一种紧凑型轨道二维与三维成像系统技术方案

为获取轨道可视化巡检所需的二维图像与三维形貌数据，本发明专利技术公开一种紧凑型轨道二维与三维成像系统。该系统由片光发生器、线阵成像单元、3D成像单元、支撑装置和外壳组成，其中片光发生器通过多个光源拼接产生两个片光，分别为线阵成像单元、3D成像单元提供照明。线阵成像单元与3D成像单元沿轨道纵向进行线阵扫描成像和三维扫描，获取轨道表面二维图像和三维形貌数据。进一步，将线阵成像单元、片光发生器进行集成，并采用光路折叠方法缩短3D成像单元长度，最终缩短成像系统沿轨道方向上长度，提供紧凑的轨道二维与三维成像系统。

A Compact Two-Dimensional and Three-Dimensional Orbital Imaging System

In order to obtain the two-dimensional image and three-dimensional topographic data needed for visual inspection of orbit, the present invention discloses a compact two-dimensional and three-dimensional imaging system for orbit. The system consists of a sheet light generator, a linear array imaging unit, a 3D imaging unit, a support device and a housing. The sheet light generator generates two sheets of light by splicing multiple light sources, providing illumination for the linear array imaging unit and the 3D imaging unit respectively. Linear array imaging unit and 3D imaging unit perform linear array scanning imaging and three-dimensional scanning along the longitudinal direction of the orbit to obtain two-dimensional image and three-dimensional topography data of the track surface. Furthermore, the linear array imaging unit and the sheet light generator are integrated, and the length of the 3D imaging unit is shortened by folding the optical path. Finally, the length of the imaging system along the orbit direction is shortened, providing a compact two-dimensional and three-dimensional imaging system.

【技术实现步骤摘要】
一种紧凑型轨道二维与三维成像系统
本专利技术涉及一种铁路基础设施检测领域的设备，具体指一种紧凑型轨道二维与三维成像系统。
技术介绍
铁路是国家运输大动脉，在国民经济、国民出行、国防运输等诸多领域发挥着重大价值。轨道是铁路运输的基础设施，轨道由道床系统、钢轨系统、扣件系统组成。轨道在长期运行过程中，钢轨系统会裂纹、龟裂等缺陷，扣件系统会产生螺栓松动、弹条断裂、弹条脱落等缺陷，道床系统会存在裂纹、断裂等缺陷。在地铁中，道床系统还存在道床异物(乘客遗漏的物品：手机、水瓶等)、道床积水、道床板结等问题。为保证列车运行安全，必须对轨道系统进行安全巡检，目前受技术限制，多采用人工巡检。在人工巡检过程中，受人为因素干扰，难以准确、客观地查找缺陷，且检测效率低、成本高。近期，有学者尝试将线阵扫描成像技术应用于轨道巡检中，通过获取的扣件纹理图像进行扣件缺陷检测。但是，在二维纹理图像上，很难有效判定螺栓松动、道床异物等缺陷。三维成像技术(《吴庆阳.线结构光三维传感中关键技术研究[D].四川大学,2006.》)可以获取被测对象表面的三维形貌数据，利用三维形貌数据，可容易地区分出口径弹条缺失、螺栓松动等具有形状或高度变化的缺陷。因此，在二维成像技术基础上，引入三维成像技术，同时获取轨道二维纹理图像和三维形貌数据，有利于提升轨道可视化巡检水平。为此，本专利技术拟提供一种轨道可视化巡检二维与三维融合成像系统，同时获取轨道表面二维图像与三维形貌数据，为开展轨道可视化巡检提供数据支撑。
技术实现思路
为了解决现有轨道巡检方法所存在的上述问题，本专利技术提供一种紧凑型轨道二维与三维成像系统。本专利技术的技术方案是：一种紧凑型轨道二维与三维成像系统，其特征在于，由片光发生器、线阵成像单元、3D成像单元、支撑装置和外壳组成。所述片光发生器用于产生两个片光P1、P2，片光P1的宽度不小于2m，厚度不超过1mm，片光P2的宽度不小于2m、厚度小于2mm。所述片光发生器具有供电接口、开关接口、功率调节接口，可控制开启、关闭片光，并调节片光功率。所述线阵成像单元用于对轨道进行线阵扫描成像，由n台线阵摄像机组成，n台线阵摄像机的成像平面共面，且成像平面位于片光P2照射范围内。所述线阵成像单元具有供电接口、控制接口、数据传输接口，可控制线阵成像单元开闭、参数设置、控制信号输入、数据传输。所述3D成像单元由n台3D摄像机组成，3D摄像机的光轴与片光P1平面成角度a，a的取值范围为20-80度；3D摄像机为基于FPGA或DSP或ARM的嵌入式处理系统，自带线结构光3D测量算法，拍摄片光P1投射在轨道表面的光条，根据3D摄像机标定参数，计算和输出光条位置处轨道表面三维数据。所述3D成像单元具有供电接口、控制接口、数据传输接口，可控制3D成像单元开闭、参数设置、控制信号输入和数据传输。所述线阵成像单元、3D成像单元通过控制接口输入外部触发脉冲信号，沿轨道纵向平移，可实现轨道全断面二维与三维成像扫描。所述片光发生器、线阵成像单元、3D成像单元相对位置固定，刚性连接到支撑装置上。所述外壳为矩形、密封壳体，外壳固定在支撑装置上，外壳底部紧邻3D摄像机和线阵摄像机的入光口、片光P1和片光P2出光口位置处设有光学窗口，外壳顶部有翅片，外壳内部通过导热结构固连到片光发生器、线阵成像单元、3D成像单元的发热器件上，将这些设备产生的热量散发到空气中。所述支撑装置为钢材或航空铝材或钛合金或碳纤维材料。所述外壳和翅片为铝合金材料，外壳与翅片接触面填充硅油，导热结构为异性件，导热结构材料为铜或石墨烯，导热结构与发热器件的接触面填充硅油。所述n的取值范围为3-9。当n＝3时，2台3D摄像机位于两侧钢轨正上方，对钢轨及两侧区域进行三维成像，1台3D摄像机位于轨道中心正上方，对钢轨之间的道床区域进行三维成像；2台线阵摄像机位于钢轨正上方、对钢轨及两侧区域进行线阵扫描成像，1台线阵摄像机位于轨道中心正上方，对钢轨之间的道床区域进行线阵扫描成像。进一步，所述片光P1、P2各由m个线结构光共面合成，m的取值范围为3-100；当m＝3时，其中2个线结构光位于两侧钢轨正上方，1个线结构光位于轨道中心正上方；当m＝5时，其中4个线结构光分别位于两根钢轨上方两侧，1个线结构光位于轨道中心正上方。进一步，沿轨道纵向依次布置3D成像单元、片光P2与线阵成像单元、片光P1，其中片光P2与线阵成像单元垂直于轨道纵向方向共线布置，线阵成像单元的成像平面位于片光P2照射区域内；线阵成像单元的成像平面与片光P1平行；调整片光P1到片光P2的平面距离，使片光P2不出现在3D成像单元的视场中；片光P1与片光P2为单波长光，波长为b1，b1的取值范围为400-1000nm；线阵成像单元中线阵摄像机为单色线阵摄像机；在线阵摄像机、3D摄像机前端设置波长为b1的窄带滤光片。进一步，所述片光P1、P2为近红外光，波长范围为700-1000nm，在线阵摄像机、3D摄像机前端设置对应波长的窄带滤光片，以消除环境中可见光干扰。进一步，所述成像装置，垂直于轨道纵向，将片光P1、片光P2与线阵成像单元共线安装，使片光P1、片光P2、线阵摄像机成像平面三者共面，以实现线阵成像区域与3D摄像机测量区域在光学上重合；片光P1的波长为b1、片光P2的波长为b2，在线阵摄像机前端设置波长为b1的窄带滤光片，在3D摄像机前端设置波长为b2的窄带滤光片，b1≠b2。进一步，所述片光P2中的片光光源与片光P1中的片光光源通过合色镜进行合束，实现片光P1、P2共面。进一步，在3D摄像机前端增加一个反射镜，以缩短成像装置沿轨道纵向方向上长度。进一步，当片光P1、片光P2为可见光时，在外壳底部四周安装环形遮光罩，用于遮挡外界可见光照射，所述环形遮光罩由四片非透明、非刚性材料缝合而成，遮光罩底部到钢轨顶部距离不超过50mm；遮挡区域大于成像区域。进一步，所述片光P2选用白光光源，所述线阵摄像机8为RGB三色线阵相机，在线阵摄像机前端加装近红外截止滤光片，用于获取轨道的RGB彩色图像。本专利技术有益效果：1)可实现轨道全断面二维与三维成像，同时获取轨道全断面的钢轨系统、扣件系统、道床系统纹理图像与三维形貌数据；2)本专利技术成像系统，片光P1与线阵成像平面平行，根据片光P1与线阵成像平面位置关系，可通过软件容易地实现二维纹理数据与三维测量数据的对齐操作，为轨道病害自动检测和分析提供了有益数据；3)本专利技术成像系统，还采用硬件(线阵成像平面与片光P1共面)方式，使二维与三维数据视场重合，保证二维与三维数据对齐；4)本专利技术成像系统，片光P1由m个片光光源共面合成，在多台3D摄像机的成像区域中只有1根光条，可避免为每一台3D摄像机提供线结构光时、相邻3D摄像机成像区域中出现多根光条而影响3D测量，进而可以缩短整个测量系统沿轨道纵向上尺寸；5)更进一步，本专利技术成像系统，在3D摄像机前端增加了一块反射镜，以光路折叠方式(图11.b)可进一步缩端尺寸、减轻重量，以方便安装、运载，这样的紧凑型成像系统，便于在轨道巡检车、运行列车、小型巡检车和手推式巡检小车上使用，适应范围更广；6)本专利技术成像系统，可采用近红外波段照明成像，可避免外界环境光干扰，保证二维成像效果；7)本专利技术成像系统，可在可见本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种紧凑型轨道二维与三维成像系统，其特征在于，由片光发生器、线阵成像单元、3D成像单元、支撑装置和外壳组成；所述片光发生器用于产生两个片光P1、P2，片光P1的宽度不小于2m，厚度不超过1mm，片光P2的宽度不小于2m、厚度小于2mm；所述片光发生器具有供电接口、开关接口、功率调节接口，可控制开启、关闭片光，并调节片光功率；所述线阵成像单元用于对轨道进行线阵扫描成像，由n台线阵摄像机组成，n台线阵摄像机的成像平面共面，且成像平面位于片光P2照射范围内；所述线阵成像单元具有供电接口、控制接口、数据传输接口，可控制线阵成像单元开闭、参数设置、控制信号输入、数据传输；所述3D成像单元由n台3D摄像机组成，3D摄像机的光轴与片光P1平面成角度a，a的取值范围为20‑80度；3D摄像机为基于FPGA或DSP或ARM的嵌入式处理系统，自带线结构光3D测量算法，拍摄片光P1投射在轨道表面的光条，根据3D摄像机标定参数，计算和输出光条位置处轨道表面三维数据；所述3D成像单元具有供电接口、控制接口、数据传输接口，可控制3D成像单元开闭、参数设置、控制信号输入和数据传输；所述线阵成像单元、3D成像单元通过控制接口输入外部触发脉冲信号，沿轨道纵向平移，可实现轨道全断面二维与三维成像扫描；所述片光发生器、线阵成像单元、3D成像单元相对位置固定，刚性连接到支撑装置上；所述外壳为矩形、密封壳体，外壳固定在支撑装置上，外壳底部紧邻3D摄像机和线阵摄像机的入光口、片光P1和片光P2出光口位置处设有光学窗口，外壳顶部有翅片，外壳内部通过导热结构固连到片光发生器、线阵成像单元、3D成像单元的发热器件上，将这些设备产生的热量散发到空气中；所述支撑装置为钢材或航空铝材或钛合金或碳纤维材料；所述外壳和翅片为铝合金材料，外壳与翅片接触面填充硅油，导热结构为异性件，导热结构材料为铜或石墨烯，导热结构与发热器件的接触面填充硅油；所述n的取值范围为3‑9。...

【技术特征摘要】
1.一种紧凑型轨道二维与三维成像系统，其特征在于，由片光发生器、线阵成像单元、3D成像单元、支撑装置和外壳组成；所述片光发生器用于产生两个片光P1、P2，片光P1的宽度不小于2m，厚度不超过1mm，片光P2的宽度不小于2m、厚度小于2mm；所述片光发生器具有供电接口、开关接口、功率调节接口，可控制开启、关闭片光，并调节片光功率；所述线阵成像单元用于对轨道进行线阵扫描成像，由n台线阵摄像机组成，n台线阵摄像机的成像平面共面，且成像平面位于片光P2照射范围内；所述线阵成像单元具有供电接口、控制接口、数据传输接口，可控制线阵成像单元开闭、参数设置、控制信号输入、数据传输；所述3D成像单元由n台3D摄像机组成，3D摄像机的光轴与片光P1平面成角度a，a的取值范围为20-80度；3D摄像机为基于FPGA或DSP或ARM的嵌入式处理系统，自带线结构光3D测量算法，拍摄片光P1投射在轨道表面的光条，根据3D摄像机标定参数，计算和输出光条位置处轨道表面三维数据；所述3D成像单元具有供电接口、控制接口、数据传输接口，可控制3D成像单元开闭、参数设置、控制信号输入和数据传输；所述线阵成像单元、3D成像单元通过控制接口输入外部触发脉冲信号，沿轨道纵向平移，可实现轨道全断面二维与三维成像扫描；所述片光发生器、线阵成像单元、3D成像单元相对位置固定，刚性连接到支撑装置上；所述外壳为矩形、密封壳体，外壳固定在支撑装置上，外壳底部紧邻3D摄像机和线阵摄像机的入光口、片光P1和片光P2出光口位置处设有光学窗口，外壳顶部有翅片，外壳内部通过导热结构固连到片光发生器、线阵成像单元、3D成像单元的发热器件上，将这些设备产生的热量散发到空气中；所述支撑装置为钢材或航空铝材或钛合金或碳纤维材料；所述外壳和翅片为铝合金材料，外壳与翅片接触面填充硅油，导热结构为异性件，导热结构材料为铜或石墨烯，导热结构与发热器件的接触面填充硅油；所述n的取值范围为3-9。2.根据权利要求1所述的一种紧凑型轨道二维与三维成像系统，其特征在于，当n＝3时，2台3D摄像机位于两侧钢轨正上方，对钢轨及两侧区域进行三维成像，1台3D摄像机位于轨道中心正上方，对钢轨之间的道床区域进行三维成像；2台线阵摄像机位于钢轨正上方、对钢轨及两侧区域进行线阵扫描成像，1台线阵摄像机位于轨道中心正上方，对钢轨之间的道床区域进行线阵扫描成像。3.根据权利要求2所述的一种紧凑型轨道二维与三维成像系统，其特征在于，所述片光P1、P2各由m个线结构光共面...

【专利技术属性】
技术研发人员：左丽玛，其他发明人请求不公开姓名，
申请(专利权)人：成都精工华耀科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51