线扫描相机成像技术在铁路车辆故障图像检测领域的应用

李侠 张锴 张亨 韩涛

【摘要】线扫描相机配合激光光源的成像技术在铁路车辆故障图像检测领域使用，相比面阵相机成像技术，有以下优点：1）图像完整性好，有利于检车员看图并容易发现车辆故障。2）采用红外线性激光光源，能量集中，图像亮度均匀，抗阳光干扰效果更加理想。3）实现了整车无缝拼接，更有利于图像故障自动识别。

【关键词】线扫描相机激光光源铁路车辆故障图像检測

1.前言

最初的铁路车辆故障检测完全采用人工方式，车辆入段（编组站）后，铁路工人拎着锤子通过观察和听锤子敲击车辆的声音判断车辆故障。这种原始的车辆故障检测手段，人工作业难度大，不容易发现隐蔽故障，且无法核实和追溯故障。

2005年，国内一些企业开始研究车辆故障图像检测系统，通过安装在轨道底部和两侧的工业相机，在铁路车辆通过时，动态拍摄车辆图片，图片实时传输到列检中心，作业人员在电脑上浏览车辆图片，发现故障后及时通知维修。这种方式将现场人员从繁重的体力劳动中解放出来，极大地提高了铁路车辆检修的效率。

早期的车辆故障图像检测系统采用的面阵相机每次曝光成像一幅照片，图像在拍摄方向上不能无缝拼接，且容易因为信号的干扰造成丢图、窜图等问题，给作业人员造成了不小的困扰。2009年，线扫描相机的出现，革命性地改变了车辆故障图像检测领域的发展，线扫描相机形成的图像可以做到无缝拼接，并为实现图像故障自动识别提供了条件。

2.线扫描相机成像技术

线扫描相机，主要应用于工业、医疗、科研与安全领域的图象处理。在机器视觉领域中，线扫描相机是一类特殊的视觉机器。与面阵相机相比，它的传感器只有一行感光元素，因此使高扫描频率和高分辨率成为可能。线扫描相机的典型应用领域是检测连续的材料，例如金属、塑料、纸和纤维等。被检测的物体通常匀速运动，利用一台或多台相机对其逐行连续扫描，以达到对其整个表面均匀检测。可以对其图象一行一行进行处理，或者对由多行组成的面阵图象进行处理。另外线扫描相机非常适合测量场合，这要归功于传感器的高分辨率，它可以准确测量到微米。

从车辆故障图像检测领域广泛使用的线扫描相机对光谱的敏感曲线可以看出，该相机对800nm附近波段的光线最敏感。另一方面，可见光处于390nm～770nm波段，太阳光在808nm波段的光功率密度大概是0.95*808W/m2=0.7676mW/mm2，光功率密度相对于可见光部分要小，如果采用808nm波段的近红外补偿光源，既能很好地满足线扫描相机对感光的要求，且由于近红外光基本不可见，消除了补偿光源在轨边对车辆驾乘人员的干扰。

激光单色性好、功率大、能量集中，能很好地配合线扫描相机使用。如果光功率密度选择合适，则既能满足线扫描相机的需要，又能起到很好的抗阳光干扰的效果。

激光光源分为三部分，激光器、光纤、激光镜头。激光器是激光发生源，是激光光源最重要的部分。光纤是激光传输的介质，连接激光器和激光镜头。激光镜头由光学镜头组成，将光纤传输过来的点状激光光斑变成线状激光光斑。光纤必须按照激光器配套，芯径400um，数值孔径0.22，而激光镜头的好坏决定了激光光源光斑的均匀性。

早期的激光补偿光源两端光弱、中部光强，使线扫描相机所采集的图像在靠近钢轨侧曝光不足，线扫描相机视场中部却曝光过度；在垂直于线扫描相机扫描线方向上，补偿光源是发散式的，近处光强而远处光弱，使线扫描相机采集的图像在列车底部交叉杆等近处曝光过度、远处却曝光不足。

随着技术发展，另外一种新型激光镜头出现，该镜头发出的线性光源两端光强、中部光弱，使线扫描相机所采图像在靠近钢轨侧也可充分曝光，而相机视场中部不会过度曝光；在垂直线扫描相机扫描线方向上会聚光，使线扫描相机采集的图像在动车底部中间不会过度曝光，而动车底部距相机较远处也可充分曝光。由此使线扫描相机所采集的图像在横向、远近取景处都有合适的曝光度。

3.线扫描相机成像技术优势

1）采用线扫描相机作为拍摄单元，结合广角拍摄技术，采用单个相机即可完成列车底部可视部件的图像采集，拍摄图像完整性好，真正实现了列车侧部与底部拍摄图片的无缝拼接。

2）采用红外线性激光光源，能量集中，抗阳光干扰效果更加理想。3）线扫描相机拍摄的图像更有利于车辆故障图像自动识别。

线扫描相机拍摄的图片没有拼接，有利于故障位置的定位。线扫描相机白天与夜间拍摄的图片基本一致，基本无阳光干扰。线扫描相机只对运动的物体成像，对静止的物体不成像，背景图像单一。

目前，线扫描相机成像技术在动车组运行故障图像检测领域的应用，能实现故障的自动识别，虽然故障预报准确率仅能达到50%，但能在很大程度上减轻作业人员的工作量，作业人员只需要对系统预报的故障进行核实，不需要再查看全部图像。线扫描相机成像技术在铁路车辆故障图像检测领域带来了前所未有的革命性变化。

参考文献

[1]王勤.高速线阵CCD图像数据采集系统的研究：[硕士学位论文]，天津：天津大学，2005.

[2]徐大成，翁桂荣.线阵CCD数据的高速采集系统[J].传感器技术，2002.

[3]田芊，廖延彪，孙利群.光学工程[M].北京：清华大学出版社，2006.

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