一种紧凑型轨道二维与三维成像系统的制作方法

本发明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。

背景技术：

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，本发明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。

技术实现要素：

为了解决现有轨道巡检方法所存在的上述问题，本发明提供一种紧凑型轨道二维与三维成像系统。

本发明的技术方案是：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。

本发明有益效果：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)本发明成像系统，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)本发明成像系统，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)本发明成像系统，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，本发明成像系统，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)本发明成像系统，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)本发明成像系统，可在可见光波段进行二维与三维成像，可见光位于线阵摄像机和3d摄像机的高量子效率区，可降低光源(片光p1、p2)的亮度和功率需求；8)当本发明成像在可见光波段工作时，使用遮光罩遮挡环境干扰光，可保证二维与三维成像效果。

附图说明

图1本发明成像系统组成示意图；

图2实施例2组成示意图；

图3实施例2片光p2产生装置示意图，(a)俯视图，(b)左视图；

图4实施例2片光p1产生装置示意图，(a)俯视图，(b)左视图；

图5实施例2片光p2发生装置示意图，(a)俯视图，(b)左视图；

图6实施例2片光p1发生装置示意图，(a)俯视图，(b)左视图；

图7实施例6示意图；

图8片光p1、p2合色示意图；

图9实施例7示意图；

图10环形遮光罩示意图；

图113d摄像机光路示意图：(a)非折叠光路，(b)折叠光路；

图中，1、片光发生器，2、线阵成像单元，3、3d成像单元，4、支撑装置，5、外壳，6、钢轨，7、3d摄像机，8、线阵摄像机，9、线阵摄像机成像平面与轨道平面交线，10、片光p2照射区域，11、片光p1照射区域，12、3d成像单元成像区域，13、线光源，14、线结构光发生器，15、合色镜，16、线光源光线，17、线结构光，18、合束光线，19、合色镜镜面，20、双波长片光发生器，21、环形遮光罩。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施对本发明进行详细说明。

如图1所示，一种紧凑型轨道二维与三维成像系统，由片光发生器1、线阵成像单元2、3d成像单元3、支撑装置4和外壳5组成；其中，片光发生器1用于产生两个片光p1、p2，片光p1的波长为b1、宽度不小于2m，厚度不超过1mm，片光p2的波长为b2、宽度不小于2m、厚度小于2mm；所述片光发生器1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2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摄像机的镜头斜向下拍摄片光p1在轨道表面的光条，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摄像机拍为基于fpga的嵌入式图像处理系统，自带线结构光3d测量算法(参考吴庆阳.《线结构光三维传感中关键技术研究》[d].四川大学,2006.等论文)，直接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n的取值为3。

实施例2

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。如图2所示，3d成像单元由3台3d摄像机7组成，3台3d摄像机沿轨道纵向垂直方向设置，其中3d摄像机7-1、7-3位于钢轨正上方，3d摄像机7-2位于轨道中心正上方，3d摄像机的成像视场存在重叠区域，以对整个轨道进行3d成像；3台3d摄像机7的光轴与片光pi的夹角为45度，3d摄像机7的光心沿轨道纵向到片光p1的距离为d1，d1的取值为500mm；线阵成像单元由3台线阵摄像机8组成，其中线阵摄像机8-1、8-3位于钢轨正上方，线阵摄像机8-2位于轨道中心正上方，3台线阵摄像机的成像区域存在重叠区域，以对整个轨道进行2d成像；3台线阵摄像机(8-1、8-2、8-3)的成像平面共面，成像平面在轨道平面的交线为9，片光p2在轨道平面的照射区域为10；片光p1在轨道平面的照射区域为11；片光p1与片光p2平行；片光p1照射区域11的中轴线与线阵成像单元中3台线阵摄像机的成像平面平行；片光p1与片光p2的距离为d2，d2的取值以使片光p2不出现在3d成像单元的成像视场12中为宜。

如图3所示，片光p2由3个线光源13沿轨道纵向垂直方向共线拼接而成，其中线光源13-1、13-3分别位于钢轨正上方，13-2位于轨道中心正上方；如图4所示，片光p1由3个线结构光发生器14沿轨道纵向垂直方向共线拼接而成，其中线结构光发生器14-1、14-3位于钢轨正上方，线结构光发生器14-2位于轨道中心正上方。

片光p2中3个线光源13-1、13-2、13-3由led光源进行光学调制而成，比如在圆形点光源前端加装扩束柱面镜实现线光源。

片光p1中3个线结构光发生器14-1、14-2、14-3由单波长点状激光器加扩束柱面镜组成。

片光p2的波长为530nm，片光p1的波长为530nm。

线阵摄像机8为单色线阵摄像机，在线阵摄像机8、3d摄像机7的前端加装530nm的窄带滤光片。

实施例3

与实施例2不同之处在于，如图5所示，片光p2由5个线光源13共线拼接而成，其中线光源13-1、13-2、13-4、13-5分别位于钢轨上方两侧，13-3位于轨道中心上方；如图6所示，片光p1由5个线结构光发生器14共线拼接而成，其中4个线结构光发生器14-1、14-2、14-4、14-5分别位于钢轨上方两侧，1个线结构光发生器14-3位于轨道中心上方。这样做的好处是，如图4所示，在实施例2中的片光p2中，当线光源13-1或13-3位于钢轨正上方时，会因为钢轨遮挡而产生阴影。同样的，对于实施例2中片光p1而言，当线结构光发生器14-1、14-3位于钢轨正上方时，会因钢轨顶部遮挡(图4)，导致无法对钢轨两侧部分扣件区域进行三维测量。在钢轨上方两侧分别布置线光源和线结构光，可以有效解决该问题。

实施例4

与实施例3不同之处在于，片光p1、p2为近红外光源，波长为808nm，并在线阵摄像机8、3d摄像机7前端加装808nm的窄带滤光片。

实施例5

与实施例3不同之处在于，所述片光p2为白光光源，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彩色线阵扫描图像。

实施例6

与实施例3不同之处在于，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。具体如图7所示，将5个线光源13、5个线结构光发生器14共线安装，以进一步缩短成像系统沿轨道纵向长度。为了避免片光p2对3d摄像机三维测量造成干扰，片光p1与片光p2的波长不同，且光谱范围不重叠。片光p1的波长为808nm，片光p2的波长为530nm。并在3d摄像机前端设置808nm的窄带滤光片，在线阵摄像机前端设置530nm的窄带滤光片。

实施例7

与实施例6不同之处在于，片光p1、片光p2中的光源都为单波长激光器光源。其中片光p1的波长为808nm，片光p2的波长为700nm。片光p2中的线光源与片光p1中的线结构光通过合色镜15进行光束合成。如图8所示，将线光源13发出光线16、线结构光发生器14发出光线17通过合色镜合束为光线18，光线18也为片光，其中包含了2个波长(808nm、700nm)片光。光线16、光线17照射方向垂直，分别与合色镜的镜面19成45度角，合色镜的镜面19透过光线16、反射光线17。如图9所示，将线光源13、线结构光发生器14和合色镜15固定后，构成双波长片光发生器20，采用5个双波长片光发生器20，与3台线阵摄像机共线安置。在线阵摄像机8前端设置波长为700nm的窄带滤光片，在3d摄像机前端设置808nm的窄带滤光片。

实施例8

成像系统的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，导热结构与片光发生器1、线阵成像单元2、3d成像单元中发热器件的接触面也填充硅油，也增加导热效率。

实施例9

如图10所示，当片光p1、片光p2的波长为可见光波段时，在外壳底部四周安装环形遮光罩21，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，遮光罩底部不低于钢轨顶部。

实施例10

与实施例1不同之处在于，如图11.b所示，在3d摄像机7前端设置一块反射镜22，并使3d摄像机的镜头背向线结构光14，用于折叠成像光路，进而缩短成像系统沿轨道纵向方向上长度。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应该被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。