一种基于散斑照相技术的轨道表面损伤检测系统和方法与流程

本发明属于光学检测和轨道表面损伤检测技术领域，涉及一种基于散斑照相技术的轨道表面损伤检测系统和方法。

背景技术：

截止到2018年3月5日，我国高速铁路运营里程增加到2万5千公里，占世界三分之二，然而，与高铁发展状况不匹配的是钢轨巡检依然处于“低速”模式，铁路钢轨探伤车的最高检测速度仅为80km/h。钢轨表面的磨耗损伤主要有压溃、剥离掉块和波浪磨耗，目前轨道探伤技术主要有：轨检小车，如瑞士安博格公司的grp1000/3000/5000、中国郑州辰维trig1000铁路轨道检测仪；一体化超声探伤车，如美国的sperry1900、中国的gtc-80。轨检小车采用半机械化与智能化结合的方式，检测铁路轨道内部几何状态(轨距、水平、轨向、高低、正失扭曲)和外部几何状态(轨道中线偏差、高程偏差)，但是其缺点在于作业时间窗口短、效率低，日巡检在10km左右，且对操作员经验要求高。一体化超声探伤车中，最高检测速度仅为80km/h，其中轮式传感器对线路的适应性好，特别适合有缝线路或轨头形态不良(如严重侧磨)的情况；滑靴式传感器对轨头形态的要求相对苛刻，侧磨和轨缝都会导致滑靴失水而破坏耦合，影响检测效果。

经检索，一种双轨自动探伤系统(详见上海铁路科学技术研究所的发明专利“双轨自动探伤系统”，公开日为：2012-05-09，公开号为：cn102445495a)和一种铁路钢轨探伤轮探头及铁路钢轨探伤方法(详见中国铁路总公司等的发明专利“一种铁路钢轨探伤轮探头及铁路钢轨探伤方法”，公开日为：2018-02-23，公开号为：cn107727741a)分别介绍了基于超声技术测量铁路钢轨界面回波，实现分析钢轨伤损和定位的方法，但这种方法的缺点是超声探头与钢轨间的耦合仍然需要耦合剂，无形中增加了检测成本，也无法实现非接触式的探测。

散斑照相技术指使用散斑强度图样叠加的技术，是一项重要的无损检测，能够有效地对钢轨的损伤状态进行探测。

技术实现要素：

为解决现有轨道探伤技术存在的问题，本发明提供一种基于散斑照相技术的轨道表面损伤检测系统。通过采集与分析钢轨表面的散斑差分图像，实现轨道表面损伤非接触式地探测，有效地提高了探测速度。

本发明还提供一种基于散斑照相技术的轨道表面损伤检测方法。

本发明的基于散斑照相技术的轨道表面损伤检测系统采用如下技术方案实现：

一种基于散斑照相技术的轨道表面损伤检测系统，包括：钢轨、扣件、混泥土枕、第一探测单元、第二探测单元、第一激光位移传感器、第二激光位移传感器和工控机，其中：

第一探测单元和第二探测单元用于向钢轨表面发射激光，并采集散斑差分图像，分别位于列车底部左右两侧；

第一激光位移传感器和第二激光位移传感器用于测量轨道混凝土枕的高度，二者位于同一侧轨道，同时位于左侧轨道或者右侧轨道；

工控机用于接收第一激光位移传感器和第二激光位移传感器输出，判断是否经过混泥土枕，对途径的混泥土枕的计数；控制第一探测单元和第二探测单元采集钢轨表面的散斑差分图像；通过对散斑差分图像的分析及其所处的混泥土枕区间，实现钢轨表面损伤的判断和定位。

进一步地，第一探测单元和第二探测单元分别由分装壳进行封装，封装壳底部开口，允许光路通过，二者结构相同。

优选地，第一探测单元和第二探测单元分别包括：激光器、扩束镜、准直镜、第一分束器、第二分束器、参考钢轨段、第一透镜、光栅、第二透镜和ccd相机；其中：

激光器、扩束镜、准直镜、第一分束器和第二分束器位于钢轨正上方；激光器、扩束镜和准直镜同光轴且垂直地面，且位于第一分束器和第二分束器的正上方，分别对称于激光器的光轴放置；

第一分束器、第二分束器、参考钢轨段、第一透镜、光栅、第二透镜、ccd相机处于同一水平高度，其中：第一透镜、光栅、第二透镜和ccd相机同光轴；第一分束器和第二分束器沿钢轨方向排列，且对称于ccd相机光轴放置。

优选地，光栅和透镜进行组合用于实现光学图像差分运算；激光器的投射宽度和ccd相机的拍摄宽度不小于钢轨的宽度。

进一步地，第一探测单元和第二探测单元工作原理为：

通过激光器发出激光，激光经过扩束镜、准直镜后分别经过第一分束器、第二分束器；经过第一分束器的光被待测钢轨表面反射，再次经第一分束器后到达第一透镜；经过第二分束器的光被参考钢轨段表面反射，再次经第二分束器后到达第一透镜，到达第一透镜的两束光，再经过光栅、第二透镜后到达ccd相机；

当第一分束器和第二分束器的中心的距离为激光器波长、第一透镜和第二透镜焦距、光栅空间频率三者之积时，则ccd相机采集到散斑差分图像。

进一步地，第一激光位移传感器和第二激光位移传感器与地面垂直，同时位于列车底部左侧或者右侧，第一激光位移传感器和第二激光位移传感器所在直线和钢轨平行；

设第一激光位移传感器和第二激光位移传感器到钢轨的横向距离均为d1，第一激光位移传感器和第二激光位移传感器之间的纵向距离为d2，则d1和d2保证第一激光位移传感器和第二激光位移传感器探测范围在混泥土枕的非扣件区域上方；d2小于混泥土枕的宽度w，即：d2<w。

优选地，第一探测单元、第二探测单元、第一激光位移传感器和第二激光位移传感器均固定在同一底座上，在底座与列车之间，增加一个惯性系。

本发明的基于散斑照相技术的轨道表面损伤检测方法采用如下技术方案实现：

一种基于散斑照相技术的轨道表面损伤检测方法，包括：

s1、第一激光位移传感器和第二激光位移传感器测量轨道混凝土枕的高度并输出给工控机；

s2、工控机接收第一激光位移传感器和第二激光位移传感器的输出，判断是否经过混泥土枕，对途径的混泥土枕的计数；若经过混泥土枕则跳控制ccd相机采集轨道表面的散斑差分图像；

s3、通过对散斑差分图像的分析及其所处的混泥土枕区间，实现钢轨表面损伤的判断和定位。

进一步地，步骤s2包括：当工控机接收到的第一激光位移传感器和第二激光位移传感器的输出d0中，其中一个激光位移传感器的输出在满足|d0-h|<t的条件下，另一个激光位移传感器的输出从|d0-h|≥t跳变为|d0-h|<t时，则说明第一激光位移传感器和第二激光位移传感器正位于混泥土枕正上方，工控机中混泥土枕的计数加1，触发ccd相机回到初始状态，在两个混泥土枕之间以一定的帧率采集一组轨道表面的散斑差分图像，直到到达下一个混泥土枕，再重新执行以上步骤。

进一步地，步骤s3包括：对散斑差分图像经过数字图像处理后提取异常图片，再根据异常图片所位于两个混泥土枕的编号和散斑图像拍摄时间，定位受损钢轨。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明提供一种通过生成轨道表面散射的散斑图像，通过光栅与透镜组合提取参考件和待测件的散斑差分信息，实现非接触式地探测轨道表面损伤的方法。

2、本发明方法大大提高了轨道表面损伤的探测速度。以轨枕间距0.6m为例，若每两个轨枕之间采集4张轨道表面的散斑图像，ccd相机帧率为600fps，可以满足时速为315km/h的列车进行轨道表面损伤的探测。

3、根据异常轨道所处的混泥土枕编号和散斑图像拍摄时间，可实现对受损轨道的快速定位。

附图说明

图1是本发明一个实施例中轨道表面损伤检测系统示意图。

图2是本发明一个实施例中第一探测单元、第二探测单元内部光路示意图；其中：(a)是侧面示意图，(b)是横截面示意图。

图3是本发明一个实施例中第一激光位移传感器、第二激光位移传感器相对位置的横截面示意图。

图中：1为钢轨，2为扣件，3为混泥土枕，4-1为第一探测单元，4-2为第二探测单元，5-1为第一激光位移传感器，5-2为第二激光位移传感器，6为工控机，7为激光器，8为扩束镜，9为准直镜，10-1为第一分束器，10-2为第二分束器，11为参考钢轨段，12为第一透镜，13为光栅，14为第二头透镜，15为ccd相机。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细地描述，但本发明的实施方式并不限于此。

实施例1

一种基于散斑照相技术的轨道表面损伤检测系统，如图1所示，包括：钢轨1、扣件2、混泥土枕3、第一探测单元4-1、第二探测单元4-2、第一激光位移传感器5-1、第二激光位移传感器5-2和工控机6。其中：

第一探测单元和第二探测单元用于向钢轨表面发射激光，并采集散斑差分图像，分别位于列车底部左右两侧。本实施例中，第一探测单元位于列车底部的左侧，对左侧轨道进行检测；第二探测单元位于列车底部的右侧，对右侧轨道进行检测。

第一探测单元和第二探测单元分别由分装壳进行封装，封装壳底部需开口，允许光路通过，二者结构相同，如图2所示，分别包括激光器7、扩束镜8、准直镜9、第一分束器10-1、第二分束器10-2、参考钢轨段11、第一透镜12、光栅13、第二透镜14和ccd相机15。其中：

激光器、扩束镜、准直镜、第一分束器和第二分束器位于钢轨正上方；激光器、扩束镜和准直镜同光轴且垂直地面，且位于第一分束器和第二分束器的正上方，分别对称于激光器的光轴放置；

第一分束器、第二分束器、参考钢轨段、第一透镜、光栅、第二透镜、ccd相机处于同一水平高度，其中：第一透镜、光栅、第二透镜和ccd相机同光轴；第一分束器和第二分束器沿钢轨方向排列，且对称于ccd相机光轴放置；

光栅与透镜组合用于实现光学图像差分运算；

激光器的投射宽度和ccd相机的拍摄宽度不小于钢轨的宽度。

第一探测单元和第二探测单元工作原理为：

通过激光器发出激光，激光经过扩束镜、准直镜后分别经过第一分束器、第二分束器。经过第一分束器的光被待测钢轨表面反射，再次经第一分束器后到达第一透镜；经过第二分束器的光被参考钢轨段表面反射，再次经第二分束器后到达第一透镜，到达第一透镜的两束光，会再经过光栅、第二透镜后到达ccd相机。当第一分束器和第二分束器的中心的距离为激光器波长、第一透镜和第二透镜焦距、光栅空间频率三者之积时，则ccd相机可以采集到散斑差分图像。

第一激光位移传感器和第二激光位移传感器用于测量轨道混凝土枕的高度，二者位于同一侧轨道，可以位于左侧轨道或者右侧轨道。

本实施例中，如图3所示，第一激光位移传感器和第二激光位移传感器与地面垂直，同时位于列车底部左侧或者右侧，第一激光位移传感器和第二激光位移传感器所在直线和钢轨平行。

设第一激光位移传感器和第二激光位移传感器到钢轨的横向距离均为d1，第一激光位移传感器和第二激光位移传感器之间的纵向距离为d2，则d1和d2需保证第一激光位移传感器和第二激光位移传感器探测范围在混泥土枕的非扣件区域上方；d2需小于混泥土枕的宽度w，即：d2<w。

工控机用于接收第一激光位移传感器和第二激光位移传感器输出，判断是否经过混泥土枕，对途径的混泥土枕的计数；控制ccd相机采集钢轨表面的散斑差分图像；通过对散斑差分图像的分析及其所处的混泥土枕区间，实现钢轨表面损伤的判断和定位。

工控机判断是否经过混泥土枕的原理为：设第一激光位移传感器和第二激光位移传感器的输出为d0，则其中一个激光位移传感器的输出在满足|d0-h|<t的条件下，另一个激光位移传感器的输出从|d0-h|≥t跳变为|d0-h|<t时，说明第一激光位移传感器和第二激光位移传感器正位于混泥土枕正上方，其中h为混泥土枕的高度，t为判定阈值，t的取值范围为0～1cm。

优选地，第一探测单元、第二探测单元、第一激光位移传感器和第二激光位移传感器均固定在同一底座上，在底座与列车之间，增加一个惯性系，用于减振。

实施例2

若列车通过两个相邻混泥土枕的时间为δt，相机的最大拍摄帧率为f，两个相邻混泥土枕之间至少需要n张图像才能对钢轨表面完全检测，则须满足f×δt>n，例如：若两段相邻混泥土之间的距离为0.6m，至少需要采集4张图像，当ccd相机15的帧率为600fps时，列车的行驶速度可达315km/h。

一种基于散斑照相技术的轨道表面损伤检测方法，包括：

s1、第一激光位移传感器和第二激光位移传感器测量轨道混凝土枕的高度并输出给工控机；

s2、工控机接收第一激光位移传感器和第二激光位移传感器的输出，判断是否经过混泥土枕，对途径的混泥土枕的计数；若经过混泥土枕则跳控制ccd相机采集轨道表面的散斑差分图像；

具体为：当工控机接收到的第一激光位移传感器和第二激光位移传感器的输出d0中，其中一个激光位移传感器的输出在满足|d0-h|<t的条件下，另一个激光位移传感器的输出从|d0-h|≥t跳变为|d0-h|<t时，则说明第一激光位移传感器和第二激光位移传感器正位于混泥土枕正上方，工控机中混泥土枕的计数加1，触发ccd相机回到初始状态，在两个混泥土枕之间以一定的帧率采集一组轨道表面的散斑差分图像，直到到达下一个混泥土枕，再重新执行以上步骤。

散斑差分图像采集过程为：第一探测单元和第二探测单元通过激光器发出激光，激光经过扩束镜、准直镜后分别经过第一分束器、第二分束器。经过第一分束器的光被待测钢轨表面反射，再次经第一分束器后到达第一透镜；经过第二分束器的光被参考钢轨段表面反射，再次经第二分束镜后到达第一透镜；到达第一透镜的两束光，会再经过光栅、第二透镜后到达ccd相机；当第一分束器和第二分束器的中心的距离为激光器波长、第一透镜和第二透镜焦距、光栅空间频率三者之积时，则ccd相机采集到散斑差分图像。

s3、通过对散斑差分图像的分析及其所处的混泥土枕区间，实现钢轨表面损伤的判断和定位。

具体为：对散斑差分图像经过数字图像处理后提取异常图片，再根据异常图片所位于两个混泥土枕的编号和散斑图像拍摄时间，定位受损钢轨。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。