智能、高效、便携等方向发展。随着我国高速铁路 网的建设，急需建立适合我国高速铁路的基础设施安全检测体系，从而保障高速 列车的安全和平稳运行，实现我国高速铁路的科学化、智能化、高效化管理。 1 2 钢轨擦伤的基本知识 1 2 1 钢轨伤损 钢轨作为一根支承在连续弹性基础上的无限长梁，主要承受来自机车车辆的 几种垂直荷载，在其断面上产生一定的弯矩。钢轨优于断面抗弯强度不足而损坏 的事例较少。钢轨更换的主要原因是磨耗和疲劳伤损。钢轨的磨耗在直线及曲线 上有不同形式和程度上的表现。直线上主要为接头部分的鞍形磨耗。曲线上主要 为外股钢轨的侧面磨耗、内股钢轨的头部压溃和波形磨耗，而在小半径曲线上更 显得特别严重。钢轨疲劳伤损的主要表现是核伤。它起源于轨头内部存在的细小 j g 基窑通占生缝芏焦垃童i l直 裂纹。随着机车车辆通过时轨头内部出现极为复杂的应力组合，使这一细小裂纹 先是成核，然后再向轨头四周发展，最后则在无预兆下猝然折断，引起后果十分 严重的行车事故。 图1 - 1 ，图1 - 2 列出了典型的钢轨擦伤图。 图l - 1 鱼鳞伤 1 2 2 钢轨伤损标准 图1 - 2 普通擦伤 钢轨擦伤的形式多种多样，总的来说钢轨表面擦伤分为轻伤和重伤两个标准。 、钢轨轻伤标准 羹蘩鏊萋警萋囊蠢羹萋 表1 1 钢轨头部磨耗轻伤标准 钢轨头部磨耗轻伤标准 钢轨 总磨耗 ( k g m ) 1 6 0 v 1 4 01 4 0 v 1 2 0v 1 2 0 正线及 其他站线 正线正线 到发线 7 591 21 61 8 7 5 以下6 091 21 41 6 6 0 以下5 0 1 21 4 5 0 以下4 3l o 1 2 4 3 以下91 0 钢轨垂直磨耗 ( k g m ) 1 6 0 v 1 4 01 4 0 v 1 2 0v 1 2 0 正线及其他站线 正线j 下线到发线 7 589l ol l 7 5 以下6 0 88 81 0 6 0 以下5 089 5 0 以下一4 378 4 3 以下78 钢轨侧面磨耗 ( k g m ) 1 6 0 v 1 4 01 4 0 v 1 2 0v 1 2 0 正线及 其他站线 正线正线到发线 7 5l o1 2 1 61 8 7 5 以下6 0 1 0 1 21 41 6 6 0 以下5 01 21 4 5 0 以下4 3l o1 2 4 3 以下91 1 注：l 、总磨损= 垂直磨耗+ 1 2 侧面磨耗； 2 、垂直磨耗在钢轨顶面宽1 3 处( 距标准工作边) 测量； 3 、侧面磨耗在钢轨踏面( 按标准断面) 下1 6 m m 处测量。 ( 1 ) 钢轨头部磨耗超过表1 1 所列限度之一者； ( 2 ) 轨头下颏透锈长度不超过3 0 m m ； ( 3 ) 钢轨低头( 包括轨端踏面压伤和磨耗在内) ，容许速度大于1 2 0 k m h 的线路 超过1 5 m m ，其他线路超过3 m ( 用l m 直尺测量最低处矢度) ； ( 4 ) 轨端或轨顶面剥落掉块，其长度超过1 5 m m ，容许速度大于1 2 0 k m h 的线 路，深度超过3 m m ，其他线路超过4 m m ； ( 5 ) 钢轨顶面擦伤，容许速度大于1 2 0 k m h 的线路，深度达到o 5 1 o m m ，其 他线路达到1 - 2 m m ：容许速度大于1 2 0 k m h 的线路，波浪形磨耗谷深超过0 3 m m ， 其他线路超过0 5 m m ； ( 6 ) 钢轨探伤人员或养路工长认为有伤损的钢轨。 2 、钢轨重伤标准 表1 - 2 钢轨头部磨耗重伤标准 钢轨头部磨耗重伤标准 钢轨 垂直磨耗 ( k g m )1 6 0 v 1 4 0 正线1 4 0 v 1 2 0 正线v 1 2 0 正线、到发 线及其他站线 7 51 0l l1 2 7 5 以下6 01 01 11 1 6 0 以下5 01 0 5 0 以下4 39 4 3 以下 8 钢轨 侧面磨耗 ( k g m )1 6 0 v 1 4 0 正线1 4 0 v 1 2 0 正线v 1 2 0 正线、到发 线及其他站线 7 51 21 62 l 7 5 以下一6 01 21 61 9 6 0 以下5 01 7 5 0 以下4 31 5 4 3 以下1 3 ( 1 ) 钢轨头部磨耗超过表1 2 所列限度之一者； ( 2 ) 钢轨在任何部位有裂纹； ( 3 ) 轨头下颏透锈长度超过3 0 m m ； ( 4 ) 轨端或轨顶面剥落掉块，容许速度大于1 2 0 k m h 的线路，长度超过2 5 m m ， 深度超过3 m m ：其他线路长度超过3 0 m m ，深度起过8 m m ； ( 5 ) 钢轨在任何部位变形( 轨头扩大、轨腰扭曲或鼓包等) ，经判断确认内部有 暗裂； ( 6 ) 钢轨锈蚀，经除锈后，容许速度大于1 2 0 k m h 的线路，轨底边缘处厚度不 4 足8 m m ，其他线路不足5 m m 或容许速度大于1 2 0 k m h 的线路，轨腰厚度不足 1 4 m m ，其他线路不足8 m m 。 1 2 3 钢轨擦伤的危害 钢轨擦伤对线路设备的破坏及维修养护和铁路运输非常不利，其主要表现有 【3 】 1 、冲击附加力增大 冲击附加力是指当车轮滚动至钢轨擦伤处，轮轨间形成突发冲击，引起车辆 轨道耦合振动，对车轴及轨道造成严重危害【3 1 。用舻来表示冲击附加力。 a p = a1 ，km( 1 1 ) 式中：a 不平顺斜率； 1 ，列车运行速度( m s ) ； 尼线路钢度( n m ) ； 肼车轮的簧下质量( k g ) 。 从公式( 1 1 ) 可以看出随着擦伤深度的增加，冲击附加力成倍增长，由于冲 击附加力的增加，使得线路爬行，造成以下危害： ( 1 ) 随着擦伤深度的增加，冲击附加力加大，线路爬行更加严重，形成一个恶性 循环过程。 ( 2 ) 线路爬行后，普通线路出现连续瞎缝和连续大缝，无缝线路出现应力集中， 易发生胀轨跑道。 ( 3 ) 线路爬行后，普通线路接头、无缝线路焊缝错位，加大了维修工作负担。 ( 4 ) 道岔爬行后，易造成尖轨不方，绝缘轨缝挤死、联电等，影响正常运输。 2 、钢轨所受的垂直荷载增加 有资料表明【3 】：假设轨面平顺时，垂直力为p ；随着擦伤深度的增加，垂直力 逐渐加大；当擦伤深度l m m 时，垂直力为( 1 5 2 ) p ；当擦伤深度3 m m 时，垂直 力为( 3 4 ) p 。 轨道下沉、钢轨应力、道床顶面应力是考核轨道强度的三个重要指标，随着 钢轨垂直荷载的增加，该三项指标均成倍增大，加速了对线路整体强度的破坏， 造成线路下沉、板结、轨枕压溃或裂纹等病害，加速了轨道的不平顺性。 3 、加速钢轨其他病害的出现 5 钢轨擦伤尤其是擦伤比较密集的地段，由于冲击附加力增大，相应的接触应 力增加，其派生的剪应力同时也增大，造成钢轨表面疲劳严重，加速了钢轨核伤 的形成，使得4 】： ( 1 ) 普通线路接头出现掉块、小舌头、道床板结等病害； ( 2 ) 无缝线地段更换擦伤重伤轨、锯轨、焊轨的负担加大。 1 3 钢轨表面擦伤检测技术 通常情况下可以通过人为的手段来减少钢轨表面的损耗，改进机车车辆转向 架的设计可以减少曲线钢轨磨耗，从而改善轮轨间的相互作用条件，减少彼此间 的摩擦。作为治标措施，可采用曲线钢轨侧面涂油或在小半径曲线上铺设耐磨性 能高的特种合金钢轨。通过对钢料进行控制性冷却可以有效的防止核伤，避免钢 轨内部因氢气逸出而产生的细小裂纹，从而根本消灭了产生核伤的疲劳源。但是， 尽管采取各种预防措施，钢轨损伤仍无法绝对避免。为确保行车安全，必须进行 定期的钢轨探伤，以便及时消除隐患，避免发生重大行车事故。 国内外用于钢轨检测的方法很多，可以分为接触式和非接触光学系统【l 】。通常 接触式用于静态检测，即检测设备和钢轨相对静止的情况下进行检测。接触式又 可分为两类：( 1 ) 采用机械设备接触式测量，一般通过卡尺手工测量；( 2 ) 机械 和电子、可编程技术等结合开发的电子检测设备。非接触光学系统用于动态检测， 即检测设备和钢轨相对运动的情况下进行检测。通常它安装在轨检车上，动态检 测铁路沿线的钢轨状态。它主要是利用线光源打在钢轨表面上，然后用c c d 对其 进行摄像，在得到的图像中提取钢轨外形曲线并得到磨耗量等关键因素。 1 3 1 接触式测量 1 、机械式接触测量 这是我国铁路现场主要使用的一种测量方法【5 1 。它分为车载式和便携式两种。 车载式装在专门的车辆上走行过程中用绘图方式测量钢轨断面形状：便携式包 括绘图式和测点式。代表产品为6 0 型、6 1 型9 针钢轨测磨仪。g m j 一0 1 型3 针 钢轨磨耗测量计。该法测量速度慢工作面的选取对测量结果影响很大。使用一 段时间后固定和活动侧头磨损会使测量结果存在一定的误差。检定人员处理误 差时要么更换标尺，要么加以校正。不过钢轨测磨仪具有稳定性高、成本低、携 带方便等优点，在定期的检修中仍然被广泛的使用。 6 2 、机械和电子、可编程技术等结合开发的电子检测设备 这种方法借助传感器作为测量媒介间接得到钢轨的外形尺寸从而绘制出 轮廓曲线并由实际曲线与标准曲线对比得到相应的磨耗值。根据使用的传感器 的不同，它又可具体分为：光电编码器法和位移传感器法3 。 ( 1 ) 光电编码器法 丹麦绿林工程公司研制的微型轮廓仪由一台笔记本电脑连接一个专用伸缩箱 及轮轨测量装置构成。测量单元是一直径很小的磁轮，它可靠的接触被测物表面。 系统是由两个连接杆构成并以双角度的方式形成二维自由检测系统。角度可由 光学编码器精确测量，测量信息传输到计算机中，经计算得到所测物的轮廓。通 过与计算机并行打印口连接的专用电子装置实现数据传输。由人工移动这个小磁 轮，伸缩转动计算机得到传感器的数据是极坐标数据，然后转化为笛卡尔坐标 并计算其轮廓。磁轮芯的轨迹被记录下来计算机软件自动减去与所记录轨迹成 正交的磁轮半径后计算出所测物的真实轮廓。用户可以通过改变伸缩臂的长度来 改变被测轮廓的范围。 国内由同济大学铁道学院与靖江华星测控设备公司合作研制的w r s2 0 0 0 型 铁道车轮踏面钢轨轨头外形快速测录仪，也是采用高精度光电编码器来实现钢 轨轨头外形的快速精确测录的。最大偏差不大于0 0 5 m m ，平均典型偏差0 0 3 m m 开发的软件具有现代化的轮轨检测和数据分析管理功能。 ( 2 ) 位移传感器法 系统由t h em e t r o l o g ya n dq u a l i t yt e s t i n gg r o u p 研制口1 通过记录与钢轨轨头 连续接触的测量小球的轨迹来实现。其中两个相互垂直放置的增量型位移传感器 决定了测量小球所处的x _ y 平面，小球在钢轨面上滑动相应接触点的连续坐 标以数字的形式传到主p c 机中，并将数据存储；数据在专用软件的控制下可传至 a u t o c a d 作进一步的处理，得到实际的轮廓曲线和磨耗值。值得一提的是测试 小球的尺寸对最终的结果有一定影响。小球中心坐标和接触点之间坐标的转换必 须要考虑小球的半径和方向的变化。系统以小球的最低点为测试点，然后通过接 触点和测试点之间的几何关系来得到接触点的坐标值从而绘制出钢轨外形曲线， 得到磨耗值。 1 3 2 非接触光学测量 目前发达国家已大量使用非接触的方法来自动检测钢轨磨损程度；而我国现 场大部分还使用“钢轨测磨器来手工进行测量，为了改变我国测量钢轨磨耗技 7 术的现状，一些高校与科研单位于二十世纪九十年代开始磨耗自动测量的探索式 研究。如图1 3 所示【8 1 。 d 透 ( a ) 光学三角法运用于p s d 测量钢轨的示意图 徽光光源 l ( b ) 利用c c d 测钢轨磨损结构图【9 1 图1 3 非接触光学测量 非接触光学测量主要是应用c c d 成像技术，通过图像摄取装置( 分c m o s 和c c d 两种) 把图像抓取到，然后将该图像传送至处理单元，通过数字化处理， 根据像素分布和亮度、颜色等信息，来进行尺寸、形状、颜色等的判别。进而根 据判别的结果来控制现场的设备动作。其基本的结构图如图1 4 所示。 8 业显童迥厶芏熊 1 ，芏僮 丝奎i 【直 图1 4c y o e m e i i c 公司的表面擦伤检测系统组成i 州 同其他检测技术相比，基于机器视觉技术的缺陷检测方法具有很大的优越性。 随着计算机技术的发展，高速、海量的数字信号处理硬件平台和大容量的存储以 及复杂计算等要求将得到解决；高分辨率和高处理精度的数据采集部件的开发和 应用，将有效的解决高速数据采集与显示的问题；人工智能、专家系统、神经网 络等众多理论将使缺陷分类器的性能大大提高【4 】，小波分析理论与各种算法的提 出，又增强了数字信号处理和数字图像处理的能力。针对特定场合采用高效成熟 的检测方法，开发实用的检测装置、采用标准化和通用化的设备、降低系统结构 复杂性、建立钢轨表面质量控制专家系统、逐步实现智能化应是今后研究工作的 中心口】。可以预计，随着这些理论和技术的发展，在不久的将来，机器视觉技术必 将对钢轨表面的检测做出更多的贡献。 综上所述，机械式接触测量存在工作量大、工作环境恶劣、效率低、机械装 置与钢轨进行接触式的检测使得所得到的钢轨外形和尺寸的准确度和完整性不够 高，不能模拟真实列车运行过程中的铁轨情况，缺乏可研究性；电子设备虽然比 机械设备有较大进步，但是还尚未实现在线自动检测，增加了铁路维修周期：c c d 检测法【l ”同其他方法相比有很大的优势，具有非接触、速度快、精度高、抗干扰 性强等特点，随着科学技术进一步发展，基于机器视觉的钢轨表面缺陷检测技术 将是未来研究的主要方向。 1 4 本文的主要研究内容 本文结合中国铁道科学研究院的项目钢轨表面擦伤光学检测系统，综台分 析了钢轨动态检测设备的组成以及设计要点，详细探讨了各组成部分的设计思路， 对现有c c d 检测光路、光源系统光路进行优化设计，有效的保证了图像的拍摄质 量。根据现有设各在检测过程中出现的图像曝光过强现象设计实现了光源反馈系 统，通过外加反馈信号的方式提高了整个系统对外界干扰光的适应能力。本文的 具体工作可分为以下四点： 1 、介绍钢轨表面擦伤的基本知识，简述钢轨擦伤检测常用的方法以及各自的 优缺点。 2 、在介绍钢轨表面擦伤动态检测系统结构和工作原理的基础上，对一些关键 元件( 如c c d 、图像采集卡、电缆线、镜头等) 的型号和性能参数等进行详细的 探讨。根据成像系统的要求，对光源系统和相机系统的检测光路提出优化设计方 案。 3 、根据实际检测存在的曝光过强问题，设计光源反馈系统，提高检测系统的 环境适应性。 4 、对全文工作进行总结，并在该文研究的基础上，对进一步的研究提出设想。 l o 韭峦至盟厶兰亟堂也监窑纽扭盘西握逝鲢超生捡捌苤丝 2 钢轨表面擦伤的光学检测系统 2 1 钢轨表面擦伤光学检测系统的组成 利用光学检测和图形处理的方法实现钢轨表面非接触检测是一种新兴的检测 方法，具有非接触、高安全性、高速、智能化等特点。其系统结构示意图如图2 - l 所示。 光源反馈系统 图2 - ! 钢轨擦伤光学检测系统示意图 从图2 - l 可以看出，检测系统主要是由光源、光源调节系统、线阵c c d 传感 器、数据采集卡和计算机存储处理系统等部分组成，各个部分实现不同功能。检 测系统的基本原理是通过光源照明钢轨表面，成像系统c c d 将接收到的钢轨表面 光学影像转换成视频信号输出给图像采集卡，图像采集卡再将视频信号转换成数 字图像信息供计算机处理和显示，计算机运用各种算法对图像数据进行处理运算， 计算出被检测钢轨是否存在擦伤。钢轨擦伤从宏观上分为制造缺陷和疲劳缺陷。 检测系统主要是对疲劳缺陷进行检测，检测的指标分为面积、深度等( 如图2 - 2 所示) 。 圈22 擦伤检测系统的表面擦伤输出图 根据检测系统各部分的功能，可以将其划分为三个重要组成部分，分别是光 源系统、成像系统和数据处理系统。划分后的系统结构框图如图2 - 3 所示。 光源系统 】成像系统数据处理系统f 图2 - 3 光学检铡系统结构组成框图 从系统结构框图中可以看出，光源系统又包括光源反馈电路和l e d 光源，成 像系统分为线阵c c d 和钢轨两部分，数据处理系统包括图像采集卡、p c 机等设 备。每个组成部分实现不同的功能，在设计过程中有各自不同的要求。 i 、光源系统 光源系统分为两个部分，分别是光源调节电路和光源本身。其中光源部分完 成对被测物体( 钢轨表面) 的照明，选择合适的光源需要考虑到光源的亮度、长 度、均匀性、寿命、功率等因素，同时还要讨论光源的布局。光源反馈电路的作 用在于根据拍摄图像的质量实时的调整光源的亮度，为后续的图像处理做好准备。 些豆童煎厶生亟主僮迨至型扭垂画攫逝曲堂堂控捌基蕴 2 、成像系统 成像部分作为整个系统的眼睛，它的作用在于将被测物( 即钢轨表面) 的像 清晰的呈现在c c d 的接收面上。成像部分需要根据实际检测条件提出对c c d 的 基本要求，同时对c c d 摄像机检测光路进行优化设计。 3 、数据处理系统 数据处理系统完成对c c d 信号的数据采集、存储、处理等工作，在具体的设 计过程中需要考虑到c c d 相机接口的选取，c a m e r au l l k 信号的分析，图像采集 卡的选取，存储器的选择等。 2 2 钢轨表面擦伤光学检测系统各组成部分的设计 2 2 1 钢轨表面擦伤光学检测系统设计要求 整个系统进行设备选型及设计的过程中，需要根据检测条件进行一些系统基 本指标限定，具体系统设计要求如下： 1 、物空间的分辨率 物空间分辨率：05 m i n x 0 5 m m 。 物空间的分辨率是指c c d 相机在拍摄钢轨图像时能分辨的物方最小距离，物 空间分辨率需要根据实际测量钢轨的擦伤标准来确定。钢轨损伤标准中规定，钢 轨顶面擦伤，容许速度大于1 2 0 k m h 的线路，深度达到0 5 1 0 r a m ，其他线路达 到1 2 咖均视为擦伤，这就要求在检测过程中，对钢轨图像的分辨率至少应该 达到0 5 m i n x 0 5 m m 。图2 _ 4 中所示为放大之后的钢轨图像。 2 、最高车速 冈f 圉2 4 放大的钢轨图像 最高车速：8 0 k n o b 。 整个检测系统需要安装在铁道部钢轨探伤车上进行钢轨检测，在检测过程中， 探伤车的最快时速不能超过8 0 k m h 。 8 、最大拍摄视场 擐大拍摄视场：2 5 0 r a m 。 在实际的检测过程中，会遇到道岔等特殊情况，轨道宽度要比普通情况宽， 选择最大拍摄视场为2 5 0 r a m 是为了满足不同宽度的钢轨检测。图2 - 5 所示为钢轨 道岔图。 嘲 圉2 - 5 钢轨道岔目 4 、相机工作距离 相机工作距离：2 0 0 - 5 0 0 r a m 。 相机工作距离是指相机距离钢轨表面的距离，在铁路检测行业，要求轨面以 上1 2 0 r a m 内不能放置任何检测设备，相机工作距离设置为2 0 0 - 5 0 0 r a m 不仅要满 足1 2 0 r a m 的固定高度，同时还考虑到实际安装过程中相机的位置。图2 q 5 所示为 c c d 摄像机具体安装位置。 图2 - 6c c d 、光源安装位置 5 、信号传输距离 信号传输距离：1 5 m 。 信号传输距离是指c c d 摄像机获取的光学影像信号通过视频专用协议 c a m e r al i n k 电缆线传送到车厢内的图像采集卡中，信号传输距离要求不能超过 1 5 m “】，因为c a m e r al i n k 协议规定相机信号的传输距离不能超过1 5 米，超过1 5 米的信号线需要外加中继器以保证信号的强度和稳定性。图2 - 7 所示为c a m e r a l i n k 信号传输线的布局。 韭塞窑望厶芏亟芏世盐；堑翅塾垂鱼摧逝曲盘堂撞型丕垃 2 2 2 成像部分设计 幽2 7 c a m e r a l i n k 信号传输线布线i 鳘l 成像部分的关键是c c d 图像传感器为了实现动态、精确的测量。拟选取线 阵c c d 图像传碡罂。c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 电荷耦合器件i ”l ，是现在最 常用的机器视觉传感器，是2 0 世纪6 0 年代贝尔实验室发明的固体状态摄像机技 术，由分布于各个像元的光敏二极管的线性阵列或矩形阵列构成，通过按一定顺 序输出每个二极管的电压脉冲，实现将图像信号转换成电信号的目的。它具有广 电转换、信息存储和传输等功能，具有集成度高、功耗小、结构简单、寿命长、 性能稳定等优点，故在固体图像传感器、信息存储和处理等方面得到了广泛的应 用。c c d 图像传感器能实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展，能给出直观、 真实、多层次的内容丰富的可视图像信息，被广泛应用于军事、天文、医疗、广 播、电视、传真通信以及工业检测和自动控制系统。 1 、c c d 的选取( 根据测量速率、分辨率选择) c c d 按其感光单元的排列方式分为线阵c c d 和面阵c c d 两类。由于线阵 c c d 传输光电变换信号快、频率响应高，能够实现动态测量，所以线阵c c d 广泛 应用在非接触测量，产品分类等领域。面阵c c d 可以获取二维图像信息，测量图 像直观，缺点是像元总数多，帧幅率受到限制。 本文将c c d 用于动态钢轨测量，所以选用线阵c c d 。根据动态测量车速、被 测钢轨最小分辨率等因素来选择c c d 型号。 ( 1 ) c c d 行频计算 检测列车的最快时速为8 0 m d h ，每个像元希望达到的最小分辨率为o 5 m i nx 0 5 m m 。则根据公式( 2 1 ) ： h s f ( h o r i z o n t a ls c a n n i n gf r e q u e n c y ) = d r ( r e s o l u t i o n ) ( 2 1 ) 得出：h s f = 8 0 k m h + 0 5 m m = 4 4 4 6 k h z ( 2 ) 相机曝光时间计算 因为相机的行频要超过4 4 4 6 k h z ，所以相机的曝光时间要超过1 4 4 4 6 0 秒。 ( 3 ) c c d 分辨率 相机的最大拍摄视场为2 5 0 m m ，像元的最小分辨率为0 5 r a m x 0 5 m m ，所以 选择5 1 2 像元的相机就可以满足要求。 结合上述c c d 参数的选择，可以确定如下的c c d 方案选型。 型号：d a l s as 2 1 x 0 5 h 4 0 像元尺寸：1 4 u m 1 4 u m 行频：6 5k h z 镜头接口：c 接口 数据接口：b a s ec a m e r al i n k 1 7 表3 1c c d 设计要求与结果对比 名称设计要求设计结果 工作谱段 4 0 0 7 0 0 n m4 0 0 - 7 0 0 n m 最高检测速度2 2 m s3 3 5 m s 最大行频 4 4 k h z6 5 k h z 最大视场宽度2 5 0 m m2 5 6 m m 像元分辨力 0 5 m m 0 5 m m0 5 m m 0 5 m m 像元尺寸 1 4 9 m 焦距 1 2 m m 相对孔径 21 - 4 一1 6 放大倍率 0 0 2 8 x 2 8 5 m m ( 8 m m 焦距) 工作距离 15 0 m m 5 0 0 m m 4 2 8 m m ( 1 2 m m 焦距) 积分时间 2 2 t s2 0 9 s 0 3 1 u x ( m a xg a i n ， 灵敏度 5 0 v i d e o ) 大功率l e d 条形光源 光源形式 ( 聚光型) 光路形式直接投射 根据火车轮廓线约束和太 阳高度角计算，避免直射 遮光设计 形成镜面反射即可，理论 上不需特殊考虑遮光。 所选相机实物图如图2 - 8 ，2 - 9 所示。 1 8 些基至迪厶芏塑生垃监窑型扭垂匦撞伍鲍堂堂挂捌丕蕴 佳l2 - 8 相机侧面l 芏i 幽2 - 9 相机后视图 2 、c c d 摄像机成像光路 目前c c d 摄像机的检测光路采用普通光路形式( 如图2 - 1 0 所示) 。普通光路 通过c c d 直接拍摄钢轨表面，c c d 的焦平面成弧形状与钢轨表面相切。c c d 与 钢轨表面成一定的角度。图2 1 0 所示为垂直关系。 2 2 3图像采集系统设计 图2 1 0 普通光路 1 、相机接口的选择 c a m e r al i n k 是适用于视觉应用数字相机与图像采集卡间的通信接口【1 5 】。这一 接口扩展了c h a n n e ll i n k 技术，提供了视觉应用的详细规范。c a m e r al i n k 数据的传 输率非常高，可达1 g b b i t s ，输出的是数字格式，可以提供高分辨率、高数字化 率和各种帧频，信噪比也改善了。而且根据应用的要求不同，提供了基本、中档、 全部等支持格式，可以根据分辨率、速度等自由选择。图像卡和摄像机之间的通 讯采用了l v d s ( l o wv o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g ) 格式，速度快而且抗噪较好。 图像卡和摄像机之间使用专门的连接线距离最远1 0 米。一般提供的是标准3 米 m d r 2 6 p i n 接线。 c a m e r al i n k 协议包含以下几方面的内容：信号分类、端口分配、位分配、连接器 【1 6 】 o ( 1 ) 信号分类 c a m e r al i n k 信号分为4 类： a 、图像数据信号：图像信号分为2 4 位数据信号和4 位数据有效信号。数据 有效信号为f v a l 、l v a l 、d v a l 和s p a r e ，分别是帧允许、行允许、数据允许和保 留信号17 1 。 b 、相机控制信号：在c a m e r al i n k 接口中有4 条l v d s 线对用来实现相机的 2 0 控制，分别为c a m e r ac o n t r o l l ( c c l ) 、c a m e r ac o n t r o l 2 ( c c 2 ) 、c a m e r ac o n t r o l 3 ( c c 3 ) 、 c a m e r ac o n t r o l 4 ( c c 4 ) t 1 8 】。相机制造商可以自由定义各控制信号的功能以满足他们 的特殊产品，下表给出了通常相机制造商对控制信号的定义。 表3 2c a m e r al i n k 接口相机控制信号9 1 信号名称缩写格式定义 c 8 n l e r ac o n t r o l1c c le x s y n c ( 外部同步信 号) 下降沿触发开始读取数 据 c a m e r ac o n t r o l 2c c 2p r i n ( 像素重置) 低电平 有效 c a m e r ac o n t r o l 3c c 3f o r w a r d 高电平有效， 低电平反转 c a m e r ac o n t r o l 4c c 4保留 c 、异步串行通信信号：相机接口中有两对l v d s 信号用于相机和图像采集卡 之间的异步串行通信，分别是s e r t f g ( 相机串行输出端至图像采集卡串行输入端) ， s e r t c ( 图像采集卡串行输出端至相机串行输入端) 。 d 、电源信号：c a m e r al i l l l 【连接器不提供电源，而是通过单独的电缆提供。 c a m e r al i n k 协议允许相机制造商自由定义电源连接器和相机的工作电流和电压。 ( 2 ) 端口分配 一个端口定义为一个8 位的字。c a m e r al i l l l ( 标准使用8 个端口【2 0 1 ，即端口a 至端口h 。下表给出了具体的端口分配。 表3 - 3c a m e r al i n k 接口相机端口分配 名称 支持端口 芯片数量 连接器数量 b a s e a ，b ，c1 1 m e d i u ma ，b ，c ，d ，e ，f22 f u n a ，b ，c ，d ，e ，f ，g ，h 32 c a m e r al i n k 接口有3 种结构：初级配置( b a s e ) 、中级配置( m e d i u m ) 、和高 级配置( f u l l ) 。三种结构所使用的端口、连接器和c h a n n e ll i n k 芯片数量各不相 同。表种给出了三种配置的端口分配、芯片及连接器的使用数量情况。在基本配 置模式中，端口a 、b 和c 被分配到唯一的c a m e r al i n k 驱动器接收器对上； 在中级配置模式中，端口d 、e 和f 被分配到第二个驱动器接收器对上；在完 整配置模式中，端口a 、b 和c 被分配到第一个驱动器接收器对上，端口d 、 2 l e 和f 被分配到第二个驱动器接收器对上，端口g 和h 被分配到第三个驱动 器接收器对上。 ( 3 ) 位分配 每个c a m e r al i n k 驱动器都有从t x 0 至t x 2 7 的2 8 个数据位输入引脚，相应 的接收器有从r x 0 至r x 2 7 的2 8 个数据输出位引脚。c a m e r al i n k 协议端口位分 配中定义了图像数据位是怎样分配到端口的。 表3 - 4c a m e r al i n k 协议端口位分配【2 l 】 驱动器输入信号对应芯片引脚 s t r o b et x c l ko u t t x c l ki n l v a lt x r x 2 4 f v a lt ) 以5 d v a lt x r x 2 6 s p a r e t x 以之x 2 3 p o r t a 0 ，p o a d 0 ，p o r t g 0 t x r x 0 p o r t a l ，p o n d l ，p o r t g l t x 以1 p o r t a 2 ，p o n d 2 ，p o r t g 2 t x r x 3 2 p o r t a 3 ，p o n d 3 ，p o r t g 3 t ) ( 以乇x 3 p o r t a 4 ，p o n d 4 ，p o g g 4 t ) 们 4 p o r t a 5 ，p o r t d 5 ，p o r t g 5 t x r x 6 p o r t a 6 ，p o n d 6 ，p o g g 6t x r x 2 7 p 0 n a 7 ，p o n d 7 ，p o a g 7t x r x 5 p o r t b 0 ，p o r t e 0 ，p o o h 0t x 瓜x 7 p o r t b l ，p o r t e l ，p o o h lt x r x 8 p o r t b 2 ，p o r t e 2 ，p o o h 2t x r x 9 p o r t b 3 ，p o r t e 3 ，p o o h 3t x 瓜x 1 2 p o r t b 4 ，p o r t e 4 ，p o o h 4t x r x l 3 p o r t b 5 ，p o r t e 5 ，p o o h 5t x r x l 4 p o r t b 6 ，p o r t e 6 ，p o o h 6t ) 力1 0 p o r t b 7 ，p o r t e 7 ，p o o h 7 t x r x l l p o r t c 0 ，p o r t f 0t ) 以1 5 p o r t c l ，p o r t f lt x r x l 8 p o r t c 2 ，p o r t f 2t ) 以1 9 p o a c 3 ，p o r t f 3t x r x 2 0 p o r t c 4 ，p o g f 4t ) 15 0 0 0 1 u x 15 0 m m 接受面处 色温6 5 0 0 k 寿命光衰8 0 1 0 0 0 0 小时 功率 = 1 2 w 散热方式自然主动散热 接口方式航空插头接口 光源长度9 0 0 m m 光源电源恒流源驱动、功率大于2 0 w ； 电压：5 v d c ；电流：小于5 a 所选光源实物图如图2 1 1 所示。 2 6 2 、 源、 图2 一1 2 光源系统布局一 光 j e 豆至垫厶堂丛主芏拉监望翅毡盍画型逝曲世生挂捌盎蕴 2 3 检测系统分析与优化 图2 - 13 光源系统实物圈 根据检测系统各组成部分器件的选取以及光路的设计可以得到检测系统设计 实物图如图2 1 3 所示。在图2 1 3 中，c c d 摄像机选用d a l s as 2 1 x 0 5 h 4 0 线 阵c c d ，光源规格3 0 0 m m ( 长) * 4 5 r a m ( 宽) * 6 5 r a m ( 高1 的大功率l e d 。检测系统通过 光源l e d 对钢轨表面进行照明，利用线阵c c d 对钢轨表面进行扫描，获得的线 扫描信号通过c m n e r a l i n k 协议传输线送入图像采集卡，图像采集卡对线扫描信息 进行整合之后送入计算机进行图像处理，得出擦伤报告。 检测系统在实际运行过程中，能够较好的完成对外界光强的调制作用，于2 0 0 8 年9 月在云桂铁路上进行实地检测，顺利的完成了检测任务；但整个系统仍有进 一步完善的空间，根据在实际检测过程中出现的问题，提出了检测系统的优化方 案。 检测系统在运行过程中存在的问题有以下三点； ( 1 ) 、由于检测列车在运行过程中会出现振动的现象，导致c c d 拍摄图像存在 模糊的现象； ( 2 ) 、由于钢轨表面磨损程度的不对称性，导致图像对比度较高，不利于图像的 识别处理；同时不同路段钢轨的磨损状态各不相同，现有的光路需要做出调整以 适应不同的路况。 ( 3 ) 、检测系统在运行过程中会受到外界干扰光的影响，系统在