CN110388881A - 基于偏振成像的钢轨廓形检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于偏振成像的钢轨廓形检测方法及装置，其中，该装置包括两套激光摄像组件，在钢轨左右两侧分别布置一套，所述激光摄像组件包括线激光器、线偏振片、镜头和相机；其中，所述线偏振片分别加装于所述线激光器和镜头的前端；所述线激光器前端的线偏振片的透射轴与钢轨走向垂直，用于：将入射到钢轨表面的线结构光变成线偏振光；所述镜头前端的线偏振片的透光轴与钢轨走向平行，用于：过滤镜面反射光。该方案通过在线激光器和镜头的前端加装线偏振片，可以采用偏振成像的方法解决打磨后钢轨廓形光条局部过曝的问题，提高钢轨廓形检测准确度。

Description

基于偏振成像的钢轨廓形检测方法及装置

技术领域

本发明涉及钢轨廓形检测技术领域，特别涉及一种基于偏振成像的钢轨廓形检测方法及装置。

背景技术

钢轨廓形检测是保证铁路安全运营的重要手段，检测方法分为接触检测和非接触检测，接触检测主要代表是Miniprof轨廓仪，这种方法效率低，人工成本高。非接触检测主要以基于线结构光的机器视觉检测方法为主，该检测系统主要由线结构光激光器1、机器视觉镜头2和工业相机3组成，如图1所示，激光器发射的光刀平面垂直入射到钢轨表面，形成的漫反射光作为测量信号，经过机器视觉镜头成像后聚焦于相机的图像传感器CCD上。物体表面的反射主要分为镜面反射和漫反射，在该测量光路中，钢轨表面的漫反射光是测量信号，而镜面反射光是干扰信号。在钢轨两侧各有一套线结构光摄像组件，分别采集钢轨左右侧轮廓。结合CCD上光条的图像和已标定好的相机内外参数，通过钢轨左右侧廓形拼接，即可反算出钢轨的轮廓信息。

钢轨打磨是利用砂轮或铣刀对钢轨表面进行磨削的技术，由于具有保持钢轨横截面廓形、去除钢轨表面伤损等优势，已是钢轨养护维修的重要手段。以钢轨打磨车为例，其通常具有多组打磨砂轮，通过液压随动机构调整打磨砂轮相对于钢轨横截面中心的倾斜角度，形成对钢轨横截面轮廓曲线包络线族，从而实现钢轨轮廓顶面和侧面不同位置的打磨。经过砂轮打磨后，钢轨表面的形貌和粗糙度均发生了变化。在形貌方面，打磨前的钢轨轮廓由不同半径的曲线连接而成，由于打磨砂轮倾斜角度只有1°、2°、3°、4°、5°、10°、15°等若干固定的角度，打磨后的钢轨轮廓局部区域变成了不同倾斜角度的线段，加上打磨车辆的运动，打磨后的钢轨表面出现了沿钢轨纵向的局部微小平面。局部微小平面的法线随机分布，相应的，其镜面反射方向也出现一定程度的随机分布，当镜面反射光方向与成像镜头的光轴比较接近时，镜面反射光作为干扰光进入CCD，使得轨廓光条图像出现局部过曝的现象，直接影响钢轨廓形检测的准确度。在粗糙度方面，当钢轨表面粗糙度增加时，其散射能力增强，相应的镜面反射能力减弱，当原本粗糙的钢轨表面由于打磨砂轮的反复打磨，表面变得光滑，使得镜面反射能量增加，相应的漫反射能量减少，也在一定程度上增加了轨廓光条图像局部过曝的影响。

采用现有的检测方法采集打磨后的钢轨廓形，图2是打磨后的钢轨廓形光条图像(左图)和基于灰度重心法提取的光条中心线(右图)，可以看出，由于光条局部过曝的影响，提取的光条中心线出现了明显的偏离。聚焦光条形状的变化反映着钢轨廓形的变化，图3是传统方法获得该位置的钢轨廓形与Miniprof轨廓仪(分辨率0.001mm)得到的廓形对比图，可以看出，在非过曝区域，钢轨廓形高度重合，而在过曝区域，钢轨廓形出现了明显的偏离，偏差值在0.3-0.4mm之间。

综上，由于打磨后的钢轨表面形貌和粗糙度均发生了变化，影响了钢轨表面镜面反射能量和漫反射能量的分布情况，采用现有的检测技术时，钢轨廓形光条出现局部过曝，造成廓形检测结果出现较大误差。

发明内容

本发明实施例提供了一种基于偏振成像的钢轨廓形检测装置，解决了现有技术中在钢轨廓形光条出现局部过曝时，传统方法的钢轨廓形检测结果出现较大误差的技术问题。

该装置包括两套激光摄像组件，在钢轨左右两侧分别布置一套，所述激光摄像组件包括线激光器、线偏振片、镜头和相机；

其中，所述线偏振片分别加装于所述线激光器和镜头的前端；

所述线激光器前端的线偏振片的透射轴与钢轨走向垂直，用于：将入射到钢轨表面的线结构光变成偏振方向垂直钢轨走向的线偏振光；

所述镜头前端的线偏振片的透光轴与钢轨走向平行，用于：过滤镜面反射光。

本发明实施例提供了一种基于偏振成像的钢轨廓形检测方法，包括；

采用如上所述的基于偏振成像的钢轨廓形检测装置获取钢轨廓形图像；

对所述钢轨廓形图像进行分析，获得钢轨的轮廓信息。

在本发明实施例中，通过在线激光器和镜头的前端加装线偏振片，过滤钢轨廓形光条图像中的镜面反射成分，从而解决了钢轨廓形测量系统中光条局部过曝的问题，提高了打磨后钢轨廓形光条图像的质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是基于结构光的钢轨廓形检测原理示意图；

图2是打磨后钢轨廓形图像和灰度重心法提取的光条中心线示意图；

图3是局部过曝的钢轨廓形与Miniprof得到的廓形对比；

图4是本发明实施例提供的一种基于偏振成像的钢轨廓形检测装置示意图；

图5是本发明实施例提供的电矢量的两个互相垂直分量E_p和E_s示意图；

图6是本发明实施例提供的量-Δ和P随入射角θ₁的变化曲线示意图；

图7是本发明实施例提供的使用传统方法与使用本发明装置获取的打磨后的钢轨廓形光条图像示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中，提供了一种基于偏振成像的钢轨廓形检测装置，如图4所示，包括：两套激光摄像组件(图4中只画出一套)，在钢轨左右两侧分别布置一套，所述激光摄像组件包括线激光器1、线偏振片4、镜头2和相机3；其中，线偏振片分别加装于所述线激光器和镜头的前端；线激光器前端的线偏振片的透射轴与钢轨走向垂直，主要起到起偏的功能，将入射到钢轨表面的线结构光变成偏振方向垂直钢轨走向的线偏振光；镜头前端的线偏振片的透光轴与钢轨走向平行，主要起到过滤镜面反射光的功能。

在本发明实施例中，线激光器发出的激光入射到钢轨表面，相机与激光平面存在一定的夹角(比如，小于40°)。

下面对轨廓光条图像局部过曝问题进行分析。

麦克斯韦的电磁理论阐明了光波是一种横波，即它的光矢量(电矢量)始终与传播方向垂直。在实际分析中，通常将电矢量E分解为平行于入射面的分量E_p和垂直于入射面E_s，也就是把入射光分解为平行于入射面和垂直于入射面的p波和s波。对于物体内的折射，其电矢量E分解为平行于入射面的分量E_2p和垂直于入射面E_2s，对于空气内的反射，其电矢量E分解为平行于入射面的分量E'_p和垂直于入射面E'_s，反射角为θ₁′。如图5所示，在电介质表面，根据菲涅尔公式：

其中，r_p和r_s分别是p波和s波的反射系数。在正入射或入射角很小时，tanθ≈sinθ≈θ，θ₁为空气中的入射光与垂直线之间的角度，θ₂为入射光进入物体后的入射角，其中为相对折射率，n₁为空气折射率，n₂为物体折射率，此时菲涅尔公式可以简化为：

媒质是导体的情况下，例如钢轨，麦克斯韦方程组的形式将与电介质时的不同。波在金属内传播时，其波矢量为复数，只需要把实介电常数换成复介电常数，同时把实折射率替换成复折射率，就可以将电介质表面的折射和反射公式运用到金属表面的折射和反射中。于是，当光波垂直入射到空气和金属的界面时，其反射率可由以上两式得到：

其中，是金属的复折射率，是金属的复介电常数，ε₀是真空中的介电常数，令代入上式得：

其中，金属的折射率为复数，其实部n称为常规折射率或实折射率，其虚部k称为消光系数或衰减指数，表征金属内传播的波的衰减，n和k均是金属的光学常数。当电导率等于0时，k趋近于0，反射率与电介质时相同，当电导率很大时，k也很大，因此反射率R也很大，所以光洁的金属表面几乎可以把光全部反射，呈现很高的反射能力。

由于砂轮的作用，新打磨后的钢轨表面出现了沿钢轨纵向的局部微小平面，造成镜面反射方向也出现一定程度的随机分布，当镜面反射光方向与成像镜头的光轴比较接近时，镜面反射光作为干扰光进入图像传感器CCD，由于光洁金属表面具有很高的反射能力，使得轨廓光条图像出现局部过曝的现象。

下面分析金属表面反射光的偏振态。

金属表面的反射分为漫反射成分和镜面反射成分。显然，对于钢轨廓形测量系统来说，漫反射光成分是测量信号，成而镜面反射分是干扰信号。

1)漫反射成分的偏振特性：

金属表面存在大量的自由电子，并且自由电子在表面层形成表层电流，该电流使入射光波产生强烈的反射，而透入金属内部的透射波也很快变成焦耳热，光波只能透入金属内部很薄的一层。光入射到金属内部，可以看作光子与物体粒子的相互作用，碰撞激发回截面的光波的偏振态是无序的，由此形成的漫反射光的偏振态也是无序的，属于自然光。漫反射光作为钢轨廓形测量系统的测量信号，正常情况下，钢轨廓形光条图像可以看作是无偏的，也即是自然光。

2)镜面反射成分的偏振特性：

对于金属表面斜入射的情况，考虑金属的复折射率：带入(1)、(2)式得：

假设入射光为线偏振光，振动方位角为α_i，即

其中，A_s和A_p分别是入射光的振幅分量，设光被反射后的振动方位角为α_r，则

其中，和是位相改变，

分析(7)、(8)、(9)式，正入射时，θ₁＝0，此时，P＝1且Δ＝-π，因此，tanα_r＝-tanα_i，说明正入射时，线偏振光被金属表面反射后的振动方位角的绝对方向并没有改变。由此可见，正入射时，入射光的偏振态与反射光的偏振态相同，若入射光为线偏振光，则反射光也为线偏振光。

若金属的光学常数n和k已知，则利用(7)、(8)、(9)式可计算P和Δ两个量与入射角θ₁的关系，图6给出了典型金属表面P和Δ两个量与入射角θ₁的变化曲线，可以看出，随着入射角θ₁的增大，p波和s波的相位差从-π到0变化，因此当入射的线偏振光经过金属表面，其反射光将变成椭圆偏振光，但当入射角θ₁较小时(<30°)，p波和s波的相位差变化不大，P值也接近于1，镜面反射光的椭圆率很小，可以近似看作线偏振光。因此，线偏振光入射到金属表面，当入射角θ₁较小时(<30°)，其反射光仍然可以视为线偏振光。利用这一规律，可以在反射光路中添加一个线偏振片，并使线偏振片的透射轴与反射光的偏振方向垂直，从而消除金属表面的镜面反射光成分。

对于钢轨廓形测量系统，线激光(光刀平面)垂直入射到钢轨表面，相机在一侧接收钢轨表面的漫反射光，如图1所示，光刀平面与镜头光轴的夹角一般小于40°，一般情况下，钢轨局部表面法线与光刀平面平行，入射角θ₁＝0°。对于打磨后的钢轨，局部微小表面随机分布，局部表面的入射角也不再等于0°，造成局部镜面反射光也出现一定程度的随机分布，不难看出，当镜面反射成分进入图像传感器CCD时，入射角等于光刀平面与镜头光轴的夹角的一半。由此可见，对于钢轨廓形测量系统来说，发生局部过曝现象时，入射角θ₁始终小于20°，因此，作为干扰信号的镜面反射成分仍然可以视为线偏振光。

综合上述分析看出，对于打磨后的钢轨，其镜面反射能力增强，局部微小平面的变化导致钢轨廓形光条图像出现局部过曝问题。局部过曝区域，也即是镜面反射成分，可视作线偏振光，正常光条图像区域，也即是漫反射成分，可视作自然光。因此，在反射光路中设置一个偏振方向特定的线偏振片，即可过滤镜面反射成分，从而提高打磨后钢轨廓形光条图像的质量，解决钢轨廓形测量系统中光条局部过曝的问题。

基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种基于偏振成像的钢轨廓形检测方法，该方法包括：

采用上面所述的基于偏振成像的钢轨廓形检测装置获取钢轨廓形图像；

对所述钢轨廓形图像进行分析，获得钢轨的轮廓信息。

对钢轨廓形图像进行分析的过程采用现有的技术就可以实现，本方法与现有的钢轨廓形检测方法的不同之处在于：本方法使用的是基于偏振成像的钢轨廓形检测装置，使得光条局部过曝问题得到解决。

图7中的上图是利用传统方法采集打磨后的钢轨廓形光条图像，图7中的下图利用本发明装置在同一位置采集的钢轨廓形光条图像，可以明显看出，传统方法获取的光条存在局部过曝的问题，而采用该方法后，光条局部过曝问题得到解决，说明该方法对于打磨后的钢轨具有高抗干扰性，从而验证本装置的优势。

综上所述，本发明从偏振光学的角度分析了打磨后的钢轨表面反射光的偏振特性，提出一种基于偏振成像的钢轨廓形检测装置，通过在线激光器和镜头的前端加装偏振片，过滤钢轨廓形光条图像中的镜面反射成分，从而解决了钢轨廓形测量系统中光条局部过曝的问题，提高了打磨后钢轨廓形光条图像的质量。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于偏振成像的钢轨廓形检测装置，包括两套激光摄像组件，在钢轨左右两侧分别布置一套，其特征在于，所述激光摄像组件包括线激光器、线偏振片、镜头和相机；

其中，所述线偏振片分别加装于所述线激光器和镜头的前端；

所述线激光器前端的线偏振片的透射轴与钢轨走向垂直，用于：将入射到钢轨表面的线结构光变成偏振方向垂直钢轨走向的线偏振光；

所述镜头前端的线偏振片的透光轴与钢轨走向平行，用于：过滤镜面反射光。

2.如权利要求1所述的基于偏振成像的钢轨廓形检测装置，其特征在于，所述线激光器的光刀平面与镜头光轴之间的夹角小于40°。

3.如权利要求1所述的基于偏振成像的钢轨廓形检测装置，其特征在于，所述相机为工业相机。

4.如权利要求1所述的基于偏振成像的钢轨廓形检测装置，其特征在于，所述镜头为机器视觉镜头。

5.一种基于偏振成像的钢轨廓形检测方法，其特征在于，包括；

采用如权利要求1-4任一项所述的基于偏振成像的钢轨廓形检测装置获取钢轨廓形图像；

对所述钢轨廓形图像进行分析，获得钢轨的轮廓信息。