激光光斑捕獲與分析系統(tǒng)的研究

趙 旭，連翠玲，王 帥

（河北省科學(xué)院自動化研究所，河北 石家莊 050081）

1 引言

為保證鐵路運輸?shù)陌踩?wù)養(yǎng)護部門需要在規(guī)定時間內(nèi)檢查一遍轄區(qū)內(nèi)鐵路軌道的軌距、水平、軌向、高低、正矢和三角坑、軌距變化率等軌道的長波不平順參數(shù)。對于這些參數(shù)的檢測，通常使用鐵路軌道檢查儀或者軌道幾何狀態(tài)檢測小車，其原理為基于全站儀或光纖陀螺儀配合各種傳感器實現(xiàn)參數(shù)測量。

基于全站儀的軌檢儀／軌檢車采用全站儀配合棱鏡的絕對坐標(biāo)法測量軌道的幾何參數(shù)，測量結(jié)果準(zhǔn)確。但此類軌檢儀定位時間長，檢測效率較低，一個天窗口最多檢測幾百米，而且其造價高；利用陀螺儀配合各種傳感器的軌檢儀／軌檢車推行過程中自動采集軌道的幾何參數(shù)信息，但是其算法基于微積分原理，檢測數(shù)據(jù)易受算法和外界信息的干擾，推行的速度或快、或慢都會影響檢測的準(zhǔn)確性。

筆者設(shè)計了激光光斑捕獲與分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用激光準(zhǔn)直技術(shù)、面陣CCD傳感器和內(nèi)置的數(shù)學(xué)模型，采集激光光斑的坐標(biāo)變化直接得出軌向、水平、高低、三角坑、正矢等軌道長波不平順參數(shù)。采用該系統(tǒng)的軌檢儀，集成了以上兩類軌檢儀的特點和優(yōu)勢：檢測速度相對較快，而且檢測參數(shù)多、精度高，與現(xiàn)有的測量方法相比，提高了檢測的效率。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

激光光斑捕獲與分析系統(tǒng)由激光發(fā)射裝置和檢測接收系統(tǒng)兩部分組成，如圖1所示。激光發(fā)射裝置將激光照射在檢測接收系統(tǒng)的激光接收屏上形成激光光斑，當(dāng)檢測接收系統(tǒng)沿軌道朝向激光發(fā)射裝置移動（位置改變）時，激光光斑坐標(biāo)會根據(jù)軌道的實際狀態(tài)發(fā)生改變，利用檢測接收系統(tǒng)里內(nèi)置的CCD相機采集測算光斑坐標(biāo)的變化值，經(jīng)計算處理得出軌道的軌向、高低、正矢、三角坑等參數(shù)。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 激光發(fā)射裝置

激光發(fā)射裝置包括激光發(fā)射器、高精度平移臺、無線收發(fā)模塊、支架組件和電池等部分。其中激光發(fā)射器選用的是波長671nm，功率為500mw的紅光激光器，這種激光器功率較大且聚光度好，保證了在白天外部光照較強的自然條件下，在200m外形成的光斑清晰可辨。激光發(fā)射器固定在高精度平移臺上，可進行水平90°、垂直30°的平移，其高精度的控制可在200m外保證最小1mm的平移。無線收發(fā)模塊采用ZigBee協(xié)議，用于和檢測接收系統(tǒng)通信，控制激光器進行調(diào)整等動作。激光發(fā)射裝置在軌道上的固定方式為單軌卡緊方式，其支架組件的設(shè)計充分考慮了便攜性，單人可方便的拆裝、搬移。

當(dāng)激光發(fā)射時，在較長距離的情況下，激光的干涉和衍射現(xiàn)象非常明顯，因此在激光光源處增加了透射孔。圖2是不同形狀的小孔的干涉現(xiàn)象。

圖2 不同形狀的小孔的干涉現(xiàn)象

其中a為圓孔干涉后的圖像，b為條狀孔干涉后的圖像。

未加小孔的光斑圖像，成火苗狀飄忽不定，不利于進行數(shù)據(jù)處理和分析。通過實驗證明，激光通過圓形小孔后有利于加強光斑的中心亮度，形成的光斑圖形較其他幾何圖形規(guī)則，有利于捕捉和定位光斑。加上小孔裝置后，將光經(jīng)過長距離傳輸干涉衍射現(xiàn)象明顯的不利條件加以利用，成功變?yōu)閮?yōu)勢條件。

2.2 檢測接收系統(tǒng)

檢測接收系統(tǒng)包括激光接收屏、二維CCD成像系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)等部分。激光接收屏的大小為320mm＊240mm，材料采用深色光學(xué)玻璃。二維CCD成像系統(tǒng)的核心是CCD面陣傳感器，用于采集光斑在激光接收屏上的圖像信息，通過數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)進行數(shù)字化處理后，可直觀的得出光斑圖像坐標(biāo)值。數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)主要由嵌入式計算機和圖像采集卡組成，用于對圖像進行采集和處理。

3 系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)

3.1 光斑采集

光斑采集的系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。檢測前將其與檢測接收系統(tǒng)保持一定間距固定在基準(zhǔn)軌道上，激光發(fā)射裝置向檢測接收系統(tǒng)（最遠間距200m）發(fā)射一束可見激光，激光通過濾光片過濾掉部分產(chǎn)生干擾的波長，在接收屏上形成直徑8～10mm的紅色光斑。接收屏后有CCD，通過CCD的光敏像元將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后輸入計算機進行進一步的圖像處理。

圖3 光斑采集系統(tǒng)架構(gòu)

3.2 對光

對光是指調(diào)整激光發(fā)射裝置發(fā)射的激光束落在激光接收屏的指定范圍之內(nèi)。由于二者相距最遠可達200m，此時稍有一點動作，光斑便會出界，因此，對光時需要精密的控制。對光時需要檢測接收系統(tǒng)實時感應(yīng)光斑位置，并通過無線通信模式將信號發(fā)送給激光發(fā)射裝置，由其判斷并發(fā)出脈沖進行激光器的方位調(diào)整，每脈沖可保證在200m外最大1mm的位移量。當(dāng)達到對光要求的參數(shù)時，調(diào)整結(jié)束。

3.3 數(shù)據(jù)分析和處理

對光完成后就可以進行實時測量了，在測量過程中，CCD傳感器實時采集檢測接收屏上的光斑圖像，并對其進行實時處理。

3.3.1 光斑圖像的采集處理

圖4是采集到的一張?zhí)幚砬暗墓獍邎D像，需要利用軟件對其進行分析處理。光斑分析的軟件使用VB6.0編制，主要應(yīng)用VB系統(tǒng)的GetDIBits方法一次性獲取光斑圖像中各點的rgb值。具體說來，這時bits（0，2，3）代表從圖形左下角數(shù)起橫向第2個縱向第3個像素的Blue值，而bits（1，2，3）和bits（2，2，3）分別的Green值和Red值。在計算光斑坐標(biāo)時，由于我們的光斑是紅色激光，所以我們計算時至計算Red值。

圖4 處理前的光斑圖像

圖5 處理后的光斑圖像

取出Red值后對數(shù)值進行分析比較，最終將圖片的Red值都按合適的閥值二值化。這個閥值取100，經(jīng)處理后，得到圖5的圖像，可以看出得到的光斑圖像較為純凈，基本去除了光暈和背景干擾。

3.3.2 坐標(biāo)數(shù)據(jù)校正

由于在實際測量過程中受測量條件和環(huán)境參數(shù)等制約，光柱很可能偏移垂直位置，示意圖如圖6所示。因此在完成一次測量后，要進行數(shù)據(jù)校正。

圖6 測量效果示意圖

在測量過程中，定點記錄行走的距離l，測量完成后記錄測量的總長L，設(shè)終點處橫向偏移＝X，縱向偏移＝Y(jié)，中間位置橫向偏移＝x，縱向偏移＝y(tǒng)。修正公式如下：

其中理想狀態(tài)下k＝1。

對于光斑在遠距離傳輸過程中產(chǎn)生的折射，首先對處理過的每張圖片的亮點的像素點進行再次運算，N為亮點的計數(shù)個數(shù)。產(chǎn)生坐標(biāo)的公式如下：

其中kx、ky為實驗所得比例系數(shù)。

反復(fù)重復(fù)以上過程，算出5張圖片決定的光斑坐標(biāo)，再求5個坐標(biāo)的平均值。算出一個最終像素點坐標(biāo)。然后按比例，分別給X軸和Y軸坐標(biāo)放大，決定一個最終的距離坐標(biāo)，根據(jù)此坐標(biāo)的具體數(shù)值，可直觀的得出所測軌道的高低和水平值。

4 結(jié)論

本文介紹的激光光斑捕獲與分析系統(tǒng)已成功應(yīng)用在軌檢儀上，用其可直接檢測出鐵路線路的水平和高低參數(shù)值，檢測精度要比傳統(tǒng)使用陀螺儀或傾角傳感器得到的數(shù)值要高。另外，該系統(tǒng)采用通用面陣CCD傳感器和圖像采集卡采集、傳輸圖像，成本較低，硬件和軟件都便于設(shè)計和編制，且工作穩(wěn)定，為鐵路軌道日常維護提供了可靠的保證。

［1］ 胡林亭，等.CCD 測量激光光斑方法研究［J］.激光技術(shù)，2001，25（2）.

［2］ 黃文財，王秀琳，郭福源.半導(dǎo)體激光束準(zhǔn)直技術(shù)［J］.光電子技術(shù)與信息，1999，4.

［3］ 王午生.鐵道線路工程 ［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1999.