CN103630088B - 基于双激光带的高精度隧道断面检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测量仪器技术领域，涉及一种基于双激光带的高精度隧道断面检测方法及装置。本装置用于测量隧道断面尺寸和限界检测，主要适用于铁路隧道的高精度、高密度断面检测。本发明利用多个线式激光器对隧道表面摄影，组成两条完整的隧道断面轮廓光带，用高速视觉系统采集光带图像，对图像进行高速并行处理提取光带位置，通过系统标定技术计算实际的隧道断面坐标，实现高速实时隧道断面检测功能。该发明合理利用了相机采集区域，使断面检测精度和密度成倍提高，其结构紧凑，集成度高，亦可用于隧道局部敏感区域的高速检测中。

Description

基于双激光带的高精度隧道断面检测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种高速实时的隧道断面限界检测系统，特别是涉及一种双光带激光摄影和高速视觉检测技术的隧道断面高精度检测方法。

背景技术

铁路隧道的周期性断面测量和基础设施限界检测，对列车的安全运行具有重要意义。近年来，国内轨道交通正处于高速发展期，特别是城市地铁的快速发展，对隧道断面检测技术的需求日益增强。由于地质结构变化、隧道施工维修、列车长期冲击等问题，洞体局部形变、基础设施侵界、附属设备脱落现象屡有发生，所以，隧道断面的高精度测量，可发现问题并指导维护，确保行车安全。

隧道断面检测技术主要有激光扫描测量法和激光三角测量法,现有技术在实际检测过程中，主要缺点为：①激光扫描测量为逐点扫描，利用激光发射与接收的时间计算距离，激光传感器由电机控制旋转，受扫描频率、角分辨率、检测速度等影响，光点呈螺旋形散点扫描，断面检测精度较低，尤其对于截面较小的物体，往往存在漏检情况。②激光三角测量法的高速相机同步检测，在满足图像分辨率的前提下，图像采集频率不超过500Hz，利用一条激光带以20km/h进行投影检测时，对截面尺寸11毫米以内的超限物体，仍然存在漏检情况。目前高速相机的高分辨实时图像处理硬件开发难度较高，并且受限于图像处理算法，每帧高速图像的实时处理速度难以提升，所以在硬件和算法提速中遇到瓶颈。同时，由于隧道线路的增多和检测速度要求的不断提高，现有的检测技术依然无法实现高速高精度的测量。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的不足，提出一种基于双光带的激光三角摄影测量技术，合理使用相机采集区域，使用多条光带投射隧道表面，在图像成像范围内增加隧道断面光带的数量，使断面检测密度成倍数提高，同时配合使用高速视觉系统，设计光带提取算法和实时图像并行处理技术，可实现隧道断面的高速高精度检测。

本发明的技术方案是：一种基于双激光带的高精度隧道断面检测方法，是由每两个线式激光器和一个位于中间的高速工业相机组成一个局部双光带检测装置，利用图像处理算法，一次计算出两条激光带的中心坐标；多个所述的局部双光带检测装置，按照一定角度和距离扫描隧道表面，组成两条断面轮廓激光带；使用高速工业相机组同步采集和图像处理，得到两条隧道断面的图像坐标；利用系统标定算法和数学模型，计算出两条真实的隧道断面坐标。

如果利用两排多个线式激光器拼接出两条隧道段面激光带轮廓，利用高速工业相机实时采集处理两条激光带的图像，一次可以检测出两个隧道断面的数据，使隧道断面的检测精度提高一倍。

本发明对隧道断面的检测是使用一种基于双激光带的高精度隧道断面检测装置，包括双光带线式激光器扫描模块、高速相机图像采集处理模块、系统标定模块。所述双光带线式激光器扫描模块包括多个线式激光器。所述高速相机图像采集处理模块包括用高速相机采集光带图像和利用FPGA并行处理提取两条光带中心位置的图像采集卡，用于图像采集处理和数据存储显示的计算机。所述系统标定模块包括测量基准断面并计算标定参数所使用的放线仪和全站仪。

所述的一种基于双激光带的高精度隧道断面检测装置，其机械结构包括：线式激光器，位置可调节的激光器和高速相机底座，高速工业相机，局部双光带检测装置，检测装置主体调节支架。两个线式激光器和一个高速工业相机安装于激光器和高速相机底座上，构成一个局部双光带检测装置，将多个局部双光带检测装置以一定角度和距离安装于断面检测装置的主体调节支架上，最终拼接成两条断面光带和多个高速工业相机的检测系统。其中，激光器和高速相机底座可根据相机的成像范围，调整两个激光器位置；所述的检测装置主体调节支架可根据检测精度需要，在设备限界内更改尺寸；所述的局部双光带检测装置的数量和安装角度，可根据实际检测对象进行调整；所述的局部双光带检测装置自成系统，可以单独用于隧道局部敏感区域的检测。

本发明的优点是：本发明基于双激光带的高精度隧道断面检测方法及装置，采用了双光带线式激光扫描装置，利用多个线式激光器照射隧道，拼接出两条完整的断面光带，设计了双光带图像并行处理算法，单次可采集计算两条断面数据，增加了隧道断面检测密度，提供了充足的断面数据；同时使断面间检测精度提高一倍，较好的解决了高速检测中的超限物漏检测情况。本发明具有结构紧凑、集成度高和安装方便等优点，其局部双光带检测装置，亦可单独使用或任意组合成系统，用于隧道指定设备或局部区域的高精度检测中。

本发明所述一种基于双激光带的高精度隧道断面检测方法与装置，在高速工业相机系统的图像采集范围内，局部双光带检测装置可以增加线式激光器的数量，拼接成更多的激光带投射隧道表面，形成多条断面轮廓光带，同时设计多光带图像提取算法，实现更高精度的隧道断面检测方法。

附图说明

图1为本发明基于双激光带的高精度隧道断面检测装置的结构示意图，

图2为本发明局部双光带检测装置，

图3为局部双光带检测装置的光带图像示意图，

图4为本发明检测系统的数据采集处理结构框图。

附图标记：1为线式激光器、2为激光器和高速相机底座、3为高速工业相机、4为局部双光带检测装置、5为主体调节支架；

21为(局部双光带检测装置中)第一条线式激光、22为(局部双光带检测装置中)第二条线式激光、23为高速工业相机图像采集区域、24为双光带图像中心线、25为第一激光带(即第一条激光在图像上的显示)、26为第二激光带(即第二条激光在图像上的显示)。

具体实施方式

下面结合实施例与附图对本发明作进一步详细阐述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本发明主要装备于可在铁路上运动的平板检测车上，由每两个线式激光器1和一个高速工业相机3安装于激光器和高速相机底座2上，构成一个局部双光带检测装置4，数个局部双光带检测装置4在垂直方向平行排列，构成整体双光带检测系统。检测时，调节整体主体调节支架5的位置，使拼接好的第一条线式激光21和第二条线式激光22垂直扫描到隧道表面的高速工业相机图像采集区域23内，在隧道表面形成第一激光带25和第二激光带26。此时在隧道环境中对高速工业相机3和镜头进行参数调节，使系统可以正常采集到第一激光带25和第二激光带26的图像数据，如图2(右)所示。当检测车在隧道中运行时系统开始工作，在高速工业相机3图像采集和处理时，将图像滤波、阈值分割和光带中心提取算法用并行处理技术实现。在局部双光带检测装置4中，由于两个线式激光器1分别安装于激光器和高速相机底座2两侧，两个线式激光器1分别垂直发射第一条线式激光21和第二条线式激光22，高速工业相机3装在中间，故图像中两条光带，即第一激光带25和第二激光带26的位置在双光带图像中心线24的两边，这样可根据几何关系将两条光带通过算法区分开，实现每帧图像的高速光带提取和光带序号识别，最终在工控机获得光带数据后，分别导入数学模型中计算出两条光带的精确空间位置，并通过软件界面显示检测结果。

实施例2

双光带隧道断面检测系统的图像处理和模型计算，由以FPGA为处理核心的高速图像采集卡上完成。每一个高速工业相机3对应一个图像采集处理卡，如图3所示，多路采集卡与工控机通过PCI总线相连。采集卡以硬件电路实现的方法对窗口内的图像进行图像滤波、阈值分割和光带中心像素提取算法，这些算法通过硬件语言实现，并载入FPGA处理芯片上用于高速并行处理。数据传输中，每个高速工业相机3通过图像采集卡，实时同步传送检测数据给工控机，包含双光带中心像素的图像坐标。系统标定过程，利用放线仪对选定的基准断面放射激光线，再用全站仪以一定角度间隔读取基准断面的位置数据，然后根据数学模型计算标定参数，最后根据空间几何方程，由图像坐标计算出两条激光光带的空间坐标，从而同时得出两条隧道断面轮廓的精确尺寸，使断面间的检测精度提高一倍。

本文中应用了具体实例对本发明的原理及实施方式进行了阐述说明，以上实施例的说明只是用于帮助和理解本发明的基本思想。应当指出，对于本领域的一般技术人员，在不脱离本发明基本原理的前提下，在具体实施方式和应用范围上做出若干改进，或对其中部分技术特征进行等同替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种使用基于双激光带的高精度隧道断面检测装置检测隧道断面的方法，所述的基于双激光带的高精度隧道断面检测装置包括双光带线式激光器扫描模块，高速相机图像采集处理模块，系统标定模块，其特征在于：所述双光带线式激光器扫描模块包括多个线式激光器；所述高速相机图像采集处理模块包括用高速相机采集光带图像和利用FPGA并行处理提取两条光带中心位置的图像采集卡，用于图像采集处理和数据存储显示的计算机；所述系统标定模块包括测量基准断面并计算标定参数所使用的放线仪和全站仪；所述隧道断面检测装置的机械结构包括线式激光器，位置可调节的激光器和高速相机底座，高速工业相机，局部双光带检测装置，检测装置的主体调节支架；每两个线式激光器和位于当中的一个高速工业相机安装于激光器和高速相机底座上，构成一个局部双光带检测装置，多个所述的局部双光带检测装置以一定角度和距离安装于检测装置的主体调节支架上，最终组成由多个所述的局部双光带检测装置组成的检测系统；所述的检测隧道断面的方法为：

利用局部双光带检测装置获取两条激光带，用图像处理算法一次计算出所述的两条激光带的中心坐标；由多个所述的线式激光器组成的两条激光带对隧道表面扫描；同时由所述的多个高速工业相机同步采集隧道断面的双光带轮廓图像；通过并行处理算法分别提取各自的双光带图像的光带中心坐标；通过系统标定技术将双光带图像坐标转换为真实的隧道断面坐标。

2.根据权利要求1所述的检测隧道断面的方法，其特征在于：所述的激光器和高速相机底座可根据相机的成像范围调整两个激光器的位置；所述的检测装置的主体调节支架可根据检测精度需要，在设备限界内更改尺寸；所述的局部双光带检测装置的数量和安装角度，可根据实际检测对象进行调整。

3.根据权利要求1或2所述的检测隧道断面的方法，其特征在于：利用两排多个线式激光器拼接出两条隧道段面激光带轮廓，利用高速工业相机实时采集处理两条光带的图像，一次可以检测出两个隧道断面的数据。