激光光斑捕获与分析系统的研究

赵 旭，连翠玲，王 帅

（河北省科学院自动化研究所，河北 石家庄 050081）

1 引言

为保证铁路运输的安全，工务养护部门需要在规定时间内检查一遍辖区内铁路轨道的轨距、水平、轨向、高低、正矢和三角坑、轨距变化率等轨道的长波不平顺参数。对于这些参数的检测，通常使用铁路轨道检查仪或者轨道几何状态检测小车，其原理为基于全站仪或光纤陀螺仪配合各种传感器实现参数测量。

基于全站仪的轨检仪／轨检车采用全站仪配合棱镜的绝对坐标法测量轨道的几何参数，测量结果准确。但此类轨检仪定位时间长，检测效率较低，一个天窗口最多检测几百米，而且其造价高；利用陀螺仪配合各种传感器的轨检仪／轨检车推行过程中自动采集轨道的几何参数信息，但是其算法基于微积分原理，检测数据易受算法和外界信息的干扰，推行的速度或快、或慢都会影响检测的准确性。

笔者设计了激光光斑捕获与分析系统，该系统利用激光准直技术、面阵CCD传感器和内置的数学模型，采集激光光斑的坐标变化直接得出轨向、水平、高低、三角坑、正矢等轨道长波不平顺参数。采用该系统的轨检仪，集成了以上两类轨检仪的特点和优势：检测速度相对较快，而且检测参数多、精度高，与现有的测量方法相比，提高了检测的效率。

2 系统构成

激光光斑捕获与分析系统由激光发射装置和检测接收系统两部分组成，如图1所示。激光发射装置将激光照射在检测接收系统的激光接收屏上形成激光光斑，当检测接收系统沿轨道朝向激光发射装置移动（位置改变）时，激光光斑坐标会根据轨道的实际状态发生改变，利用检测接收系统里内置的CCD相机采集测算光斑坐标的变化值，经计算处理得出轨道的轨向、高低、正矢、三角坑等参数。

图1 系统构成

2.1 激光发射装置

激光发射装置包括激光发射器、高精度平移台、无线收发模块、支架组件和电池等部分。其中激光发射器选用的是波长671nm，功率为500mw的红光激光器，这种激光器功率较大且聚光度好，保证了在白天外部光照较强的自然条件下，在200m外形成的光斑清晰可辨。激光发射器固定在高精度平移台上，可进行水平90°、垂直30°的平移，其高精度的控制可在200m外保证最小1mm的平移。无线收发模块采用ZigBee协议，用于和检测接收系统通信，控制激光器进行调整等动作。激光发射装置在轨道上的固定方式为单轨卡紧方式，其支架组件的设计充分考虑了便携性，单人可方便的拆装、搬移。

当激光发射时，在较长距离的情况下，激光的干涉和衍射现象非常明显，因此在激光光源处增加了透射孔。图2是不同形状的小孔的干涉现象。

图2 不同形状的小孔的干涉现象

其中a为圆孔干涉后的图像，b为条状孔干涉后的图像。

未加小孔的光斑图像，成火苗状飘忽不定，不利于进行数据处理和分析。通过实验证明，激光通过圆形小孔后有利于加强光斑的中心亮度，形成的光斑图形较其他几何图形规则，有利于捕捉和定位光斑。加上小孔装置后，将光经过长距离传输干涉衍射现象明显的不利条件加以利用，成功变为优势条件。

2.2 检测接收系统

检测接收系统包括激光接收屏、二维CCD成像系统、数据采集分析系统等部分。激光接收屏的大小为320mm＊240mm，材料采用深色光学玻璃。二维CCD成像系统的核心是CCD面阵传感器，用于采集光斑在激光接收屏上的图像信息，通过数据采集分析系统进行数字化处理后，可直观的得出光斑图像坐标值。数据采集分析系统主要由嵌入式计算机和图像采集卡组成，用于对图像进行采集和处理。

3 系统技术实现

3.1 光斑采集

光斑采集的系统架构如图3所示。检测前将其与检测接收系统保持一定间距固定在基准轨道上，激光发射装置向检测接收系统（最远间距200m）发射一束可见激光，激光通过滤光片过滤掉部分产生干扰的波长，在接收屏上形成直径8～10mm的红色光斑。接收屏后有CCD，通过CCD的光敏像元将光信号转换成电信号，经AD转换为数字信号后输入计算机进行进一步的图像处理。

图3 光斑采集系统架构

3.2 对光

对光是指调整激光发射装置发射的激光束落在激光接收屏的指定范围之内。由于二者相距最远可达200m，此时稍有一点动作，光斑便会出界，因此，对光时需要精密的控制。对光时需要检测接收系统实时感应光斑位置，并通过无线通信模式将信号发送给激光发射装置，由其判断并发出脉冲进行激光器的方位调整，每脉冲可保证在200m外最大1mm的位移量。当达到对光要求的参数时，调整结束。

3.3 数据分析和处理

对光完成后就可以进行实时测量了，在测量过程中，CCD传感器实时采集检测接收屏上的光斑图像，并对其进行实时处理。

3.3.1 光斑图像的采集处理

图4是采集到的一张处理前的光斑图像，需要利用软件对其进行分析处理。光斑分析的软件使用VB6.0编制，主要应用VB系统的GetDIBits方法一次性获取光斑图像中各点的rgb值。具体说来，这时bits（0，2，3）代表从图形左下角数起横向第2个纵向第3个像素的Blue值，而bits（1，2，3）和bits（2，2，3）分别的Green值和Red值。在计算光斑坐标时，由于我们的光斑是红色激光，所以我们计算时至计算Red值。

图4 处理前的光斑图像

图5 处理后的光斑图像

取出Red值后对数值进行分析比较，最终将图片的Red值都按合适的阀值二值化。这个阀值取100，经处理后，得到图5的图像，可以看出得到的光斑图像较为纯净，基本去除了光晕和背景干扰。

3.3.2 坐标数据校正

由于在实际测量过程中受测量条件和环境参数等制约，光柱很可能偏移垂直位置，示意图如图6所示。因此在完成一次测量后，要进行数据校正。

图6 测量效果示意图

在测量过程中，定点记录行走的距离l，测量完成后记录测量的总长L，设终点处横向偏移＝X，纵向偏移＝Y，中间位置横向偏移＝x，纵向偏移＝y。修正公式如下：

其中理想状态下k＝1。

对于光斑在远距离传输过程中产生的折射，首先对处理过的每张图片的亮点的像素点进行再次运算，N为亮点的计数个数。产生坐标的公式如下：

其中kx、ky为实验所得比例系数。

反复重复以上过程，算出5张图片决定的光斑坐标，再求5个坐标的平均值。算出一个最终像素点坐标。然后按比例，分别给X轴和Y轴坐标放大，决定一个最终的距离坐标，根据此坐标的具体数值，可直观的得出所测轨道的高低和水平值。

4 结论

本文介绍的激光光斑捕获与分析系统已成功应用在轨检仪上，用其可直接检测出铁路线路的水平和高低参数值，检测精度要比传统使用陀螺仪或倾角传感器得到的数值要高。另外，该系统采用通用面阵CCD传感器和图像采集卡采集、传输图像，成本较低，硬件和软件都便于设计和编制，且工作稳定，为铁路轨道日常维护提供了可靠的保证。

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

［2］ 黄文财，王秀琳，郭福源.半导体激光束准直技术［J］.光电子技术与信息，1999，4.

［3］ 王午生.铁道线路工程 ［M］.上海：上海科学技术出版社，1999.