CN108225202B - 基于线阵ccd的钢轨位移在线测量系统及测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于线阵CCD的钢轨位移在线测量系统及测量方法，测量系统包括光学透镜、线阵CCD、前置放大器、A/D转换模块、FPGA芯片、图像存储器和结果输出单元；光学透镜设置在线阵CCD前方，用于聚焦；线阵CCD用于采集模拟图像信号；所述前置放大器用于对模拟图像信号进行放大；A/D转换模块对放大后的模拟图像信号进行模数转换，得到数字信号；FPGA芯片对数字信号进行噪声处理、图像恢复、位移测量和数据格式化，得到位移信息；图像存储器用于存储FPGA芯片的配置信息；结果输出单元用于输出位移信息至外部设备。本发明具有测量精度高、速度快、系统体积小等优点。

Description

基于线阵CCD的钢轨位移在线测量系统及测量方法
技术领域
本发明涉及精密位移的在线检测，尤其涉及一种基于线阵CCD的钢轨位移在线测量系统及测量方法。
背景技术
在我国的大规模高速铁路建设过程中，无缝线路由于其消除钢轨接缝，改善了轨道结构，减小了振动，在高速线路中得到广泛应用。但由于轨缝的消失，钢轨无法在温度改变时自由伸缩，从而在钢轨内部产生很大温度应力，当扣件压力不足以抵消温度应力时，钢轨会发生位移，温度升高时引发胀轨、跑道，温度很低时则容易出现断轨，严重影响行车安全。为了可靠地检测该变形，从而对线路进行应力放散与调整以将变形抑制在规格内，需要一种钢轨位移在线测量系统来实时获知钢轨位移量。
目前我国的钢轨位移测量方法主要采用位移观测桩法，在轨道旁埋设位移观测桩，并在待测钢轨轨头或轨底粘贴或涂刷观测标记，定期以观测桩为基点拉弦线进行测量；但是该方法费时费力，并且精度不高。为提高测量精度，则可以采用光学仪器作为辅助测量手段，如利用激光三角测量原理测量钢轨上的光点距离钢轨标记的位置来测量位移或者利用拉伸式直线位移传感器、磁致伸缩位移传感器等来实现钢轨位移的在线测量，但该方法的结构较为复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于线阵CCD的钢轨位移在线测量系统及测量方法，解决现有钢轨位移测量方法存在的精度不高、结构复杂等问题。
实现本发明目的的技术方案为：一种基于线阵CCD的钢轨位移在线测量系统，包括光学透镜、线阵CCD、前置放大器、A/D转换模块、FPGA芯片、图像存储器和结果输出单元；
所述光学透镜设置在线阵CCD前方，用于聚焦；所述线阵CCD用于采集模拟图像信号；所述前置放大器用于对模拟图像信号进行放大；所述A/D转换模块对放大后的模拟图像信号进行模数转换，得到数字信号；
所述FPGA芯片对数字信号进行噪声处理、图像恢复、位移测量和数据格式化，得到位移信息；
所述图像存储器用于存储FPGA芯片的配置信息；
所述结果输出单元用于输出位移信息至外部设备。
本发明还提供一种基于线阵CCD的钢轨位移在线测量方法，包括以下步骤：
步骤1，线阵CCD捕获钢轨位移图像信息，输出模拟信号；
步骤2，对模拟信号进行前置放大和A/D转换处理，得到数字信号；
步骤3，使用FPGA芯片对数字信号进行噪声处理、图像恢复、位移测量和数据格式化，得到位移信息；
步骤4，将得到的位移信息输出至外部设备。
与现有技术相比，本发明的显著优点为：
(1)本发明采用线阵CCD，因其结构相对简单，单排感光单元的数目可以做得很多，故在同等测量精度的前提下，其测量范围可以做得较大；而对于给定的测量范围，其测量精度可以得到提高；
(2)本发明采用的线阵CCD实时传输光电变换信号和自扫描速度快、频率响应高，能够实现动态测量；
(3)本发明采用FPGA技术，将线阵CCD驱动逻辑的产生、图像恢复、位移测量以及数据格式化等功能通过单片FPGA实现，从而减小了系统的体积。
附图说明
图1为本发明基于线阵CCD的钢轨位移在线测量系统的原理框图。
图2为本发明基于线阵CCD的钢轨位移在线测量方法的流程图。
图3为本发明基于线阵CCD的钢轨位移在线测量系统中FPGA芯片的工作原理图。
具体实施方式
结合图1、图2，本发明的一种基于线阵CCD的钢轨位移在线测量系统，包括光学透镜、线阵CCD、前置放大器、A/D转换模块、FPGA芯片、图像存储器和结果输出单元；
所述光学透镜设置在线阵CCD前方，用于聚焦；所述线阵CCD用于采集模拟图像信号；所述前置放大器用于对模拟图像信号进行放大；所述A/D转换模块对放大后的模拟图像信号进行模数转换，得到数字信号；
所述FPGA芯片对数字信号进行噪声处理、图像恢复、位移测量和数据格式化，得到位移信息；
所述图像存储器用于存储FPGA芯片的配置信息；
所述结果输出单元用于输出位移信息至外部设备。
进一步的，所述FPGA芯片包括时序产生模块、图像处理模块和图像重构模块；
所述时序产生模块用于为线阵CCD、A/D转换模块和图像重构模块提供时钟信号；所述图像处理模块用于对数字信号进行噪声处理；所述图像重构模块用于图像恢复、位移测量和数据格式化，得到位移信息。
本发明还提供一种基于线阵CCD的钢轨位移在线测量方法，包括以下步骤：
步骤1，线阵CCD捕获钢轨位移图像信息，输出模拟信号；
步骤2，对模拟信号进行前置放大和A/D转换处理，得到数字信号；
步骤3，使用FPGA芯片对数字信号进行噪声处理、图像恢复、位移测量和数据格式化，得到位移信息；
步骤4，将得到的位移信息输出至外部设备。
进一步的，步骤3中图像恢复的方法为：
当FPGA判断出积分清零脉冲的上升沿时标志着图像的起点，积分清零脉冲的下降沿则标志着图像的终点，即可将图像恢复出来。
进一步的，步骤3中位移测量的具体过程为：
步骤301，根据设定的阈值，对图像进行二值化操作，找到钢轨的边缘；
步骤302，根据钢轨的边缘，找到两根钢轨的中点，据此测出其中心距；
步骤303，将所测的中心距与施工初始钢轨的中心距求差，得到钢轨的位移。
进一步的，步骤3中数据格式化是指将所得到的位移归一化。
进一步的，步骤4通过RS232接口或TCP/IP协议将在线测量的位移信息输出至外部设备。
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。
实施例
如图1、图2所示，本发明的一种基于线阵CCD的钢轨位移在线测量系统及测量方法，在本实施方式中，系统方案包括以下几部分：
(1)光学透镜聚焦光线，扩大线阵CCD的视场；
(2)线阵CCD捕获钢轨位移图像信息，输出一串模拟信号；
(3)前置放大模拟信号；
(4)通过A/D转换器完成图像数据从模拟信号到数字信号的转换；
(5)利用FPGA芯片产生时序信号，提供给线阵CCD、A/D转换器以及后续的信号处理模块；
(6)使用FPGA芯片进行信号处理和图像重构；
(7)通过RS232接口将在线测量的处理结果输出到电脑或通过TCP/IP协议将在线测量的结果输出到网络。
如图3所示，FPGA芯片的工作内容如下：
(1)产生线阵CCD的时序信号；
(2)采取中值滤波等手段减少噪声干扰；
(3)图像恢复，当FPGA判断出积分清零脉冲ICG的上升沿时，标志着图像的起点，ICG的下降沿则标志着图像的终点，即找出包含位移信息的图像数据的起点和终点；
(4)位移测量，根据设定的阈值，对图像进行二值化操作，找到钢轨的边缘，继而找到两根钢轨的中点，再据此可以测出其中心距，最后将所测的中心距与施工初始钢轨的中心距求差，即可得到钢轨的位移；
(5)数据格式化，即将所得到的位移归一化，然后通过FPGA内部构建的RS232接口传输给上位机。

Claims (1)

1.一种基于线阵CCD的钢轨位移在线测量方法，其特征在于，该方法基于钢轨位移在线测量系统 实现，所述系统包括光学透镜、线阵CCD、前置放大器、A/D转换模块、FPGA芯片、图像存储器和结果输出单元；
所述光学透镜设置在线阵CCD前方，用于聚焦；所述线阵CCD用于采集模拟图像信号；所述前置放大器用于对模拟图像信号进行放大；所述A/D转换模块对放大后的模拟图像信号进行模数转换，得到数字信号；
所述FPGA芯片对数字信号进行噪声处理、图像恢复、位移测量和数据格式化，得到位移信息；所述FPGA芯片包括时序产生模块、图像处理模块和图像重构模块；其中，图像恢复具体为：当FPGA判断出积分清零脉冲ICG的上升沿时，标志着图像的起点，ICG的下降沿则标志着图像的终点，即找出包含位移信息的图像数据的起点和终点；
所述时序产生模块用于为线阵CCD、A/D转换模块和图像重构模块提供时钟信号；所述图像处理模块用于对数字信号进行噪声处理；所述图像重构模块用于图像恢复、位移测量和数据格式化，得到位移信息；
所述图像存储器用于存储FPGA芯片的配置信息；
所述结果输出单元用于输出位移信息至外部设备；
该测量方法包括以下步骤：
步骤1，线阵CCD捕获钢轨位移图像信息，输出模拟信号；
步骤2，对模拟信号进行前置放大和A/D转换处理，得到数字信号；
步骤3，使用FPGA芯片对数字信号进行噪声处理、图像恢复、位移测量和数据格式化，得到位移信息；图像恢复的方法为：
当FPGA判断出积分清零脉冲的上升沿时标志着图像的起点，积分清零脉冲的下降沿则标志着图像的终点，即可将图像恢复出来；
数据格式化是指将所得到的位移归一化；
位移测量的具体过程为：
步骤301，根据设定的阈值，对图像进行二值化操作，找到钢轨的边缘；
步骤302，根据钢轨的边缘，找到两根钢轨的中点，据此测出其中心距；
步骤303，将所测的中心距与施工初始钢轨的中心距求差，得到钢轨的位移；
步骤4，通过RS232接口或TCP/IP协议将在线测量的位移信息输出至外部设备。
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