本實用新型涉及隧道檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于一字線激光器的結(jié)構(gòu)光帶拼接系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

為了確保機車車輛在鐵路線路上運行的安全，防止機車車輛撞擊鄰近線路的建筑物和設(shè)備，而對機車車輛和接近線路的建筑物、設(shè)備所規(guī)定的不允許超越的輪廓尺寸線，稱為限界。在鐵路《技規(guī)》中更是做出了明確規(guī)定：一切建筑物、設(shè)備，在任何情況下均不得侵入鐵路的建筑限界。鐵路建筑限界測量的精確性十分重要，直接關(guān)系到鐵路擴大貨物運輸?shù)陌踩院瓦\輸收入的增長。以往某些區(qū)段限界尺寸測量不準確，導(dǎo)致一些擴大貨物運輸必須繞行或拒運，造成鐵路運能的浪費和運輸收入的損失。

鐵路建筑限界大多使用如“吊繩”、“觸桿”、“皮尺”等手工方法進行測量，費時費力，測量精度低。隨著鐵路電氣化線路迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的測量手段已經(jīng)無法適應(yīng)快速、準確、安全的鐵路隧道限界檢測要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于提供一種基于一字線激光器的結(jié)構(gòu)光帶拼接系統(tǒng)。

本實用新型的技術(shù)方案是：

一種基于一字線激光器的結(jié)構(gòu)光帶拼接系統(tǒng)，包括：

同時檢測隧道洞壁同一斷面不同位置的激光器系統(tǒng)；

為激光器系統(tǒng)提供直流電源的激光器系統(tǒng)電源；

控制激光器系統(tǒng)工作、并根據(jù)激光器系統(tǒng)反饋信號控制圖像傳感器工作的控制系統(tǒng)；

根據(jù)控制系統(tǒng)的控制指令工作并回傳圖像的圖像傳感器系統(tǒng)；

激光器系統(tǒng)電源的輸出端連接激光器系統(tǒng)的一個輸入端，激光器系統(tǒng)的另一個輸入端連接控制系統(tǒng)的輸出端，激光器系統(tǒng)的輸出端連接控制系統(tǒng)的輸入端，控制系統(tǒng)的控制輸出端連接圖像傳感器系統(tǒng)的控制輸入端，圖像傳感器系統(tǒng)的信號輸出端連接控制系統(tǒng)的信號輸入端。

所述激光器系統(tǒng)包括分別檢測隧道洞壁同一斷面不同位置的多個激光器。

所述圖像傳感器系統(tǒng)包括分別拍攝隧道洞壁同一斷面不同位置的多個圖像傳感器。

有益效果：

1、激光器系統(tǒng)同時檢測隧道洞壁同一斷面不同位置，保證覆蓋全隧道洞壁；

2、照射兩根鋼軌的激光照射平面與主激光平面調(diào)整在同一平面內(nèi)，這樣激光器發(fā)射出的激光光束就可以覆蓋隧道輪廓360°的限界測量范圍；

3、激光器系統(tǒng)電源實際用12路，剩余3路備用，一旦出現(xiàn)故障時，可方便的轉(zhuǎn)換到備用電源上供電；

4、圖像傳感器系統(tǒng)中每臺CCD攝像機攝取隧道斷面的一部分，能拼接成完整斷面。

附圖說明

圖1是本實用新型具體實施方式的激光器系統(tǒng)光路圖；

圖2是本實用新型具體實施方式的基于一字線激光器的結(jié)構(gòu)光帶拼接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；

圖3是本實用新型具體實施方式的各CCD攝像機的安裝位置；

圖4是本實用新型具體實施方式的各CCD攝像機測量范圍。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本實用新型的具體實施方式做詳細說明。

一種基于一字線激光器的結(jié)構(gòu)光帶拼接系統(tǒng)，如圖2所示，包括：

同時檢測隧道洞壁同一斷面不同位置的激光器系統(tǒng)；

為激光器系統(tǒng)提供直流電源的激光器系統(tǒng)電源；

控制激光器系統(tǒng)工作、并根據(jù)激光器系統(tǒng)反饋信號控制圖像傳感器工作的控制系統(tǒng)；

根據(jù)控制系統(tǒng)的控制指令工作并回傳圖像的圖像傳感器系統(tǒng)；

激光器系統(tǒng)電源的輸出端連接激光器系統(tǒng)的一個輸入端，激光器系統(tǒng)的另一個輸入端連接控制系統(tǒng)的輸出端，激光器系統(tǒng)的輸出端連接控制系統(tǒng)的輸入端，控制系統(tǒng)的控制輸出端連接圖像傳感器系統(tǒng)的控制輸入端，圖像傳感器系統(tǒng)的信號輸出端連接控制系統(tǒng)的信號輸入端。

激光器系統(tǒng)包括分別檢測隧道洞壁同一斷面不同位置的多個激光器。本實施方式選用氦氖激光器作為隧道檢測車的測量光源。氦氖激光器具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、使用方便的特點，同時能發(fā)射出具有方向性好、發(fā)散角小、亮度高、光強分布穩(wěn)定等優(yōu)點的激光光束。氦氖激光的輸出波長為632.8nm的可見紅光，便于人眼的觀察、調(diào)整和CCD芯片感光。為了使照射到隧道壁上的激光具有足夠的亮度，選用長度合適的氦氖激光管。

為保證覆蓋全隧道洞壁，激光器系統(tǒng)采用10臺氦氖激光器，10臺激光器放置于檢測車體內(nèi)部同一斷面的不同位置，檢測車體為整體承載，不允許將車體中間橫斷，這樣給激光器的布局帶來一定的難度。為了不破壞車體承載，在車窗口、車頂制作兩個500×400的鐵拉窗。10臺激光器所成光路如圖1所示，4個用于照射隧道洞上壁的激光器安裝在檢測車頂部，檢測車車體兩側(cè)分別安裝3個用于照射隧道洞側(cè)壁的激光器，10個激光器的激光照射平面在同一平面內(nèi)，形成主激光平面。激光器系統(tǒng)還包括2個用于照射鋼軌的激光器，安裝在檢測車車體梁下端，這2個激光器的激光照射平面與主激光平面調(diào)整在同一平面內(nèi)，12個激光器發(fā)射出的激光光束覆蓋隧道輪廓360°的限界測量范圍，保證了攝取隧道斷面的完整性。用于照射鋼軌的激光器，擴束角度為25度。

激光器系統(tǒng)電源采用柴油發(fā)電機組，共提供15路激光電源，其中的12路為實際用激光電源，剩余3路備用，一旦出現(xiàn)故障時，可方便的轉(zhuǎn)換到備用電源上供電。激光器系統(tǒng)耗電量為1.3kW。激光器系統(tǒng)的控制箱安裝在隧道檢測車內(nèi)的激光測量構(gòu)架的后端。激光管工作電壓為直流6000V?？刂葡鋵?20V交流電轉(zhuǎn)換為6000V直流電供給激光管。

為了使激光在遠近距離差別較大的隧道洞壁上會焦呈環(huán)形光帶，構(gòu)成精密的測量基準輪廓線，必須使各個激光器發(fā)射的光束精確的照射在同一個空間平面上，這就要求它們相對位置應(yīng)是穩(wěn)定不變的。為此，特別可以設(shè)計用于精確調(diào)整氦氖激光管位置的激光管調(diào)節(jié)機構(gòu)，調(diào)節(jié)十二臺激光發(fā)射器拼接完整垂直斷面，具有多向微動功能，加工工藝復(fù)雜，制作、安裝的精度、難度很高。通過調(diào)節(jié)激光管位移裝置，使各個激光管相對位置保持精確無偏差，從而保證激光管發(fā)出的激光光帶始終在同一空間平面上。

氦氖激光管發(fā)射的光是圓形細光束，通過擴束調(diào)焦鏡頭散射成扇形激光面，激光擴束鏡主要有兩個用途：一是擴展激光束的直徑；二是減小激光束的發(fā)散角。扇形激光面的角度可以擴至68度，其光強關(guān)系式為：

Pa=（f×Pi）/（R×X）

式中：Pa——光跡照度；f——傳播衰減系數(shù)；Pi——激光束照度；

R——照射距離；X——擴束角度；

為使檢測隧道時激光光束聚焦在隧道洞壁上呈環(huán)形光帶，首先必須在高鐵隧道檢測車標定庫房對激光光帶進行校準工作。通過對每個激光管發(fā)射出的激光光束的覆蓋范圍、發(fā)射角度、激光亮度、光束寬度等參數(shù)進行精確調(diào)節(jié)，最終使激光在遠近距離差別較大的隧道洞壁會焦呈環(huán)形光帶。

圖像傳感器系統(tǒng)包括分別拍攝隧道洞壁同一斷面不同位置的多個圖像傳感器。圖像傳感器系統(tǒng)包括11個圖像傳感器，3個用于拍攝隧道洞上壁的圖像傳感器安裝在檢測車頂部，檢測車車體兩側(cè)分別安裝3個用于拍攝隧道洞側(cè)壁的圖像傳感器，2個用于拍攝鋼軌的圖像傳感器，11個圖像傳感器攝取的隧道斷面圖像拼接成整個隧道輪廓線。

CCD（Charge Coupled Devices）圖像傳感器是70年代發(fā)展起來的半導(dǎo)體器件，其突出的特點是電荷作為信號。CCD一般分為線陣和面陣兩大類型。CCD攝像機的工作過程分為四步：第一步光積分期，這期間CCD像元把入射光量子按比例轉(zhuǎn)換成光生電荷；第二步是在光積分的同時，把每個像元產(chǎn)生的光電荷存儲，在相應(yīng)的光敏二極管勢阱中，實現(xiàn)電荷存儲；第三步是在曝光結(jié)束后，把存儲的光生電荷沿CCD移位寄存器轉(zhuǎn)移到輸出區(qū)完成電荷轉(zhuǎn)移；第四步是在讀出放大器中把光生電荷依次轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的視頻信號，完成信號讀出。

CCD器件在測量中有兩種采集圖像數(shù)據(jù)的方式：一種是直接采用CCD的各像元數(shù)據(jù)通過分析每個CCD像元的灰度進行測量，在這種方法中，CCD的分辨率決定了測量的分辨率，線陣CCD就是這個原理；另一種方法是利用電視制式的CCD攝像機，利用視頻采集卡采集圖像，微機進行分析處理完成測量，這種方法相對成熟，使用方便。

本系統(tǒng)采用的CCD攝像機是工業(yè)用面陣CCD攝像機，型號為MTV—1881。具體參數(shù)如下：

影像傳感器：1/3英寸；

CCD總像素：795(水平)×596(垂直)(CCIR制式)/811 (水平)×508(垂直)(EIA制式)；

掃描系統(tǒng)：625線，50場/秒(CCIR制式)/525線， 60場/秒(EIA制式)；

同步系統(tǒng)：內(nèi)同步/復(fù)合外同步；

最低照度：0.02Lux(F1.2，56000K)；

水平清晰度：600線；

增益控制模式：自動增益控制(ON/OFF可切換)；

信噪比：優(yōu)于48dB；

電子快門：手動:1/50(CCIR制式)，1/60(EIA制式)，1/125.1/250，1/500，1/1000，1 /2000，1/4000，1/10000秒；

視頻輸出：復(fù)合式影像信號輸出，1.0 Vp-p at 750hm。

CCD成像系統(tǒng)布局：由于被測隧道凈空較大，為了提高測量精度，采用11臺CCD攝像機，每臺CCD攝像機攝取隧道斷面的一部分。然后再拼接成完整斷面。11臺CCD攝像機的安裝位置如圖3所示，1#、9#CCD攝像機攝取隧道下部斷面圖像，下傾角16.7度，外傾角21度；2#、8#CCD攝像機攝取1.6～3.2米高度斷面圖像，水平傾角0度，外傾角21度；3#、7#攝像機攝取3.2～5.2米高度斷面圖像，上傾角13度，外傾角21度；4#、6#CCD攝像機攝取隧道頂部兩側(cè)斷面圖像，上傾角30度，外傾角20度；5#攝像機攝取隧道頂部中間位置斷面圖像，上傾角33.7度，水平傾角0度；10#、11#CCD攝像機攝取鋼軌頂面及內(nèi)面圖像，下傾角30度。

由于CCD鏡頭畸變主要發(fā)生在鏡頭的邊緣，當采用一臺CCD攝像機進行測量時，而隧道斷面的圖像恰好落在鏡頭的邊緣，此時鏡頭畸變較大，產(chǎn)生較大的測量誤差，為避免這一情況，系統(tǒng)采用多臺CCD攝像機攝取隧道斷面輪廓線，每臺CCD攝像機只攝取一部分，使每臺CCD攝像機的這一部分不經(jīng)過鏡頭的邊緣。多臺相機組合，合并相機之間重合部分，拼接成整個隧道輪廓線，這樣就可以大大減少鏡頭畸變帶來的誤差。

由于系統(tǒng)精度和安裝位置的要求，對隧道凈空的測量需要多路CCD攝像機拼接來共同完成，同時為保證在車體運行過程中，CCD攝像機和激光器仍需保持固定的位置關(guān)系，因此可以將其安裝在同一測量架構(gòu)上。CCD攝像機支臂安裝在檢測構(gòu)架上，支撐CCD攝像機探出車體外進行檢測，它的旋轉(zhuǎn)和傾斜角度對檢測數(shù)據(jù)影響非常大，必須經(jīng)過精確的設(shè)計、制作和安裝。

各CCD攝像機測量范圍如圖4所示：圖中矩形表示每個攝像頭成像范圍，陰影部分表示成像重疊部分。因為每兩個CCD攝像機互相存在重疊的測量范圍，所以保證測量隧道斷面的完整性。