車載激光掃描式鐵路隧道成像系統

2012-07-13 08:53:58劉維楨李連東孫淑杰

鐵路技術創新 2012年1期

關鍵詞：鐵路

■ 劉維楨李連東孫淑杰

我國幅員遼闊、且多山區，為了克服地形不利因素或高程障礙物，縮短鐵路里程、提高行車速度、節省時間、提高運輸效率，在山嶺地區修建鐵路隧道的數量日益增加。利用相關設備連續對隧道襯砌表面傷損情況進行檢測，并將檢測數據保存起來進行分析判斷，可有效掌握隧道表面傷損的變化情況，及時消除影響運輸安全的隱患。車載激光掃描式鐵路隧道成像系統正是在此需求基礎上研發的。

1 車載激光掃描成像技術

激光掃描是依據數據采樣密度和空間分布要求，通過機械和光學掃描方式將激光測量光束按采樣要求精確投射到被測物體表面，并利用回波探測器探測目標物的反射波，通過對反射波的信號處理獲取目標物體信息的新型探測成像技術。車載激光掃描成像是以激光作為有源照射的主動遙感方式，這種方式較少受環境、氣候、目標光照和對比度的影響，可以全天候工作，且由于激光的高亮度、高方向性和相干性，車載激光掃描成像可以獲得很高的空間分辨率。

激光測距是激光掃描技術的重要組成部分之一，其對激光掃描的定位和場景空間信息的獲取具有十分重要的作用。隧道成像系統利用激光掃描測量的數據點坐標，判斷是否有物體侵入隧道的建筑限界，即完成了對隧道限界的動態、實時檢測。

車載激光掃描儀在獲取位置坐標信息數據的同時，大都會記錄下各激光腳點反射的回波信號強度。由于不同物質是不同的介質組成，而不同介質表面的反射系數也不同，決定了激光回波能量的多少。激光回波能量決定了回波強度信息的大小，轉換為灰度圖像，就會表現為不同灰度值。這樣，根據灰度值的不同，將不同的物質區分開來。激光掃描成像就是基于此原理。

2 鐵路隧道成像系統

基于車載激光掃描技術的鐵路隧道成像系統主要由軌道小車、激光掃描傳感器、測量專用計算機、數據處理服務器和軟件系統組成。系統總體結構見圖1。

2.1 硬件設計

軌道小車是激光掃描傳感器的載具平臺，為激光掃描傳感器供電，并為數據采集系統提供距離采樣脈沖和速度、里程等信息；激光掃描傳感器通過機械結構固定于軌道小車電池箱上，隨軌道小車的移動對隧道表面形成螺旋式的連續掃描采樣；測量專用計算機由專用的堅固型筆記本固定架固定于軌道小車上，與軌道小車、激光掃描儀連接；數據處理服務器是后端數據處理、分析的平臺。

圖1 鐵路隧道成像系統結構示意圖

2.2 軟件設計

軟件包括前端數據采集軟件和后端數據分析軟件。前端數據采集軟件用于現場實時數據的采集、快速整合和存儲；后端數據處理和分析軟件提取數據采集軟件采集的數據，對數據進行分析重組，形成二維、三維全息圖，同時進行侵限判斷及相關報表的生成。軟件架構見圖2。

數據采集軟件經由傳感器驅動程序實時獲取激光掃描傳感器的數據信息，軌道小車的脈沖信息（位置的準確定位）、軌距和超高信息，并將數據快速合成、存儲。激光掃描儀的數據通過網絡傳輸到數據采集程序，數據包中每個被測點用于測量和成像的數據包括坐標值數據和回波強度數據。掃描儀輸出的數據與軌檢小車輸出的數據融合之后，生成一幀斷面掃描及軌道狀態數據。檢測數據生成流程見圖3。

后端數據分析軟件主要用于對數據的綜合分析處理，包含全息展示、數據處理和數據分析與報表生成。其從前端數據采集軟件整合存儲的數據中提取強度信息數據，經過灰度轉換，生成隧道內表面的全息展示；距離信息經過修正和坐標變換，用于判斷被測點是否侵入限界，經過復雜的邏輯分析與運算以二維、三維方式展示隧道的輪廓，并生成最終的檢測報表。采樣點的回波強度信息數據經過以下幾個步驟的處理后轉換為像素灰度圖像：

（1）重采樣。把時間序列的數據轉換為規則網格數據陣列，每一個像素的灰度值用采樣點的回波強度值代替。

（2）濾波。當回波強度低于設定閾值時，認為當前值無效。一般無效數據點是由于激光射到天空或是隧道通風口等沒有形成回波造成的。

（3）去除奇異點。回波強度數據中，有少數點的強度值遠遠大于其他點，屬于噪點數據。

（4）去除奇異點的處理。激光掃描噪聲中的主要成分是脈沖噪聲，對于這種噪聲，系統采用中值濾波法去除孤立點，并保持圖像的邊緣。

3 系統功能實測

鐵路隧道成像系統的實測現場選在動車所（見圖4），箭頭方向為軌道小車推行方向；動車所內全息展示見圖5；三維展示見圖6；限界展示截圖見圖7。由于試驗現場不是鐵路隧道，故圖7生成的侵限展示無法判斷是否侵限，圖中紅色曲線是按標準單向隧道限界繪制，藍色曲線是在動車庫中實測的建筑物限界，圖中藍色的點是動車庫中弓網、金屬支架等建筑物。