基于红外温度场和灰度图像的隧道衬砌病害检测装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于测绘科学技术与仪器科学的交叉领域，是一种涉及到红外热成像技术、图像处理技术、激光扫描技术、移动精密定位技术与多传感器集成与同步控制技术的隧道衬砌病害检测方法及装置，可以广泛应用于公路隧道、铁路隧道检测等测绘和交通领域。
【背景技术】
[0002]隧道衬砌病害主要包括衬砌裂缝、衬砌渗漏水、衬砌脱空等病害。隧道衬砌裂缝是评价隧道衬砌质量最重要的参数之一，是大部分病害的早期表现形式，直接影响着隧道使用寿命和行车安全。传统隧道衬砌裂缝检测技术基于人工视觉检查，效率低，工作强度大，检测速度慢，精度较低，检查的结果具有很强的主观性，并且在高速公路上进行人工检测时，检测人员人身安全受到了影响。
[0003]目前的检测手段是在隧道内部搭建脚手架根据肉眼或数码相机拍照的方式进行观察判断，后期为了检测隧道内部的病害，有采用隧道钻孔方法，这种方法虽然较直观，但检测速度慢，风枪成孔垂直度较难控制，且探杆感觉、卷尺量测受人为因素影响较大，同时破坏隧道防排水系统，影响隧道寿命，检测结果代表性差，难以全面反应隧道整体及各部位质量。
[0004]传统方法其缺点主要有:a)、受人为因素影响较大，存在着效率低、准确性差、不能进行历史数据对比等问题；b)、检测时需搭建脚手架存在着生命危险的因素；
[0005]目前，有厂家利用高速激光断面扫描仪来实现隧道衬砌的裂缝系统采集，但是由于要达到高精度的数据采集，载车平台的行驶速度非常有限，一般在5Km/h?10Km/h，该检测设备工作时，隧道必须进行交通管制。
[0006]此外，车载多传感器集成同步控制方法将距离传感器与内部时钟结合，用于按空间间隔采样控制传感器的工作，并为传感器的采集数据提供时间戳。其缺点是:没有将车辆行驶的线性参考坐标与采集的数据相关联，对于隧道检测、道路检测这类通常以线性参考坐标为基准的应用，空间定位表达十分不方便。
【发明内容】
[0007]本发明所要解决的技术问题是提出一种隧道衬砌病害检测装置，以克服现有衬砌裂缝快速准确识别的技术瓶颈。
[0008]为解决上述技术问题，本发明为提出了一种利用图像处理技术、移动精密定位技术与多传感器集成与同步控制技术的隧道衬砌病害检测装置，该检测装置包括车载移动平台、照明设备、光电编码器、GPS接收机、惯性单元、同步控制器、面阵相机、红外热成像仪、采集服务器、显控装置和供电系统，
[0009]所述车载移动平台，用于为各所述设备提供移动的搭载平台；
[0010]所述光电编码器，安装在车载移动平台的车轮中心轴上，用以测量车载移动平台的运行速度和距离；
[0011]所述GPS接收机，安装所述车载移动平台上，用于所述车载移动平台的高精度定位及授时；
[0012]所述惯性单元，安装在所述车载移动平台上，用于在隧道内所述GPS接收机接收不到GPS信号的情况下，测量所述车载移动平台的位置、姿态数据，实现在隧道内部高精度的位置推算；
[0013]所述同步控制器，安装在所述车载移动平台上，用于同步、触发面阵相机、红外热成像仪，保证所有数据具有统一的时间空间基准；
[0014]所述面阵相机，安装在所述车载移动平台上，连接所述同步控制器，用于采集隧道衬砌的二维图像信息；
[0015]所述照明设备，安装在所述车载移动平台上，用于为所述面阵相机提供照明光源；
[0016]所述红外热成像仪，安装在所述车载移动平台上，连接所述同步控制器，用于采集隧道衬砌的红外温度场；
[0017]所述采集服务器，用于接收所述GPS接收机、惯性单元、光电编码器、同步控制器、面阵相机、红外热成像仪的数据，进行数据存储和处理；
[0018]所述显控装置，连接所述采集服务器，用于所述采集服务器的人机交互，包括采集控制界面的参数设置，数据界面显示，检测的状态以及结果的显示；
[0019]所述供电系统，安装在所述车载移动平台上，为系统提供各个设备所需的各种电源。
[0020]所述面阵相机的数量为多个，一个面阵相机采集一部分隧道内壁区块的灰度图像，多个所述区块的灰度图像拼接成一个隧道内壁断面的灰度图像。
[0021]所述红外热成像仪的数量为多个，一个红外热成像仪采集一部分隧道内壁区块的温度图像，多个所述区块的温度图像拼接成一个隧道内壁断面的温度图像。
[0022]所述基于红外温度场和灰度图像隧道衬砌病害检测装置，还包括激光扫描仪，所述激光扫描仪安装在所述车载移动平台上，连接所述同步控制器，用于扫描采集隧道衬砌断面的形变数据，所述形变数据输出到所述采集服务器。
[0023]所述采集服务器的数据处理包括，将接收的隧道衬砌二维图像数据、红外温度场数据和断面形变数据，结合GPS、惯性单元和光电编码器的定位数据，建立带灰度信息、温度信息和断面形变信息的隧道模型；采用二维灰度信息处理技术分析隧道衬砌裂缝，自动检测裂缝的长度、宽度和衬砌渗漏水信息，并将结果保存，作为隧道维修与养护的参考依据。
[0024]基于红外温度场和灰度图像的隧道衬砌病害检测装置，利用红外热成像仪、面阵相机、光电编码器、GPS及惯性单元等多传感器集成及数据融合原理与方法，在车载平台以1-60公里/小时的正常城市车行速度移动中，由安装在平台上的红外热成像仪获取隧道内部的红外热图，由面阵相机和大功率的LED照明设备获取隧道衬砌的灰度图像数据，由激光扫描仪获取隧道断面的测距和角度数据，由安装在车轮上的光电编码器获取车载平台的行驶距离及运行速度，由安装在平台的GPS和惯性单元获取平台的位置、姿态数据，所有的传感器数据和同步数据传输到计算机中进行融合处理，综合红外温度场与灰度图像信息提取衬砌的病害信息。
[0025]因此，本发明至少具备以下有益效果:
[0026]I)采用了高精度的时空同步控制方案，建立高精度的时空基准，提高了各传感器的同步精度，减小了数据融合的难度，使检测结果更加可靠；
[0027]2)获取精密红外温度场数据与二维灰度数据的速度快，大幅提高了作业效率；
[0028]3)对多个二维灰度图像数据进行拼接融合，实现了对细微衬砌裂缝的识别与提取；
[0029]4)综合了红外温度场检测与二维灰度图像裂缝检测的优势，解决了单一检测方式遇到的技术瓶颈，提高了隧道衬砌病害检测的效率和准确性。
【附图说明】
[0030]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明的技术方案作进一步具体说明。
[0031 ] 图1为总体技术结构示意图。
[0032]图2为灰度图像数据采集原理图。
[0033]图3为温度图像数据采集原理图。
[0034]图4为高精度定时定位原理图。
[0035]图5为面阵相机在隧道内的采集坐标位置示意图。
[0036]图6为灰度图像数据拼接原理图。
[0037]图7为基于灰度图像与红外温度场信息的隧道衬砌病害检测原理图。
【具体实施方式】
[0038]基于红外温度场和灰度图像的隧道衬砌病害检测装置，利用红外热成像仪、面阵相机、光电编码器、GPS及惯性单元等多传感器集成及数据融合原理与方法，在车载平台以1-60公里/小时的正常城市车行速度移动中，由安装在平台上的红外热成像仪获取隧道内部的红外热图，由面阵相机和大功率的LED照明设备获取隧道衬砌的灰度图像数据，由激光扫描仪获取隧道断面的测距和角度数据，由安装在车轮上的光电编码器获取车载平台的行驶距离及运行速度，由安装在平台的GPS和惯性单元获取平台的位置、姿态数据，所有的传感器数据和同步数据传输到计算机中进行融合处理，综合红外温度场与灰度图像信息提取衬砌的病害信息。
[0039]基于红外温度场和灰度图像的隧道衬砌病害检测系统硬件包括:
[0040](I)车载移动平台；由底盘车与方舱改装构成，为隧道衬砌病害检测的各传感器和电源提供机械搭载平台。
[0041](2)光电编码器；光电编码器安装在载体平台的底盘车后轮的中心轴上，以测量载体平台的运行速度和距离。本发明采用了一台高精度光电编码器，其里程脉冲精度达到mm级，可以用于精准控制隧道衬砌断面数据采集，采用GPS和惯性单元协同工作的方式来获取载体平台的绝对坐标，能更有效地与高密度行程数据和精密二维图像断面数据融合。
[0042](3)惯性单元；惯性单元安装在车顶的支架上，测量载体平台的姿态参数，在隧道内部实现高精度的位置推算。在隧道无GPS信号的情况下，通过惯性测量元件输出系统所处的航行、俯仰及横滚姿态及位置信息，高精度编码器的数据对惯导进行实时修正，实现隧道内部病害的高精度定位。
[0043](4)GPS接收机；GPS接收机安装在车顶的支架上；在有GPS的信号下实现系统的高精度定位及授时。
[0044](5)同步控制器；安装在方舱内机柜设备，用于同步、触发各个传感器及采集服务器，保证所有数据具有统一的时间空间基准。同步控制器可以主动触发传感器采集并记录触发时刻的时空坐标，另一方面被动接收传感器采样时刻的同步信号，以获取传感器采样时刻的时空坐标，用于采集数据的时空同步与融合。
[0045](6)多个面阵相机；安装在传感器支架上，同时采集隧道内壁不同区块的衬砌灰度图像。
[0046](7)多个LED照明光源；不同朝向安装在传感器支架上，为多个面阵相机提供照明光源。
[0047](8)红外热成像仪；安装在传感器支架上，采集隧道衬砌的红外温度场。由于隧道内部的脱空能够反映在温度上的变化会很小，选择高灵敏度的红外相机能实现隧道衬砌的脱空识别。
[0048](9)激光扫描仪；安装在传感器支架上，采集隧道衬砌断面形变数据。
[0049](10)供电系统；安装在方舱内部，为系统提供各个设备所需的各种电源。
[0050](11)采集服务器；安装在方舱内部，采集各个传感器数据并进行存储。
[0051](12)显控装置；安装在方舱内部，用于采集界面的参数设置，数据界面显示，检测的状态以及结果的显示等人机交互。
[0052]如图1所示，GPS接收机、光电编码器输入到同步