線掃描相機成像技術在鐵路車輛故障圖像檢測領域的應用

李俠 張鍇 張亨 韓濤

【摘要】線掃描相機配合激光光源的成像技術在鐵路車輛故障圖像檢測領域使用，相比面陣相機成像技術，有以下優點：1）圖像完整性好，有利于檢車員看圖并容易發現車輛故障。2）采用紅外線性激光光源，能量集中，圖像亮度均勻，抗陽光干擾效果更加理想。3）實現了整車無縫拼接，更有利于圖像故障自動識別。

【關鍵詞】線掃描相機激光光源鐵路車輛故障圖像檢測

1.前言

最初的鐵路車輛故障檢測完全采用人工方式，車輛入段（編組站）后，鐵路工人拎著錘子通過觀察和聽錘子敲擊車輛的聲音判斷車輛故障。這種原始的車輛故障檢測手段，人工作業難度大，不容易發現隱蔽故障，且無法核實和追溯故障。

2005年，國內一些企業開始研究車輛故障圖像檢測系統，通過安裝在軌道底部和兩側的工業相機，在鐵路車輛通過時，動態拍攝車輛圖片，圖片實時傳輸到列檢中心，作業人員在電腦上瀏覽車輛圖片，發現故障后及時通知維修。這種方式將現場人員從繁重的體力勞動中解放出來，極大地提高了鐵路車輛檢修的效率。

早期的車輛故障圖像檢測系統采用的面陣相機每次曝光成像一幅照片，圖像在拍攝方向上不能無縫拼接，且容易因為信號的干擾造成丟圖、竄圖等問題，給作業人員造成了不小的困擾。2009年，線掃描相機的出現，革命性地改變了車輛故障圖像檢測領域的發展，線掃描相機形成的圖像可以做到無縫拼接，并為實現圖像故障自動識別提供了條件。

2.線掃描相機成像技術

線掃描相機，主要應用于工業、醫療、科研與安全領域的圖象處理。在機器視覺領域中，線掃描相機是一類特殊的視覺機器。與面陣相機相比，它的傳感器只有一行感光元素，因此使高掃描頻率和高分辨率成為可能。線掃描相機的典型應用領域是檢測連續的材料，例如金屬、塑料、紙和纖維等。被檢測的物體通常勻速運動，利用一臺或多臺相機對其逐行連續掃描，以達到對其整個表面均勻檢測?？梢詫ζ鋱D象一行一行進行處理，或者對由多行組成的面陣圖象進行處理。另外線掃描相機非常適合測量場合，這要歸功于傳感器的高分辨率，它可以準確測量到微米。

從車輛故障圖像檢測領域廣泛使用的線掃描相機對光譜的敏感曲線可以看出，該相機對800nm附近波段的光線最敏感。另一方面，可見光處于390nm～770nm波段，太陽光在808nm波段的光功率密度大概是0.95*808W/m2=0.7676mW/mm2，光功率密度相對于可見光部分要小，如果采用808nm波段的近紅外補償光源，既能很好地滿足線掃描相機對感光的要求，且由于近紅外光基本不可見，消除了補償光源在軌邊對車輛駕乘人員的干擾。

激光單色性好、功率大、能量集中，能很好地配合線掃描相機使用。如果光功率密度選擇合適，則既能滿足線掃描相機的需要，又能起到很好的抗陽光干擾的效果。

激光光源分為三部分，激光器、光纖、激光鏡頭。激光器是激光發生源，是激光光源最重要的部分。光纖是激光傳輸的介質，連接激光器和激光鏡頭。激光鏡頭由光學鏡頭組成，將光纖傳輸過來的點狀激光光斑變成線狀激光光斑。光纖必須按照激光器配套，芯徑400um，數值孔徑0.22，而激光鏡頭的好壞決定了激光光源光斑的均勻性。

早期的激光補償光源兩端光弱、中部光強，使線掃描相機所采集的圖像在靠近鋼軌側曝光不足，線掃描相機視場中部卻曝光過度；在垂直于線掃描相機掃描線方向上，補償光源是發散式的，近處光強而遠處光弱，使線掃描相機采集的圖像在列車底部交叉桿等近處曝光過度、遠處卻曝光不足。

隨著技術發展，另外一種新型激光鏡頭出現，該鏡頭發出的線性光源兩端光強、中部光弱，使線掃描相機所采圖像在靠近鋼軌側也可充分曝光，而相機視場中部不會過度曝光；在垂直線掃描相機掃描線方向上會聚光，使線掃描相機采集的圖像在動車底部中間不會過度曝光，而動車底部距相機較遠處也可充分曝光。由此使線掃描相機所采集的圖像在橫向、遠近取景處都有合適的曝光度。

3.線掃描相機成像技術優勢

1）采用線掃描相機作為拍攝單元，結合廣角拍攝技術，采用單個相機即可完成列車底部可視部件的圖像采集，拍攝圖像完整性好，真正實現了列車側部與底部拍攝圖片的無縫拼接。

2）采用紅外線性激光光源，能量集中，抗陽光干擾效果更加理想。3）線掃描相機拍攝的圖像更有利于車輛故障圖像自動識別。

線掃描相機拍攝的圖片沒有拼接，有利于故障位置的定位。線掃描相機白天與夜間拍攝的圖片基本一致，基本無陽光干擾。線掃描相機只對運動的物體成像，對靜止的物體不成像，背景圖像單一。

目前，線掃描相機成像技術在動車組運行故障圖像檢測領域的應用，能實現故障的自動識別，雖然故障預報準確率僅能達到50%，但能在很大程度上減輕作業人員的工作量，作業人員只需要對系統預報的故障進行核實，不需要再查看全部圖像。線掃描相機成像技術在鐵路車輛故障圖像檢測領域帶來了前所未有的革命性變化。

參考文獻

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