基于分時曝光技術的鋼軌廓形激光成像系統簡析

王寧，趙鑫欣，郝晉斐，王凡

（中國鐵道科學研究院集團有限公司基礎設施檢測研究所，北京 100081）

鋼軌是鐵路基礎設施最重要的部件之一，是重點維護的對象。隨著我國鐵路六次提速和高速鐵路大規模建設，鋼軌輪廓檢測已成為鐵路工務部門最為關心的問題之一。

目前鐵路部門專用軌道檢測車采用激光三維攝像技術實現鋼軌廓形的快速普查。由于打磨后鋼軌表面在行車過程中形成許多不規則的反射鏡面，導致激光成像對光照十分敏感，形成的光條中不可避免地出現許多由鏡面反射導致的光斑或暗斑，最終將嚴重影響系統檢測結果，如圖1所示。

本文針對鋼軌表面反光對廓形磨耗檢測系統的影響，探索運用長短分時曝光技術提升激光成像性能的抗光照干擾特性。

1 系統設計

如圖2所示，分時曝光高動態激光攝像組件主要由1臺相機、1臺激光器、1塊圖像采集處理板組成，通過雙曝光和激光三角原理，實現對打磨反光情況下的鋼軌廓形圖像采集。該組件基于雙曝光機制，在一次拍攝中，相機的奇偶行同時曝光，奇數行曝光時間長，偶數行曝光時間短，從而可同時獲取軌腰和軌頂的清晰圖像，避免鋼軌反光干擾。

分時曝光激光攝像組件通過雙曝光和激光三角原理，實現在打磨反光情況下的鋼軌廓形圖像采集。通過雙曝光機制，在一次拍攝中，相機成像單元的奇偶行同時曝光，奇數行曝光時間長生成長時曝光圖像，偶數行曝光時間短生成短時曝光圖像，在經過對長短時曝光圖像進行加權數據融合，從而可同時獲取鋼軌各部位的清晰圖像，避免鋼軌反光干擾。

本文采用空間域融合的方法，提出基于光條信度評價的偏振分量圖像融合方法。以2幅長短時曝光分量圖像為融合源圖像，由光條質量評價確定每幅源圖像的融合權重，根據融合權重進行圖像融合。為了確定2幅圖像的融合權重，引入光條信度評價機制，光條信度反映了光條的質量，用于評價光條中心位置的可靠性。光條信度評價一般選取光條的寬度特征、灰度特征和光條平均殘差平方和等特征量評價光條中心位置的可信度。

正常工況下，鋼軌廓形圖像中的光條寬度處于一定的范圍，而在過曝區域，由于曝光過量，光條寬度急劇增大，在欠曝區域，對比度降低，光條寬度又明顯減小，甚至為0，因此可以根據鋼軌廓形圖像中的光條寬度評價光條的可信度。

2 實驗分析

2.1 實驗設計

按照如下步驟進行實驗論證：

（1）根據系統架構圖連接系統，并加電運行，觀察是否加電正常，圖像能夠正常采集顯示。

（2）搭建打磨后鋼軌模擬實驗環境，在鋼軌上粘貼錫箔紙，以模擬打磨后鋼軌鏡面反射的情況；將鋼軌與采集組件根據軌廓設計尺寸及位置姿態防止固定好。

（3）對打磨鋼軌進行圖像采集，分別設置奇偶行曝光時間獲取不同圖像，依次對分時曝光高動態激光攝像組件進行各項接口的驗證。

（4）分析判斷系統采集到的打磨后鋼軌圖像，在奇偶行不同曝光的設置下，是否能夠實現鏡面區域的完整采集，對圖像效果進行綜合評估。

2.2 實驗分析

（1）通過圖像采集軟件采集打磨后鋼軌圖像。首先設置奇數行和偶數行曝光時間一樣為800us。采集的軌廓圖像如圖3。

此時雖然能采集到完整的廓形，但是對于軌距角處反光較強烈，光條較為集中，難以精確獲取提取后廓形。由于軌距角處是輪軌關系分析中最為重要部分之一，因此該圖像對于后續研究干擾較大。

（2）設置減小相機曝光時間，使上述反光強的廓形部分曝光正常，此時相機奇數行和偶數行曝光時間一樣為100us。采集的廓形圖像如圖4所示。

將圖像放大觀察局部，觀察之前存在反光干擾的部分，發現此時廓形清晰無反光干擾。細節圖如圖5和圖6所示。

偶數行在軌距角處光條清晰均勻，奇數行在其他位置的光條清晰均勻。通過對兩種圖像進行融合計算，可以獲取完好的激光光條圖像，如圖7所示。

3 結語

本文針對激光成像中陽光干擾的問題設計了一種分時曝光成像系統，通過對鋼軌激光圖像數據融合的結果分析可以看出，采用這種分時曝光的方式，相機的奇數行和偶數行相結合，可同時獲取完整有效的鋼軌廓形圖像，有效避免鋼軌表面反光對成像的干擾。