CN111398309A - 一种隧道衬砌病害综合检测车的表观检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道衬砌病害综合检测车的表观检测系统，包括:高清图像采集单元、光源补光单元、采集控制单元和高速存储单元；高清图像采集单元和高速存储单元均与采集控制单元相连接；高清图像采集单元包括：工业相机阵列，工业相机阵列呈半圆弧形，包括多个间隔设置的工业相机，各工业相机均配装有一个广角定焦镜头，且广角定焦镜头朝向圆弧的外侧，用于拍摄隧道衬砌表面。采用该表观检测系统使隧道病害综合检测车的检测更加准确，提高病害监测工作的效率。

Description

一种隧道衬砌病害综合检测车的表观检测系统

【技术领域】

本发明属于隧道检测技术领域，尤其涉及一种隧道衬砌病害综合检测车的表观检测系统。

【背景技术】

目前运营隧道的日常监测工作，大多离不开人工作业。例如，隧道衬砌裂缝的检测，是采用人工肉眼识别，然后用标尺测量，相机拍照记录裂缝特质形态，人工记录裂缝位置信息。对于拱腰以上和拱顶的衬砌裂缝检测，则需要采用脚手架或者高空升降平台车，检测人员才能近距离接触到隧道内壁，采用手电筒照明，肉眼查看拱腰和拱顶的病害。该方法检测到的衬砌裂缝准确率低，容易漏检，在检测工程中，人员安全性差，检测效率低。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种隧道衬砌病害综合检测车的表观检测系统，使隧道病害综合检测车的检测更加准确，提高病害监测工作的效率。

本发明采用以下技术方案：一种隧道衬砌病害综合检测车的表观检测系统，包括:高清图像采集单元、光源补光单元、采集控制单元和高速存储单元；高清图像采集单元和高速存储单元均与采集控制单元相连接；

高清图像采集单元包括：

工业相机阵列，工业相机阵列呈半圆弧形，包括多个间隔设置的工业相机，各工业相机均配装有一个广角定焦镜头，且广角定焦镜头朝向圆弧的外侧，用于拍摄隧道衬砌表面；

光源补光单元，包含：

COB光源阵列：与工业相机阵列的形状相一致，与工业相机阵列平行且间隔设置；为两组，分别位于工业相机阵列的前后两侧；COB光源阵列中包含多个间隔设置的COB光源，且光源的光朝向隧道衬砌表面面；

采集控制单元用于完成采集过程中工业相机和COB光源触发同步控制、工业相机和COB光源供电及驱动，并接收工业相机的数据。

进一步地，该多个工业相机均通过相机托盘设置在第一支架上，第一支架为半圆弧形，架设在车体上，且半圆弧形的凸起侧朝向隧道衬砌表面，各工业相机设置于第一支架的凸起侧；相邻两个工业相机之间分布角度为30～40度，相邻两个工业相机的视场重合距离不低于20cm弧长。

进一步地，在第一支架上，且沿其走向设置有导轨，各相机托盘均各通过一滑块安装在导轨上，在导轨上、且位于各滑块的下滑侧均各设置有一钳制器。

进一步地，相机托盘上还设有相机托盘传感器，相机托盘传感器与采集控制器相连接，各相机托盘传感器的靶面与检测的隧道衬砌表面径向距离为2.2～2.5m。

进一步地，多个COB光源间隔设置在第二支架上，第二支架为两个，均设置在车体上，且分别位于第一支架的前后，与第一支架的弧度相一致；在各第二支架上，COB光源的个数与工业相机的个数相等，且位置相一致。

本发明的有益效果是：采用该表观检测系统的隧道病害综合检测车具有自动化程度高、安全、高效、多参数综合检测的特点。可以快速准确地采集隧道病害信息，并经过分析处理得出隧道病害结果，提高了隧道检测工作的效率，同时节约了隧道检测工作的时间，降低了人力成本，适用于广泛推广。

【附图说明】

图1是本发明中检测车的结构示意图；

图3是本发明中的雷达避障装置的结构图；

图4是本发明中的雷达避障装置的主视图；

图5是本发明中的雷达避障装置的遇障碍时躲避障碍示意图；

图6是本发明中的隧道衬砌病害综合检测车的工作时的结构图；

图7是本发明中的隧道衬砌病害综合检测车的雷达避障装置的支杆的局部放大图；

其中：1-表观检测系统；101-高清图像采集单元；102-光源补光单元；103-支撑装置；1031-半圆弧形托架；1032-主体支撑架；1033-底座；2-行走系统；201-车架；202-公路行走轮；203-轨道行走轮；3-雷达探测系统；301-雷达天线；302-伸缩支架；3021-底盘；3022-支杆；30221-外管；30222-第一空心管；30223-膨胀伸缩组合件；302231-膨胀套；302232-连接套；302233-凸钉；302234-卡槽；30224-拉杆；3023-弹性支架；30231-弹簧；30232-活动杆；30233-横梁；30234-拉杆；303-天线托架；3031-模组平台；3032-弧形平台；304-障碍传感器；305-滚轮。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明实施例中的隧道衬砌病害综合检测车，如图1所示，包括：里程定位系统4，设置于车体的前端，且对着轨面或路面，用于判定检测车行进位移和姿态，并生成基于空间位移的触发信号；还用于测定里程数值，并同步传输；表观检测系统1，用于检测隧道衬砌表面病害；并在接收到里程定位系统4发送的触发信号和里程数值时，启动检测隧道某一位置的表面病害；雷达探测系统3，用于检测隧道的深层病害；并在接收到里程定位系统4发送的触发信号和里程数值时，与表观检测系统1同步启动，检测隧道同一位置的内部结构病害。还包括行走系统5和供电系统6，行走系统5为公路铁路两用行走系统，用于带动该检测车运动行走；供电系统6用于向该检测车供电。供电系统6采用直流电源供电，通过多路逆变器将直流逆变为220V交流。

该隧道综合检测车的行走系统2采用公路铁路两用检测车本体，公路铁路两用检测车本体包括车架201、位于车架201下方的公路走行轮202和轨道行走轮203，车架201上、且位于中前端设置有驾驶室，靠近驾驶室后端安装有操作车厢，车架201上，且位于操作车厢后端依次安装有表观检测系统1和雷达探测系统3，操作车厢与表观检测系统1和雷达探测系统3通信连接；车架201的前方对着轨面或路面安装有里程定位系统4，里程定位系统4与操作车厢通信连接；操作车厢内还包括操控台和显示装置操作车厢内还包括切屏器，其一端与操控台和显示装置连接，另一端与工控机连接。当工控机为多个时，通过切屏器，可在显示装置上显示存储于某一个工控机的图像和数据，也可以同时显示存储于几个工控机中的图像和数据；切屏器也可放于机柜内；操作车厢内还包括电源转换器，用于将直流电转换成可供其他装置使用的交流电。

上述里程定位系统4包括中控单元、工控机一、定位单元、校准单元、惯导装置和编码器；定位单元和校准单元分别与工控机一呈双向数据连接，工控机一用于向中控单元发送数据，中控单元用于为定位单元和校准单元供电和发送触发信号。

里程定位系统4设置在行走系统5上且朝向轨面或路面。定位单元固定安装在行走系统5上的车架上，校准单元固定安装在行走系统5的一侧，用于校准工业相机对准里程标探测；惯导装置与定位单元固定在一起，用于反馈定位单元的三轴姿态角和加速度；工控机一和中控单元固定于行走系统的车厢内，编码器与行走系统5的从动轮相连接。

如图2所示，上述表观检测系统1包括：高清图像采集单元101、光源补光单元102、采集控制单元和高速存储单元；高清图像采集单元101和高速存储单元均与采集控制单元相连接。

上述高速存储单元包括视频采集卡、工控机二和硬盘；硬盘和视频采集卡均与工控机二相连接，工控机二接收多功能箱传输的数据，并将数据添加至图像数据中，并通过视频采集卡编码成视频流文件，存放于硬盘中。表观检测系统1分为控制层和数据层两层，其中控制层，模式切换器切换触发模式，接收来自前端的触发脉冲，采集控制器采集脉冲序列后，向多功能箱发送触发信号，经多功能箱调制解析后，分发成相机与频闪灯的同步触发信号，频闪灯曝光，相机启动拍摄；其中数据层，采集控制器产生触发信号时，读取相机传感器的位移和测距数据，打包后发送给多功能箱，多功能箱对传感数据继续封装向后透传，嵌入式一体存储设备同时接收传感数据和图像数据，将传感数据添加到图像帧头，编码成视频流文件，存放到硬盘文件系统中；高清图像采集单元101对隧道衬砌表面进行全幅覆盖扫描，获取高分辨率隧道图像。

上述高清图像采集单元101包括：工业相机阵列，工业相机阵列呈半圆弧形，包括多个间隔设置的工业相机，各工业相机均配装有一个广角定焦镜头，且广角定焦镜头朝向圆弧的外侧，用于拍摄隧道衬砌表面。

光源补光单元102，包含：COB光源阵列：与工业相机阵列的形状相一致，与工业相机阵列平行且间隔设置；为两组，分别位于工业相机阵列的前后两侧；COB光源阵列中包含多个间隔设置的COB光源，且光源的光朝向隧道

在第一支架上，且沿其走向设置有导轨，各相机托盘均各通过一滑块安装在导轨上，在导轨上、且位于各滑块的下滑侧均各设置有一钳制器。

相机托盘上还设有相机托盘传感器，相机托盘传感器与采集控制器相连接，各相机托盘传感器的靶面与检测的隧道衬砌表面径向距离为2.2～2.5m。

多个工业相机均通过相机托盘设置在第一支架上，第一支架为半圆弧形，架设在车体上，且半圆弧形的凸起侧朝向隧道衬砌表面，各工业相机设置于第一支架的凸起侧；相邻两个工业相机之间分布角度为30～40度，优选为35度，相机采用35mm尼康镜头，相机托盘传感器靶面距离隧道衬砌表面径向距离为2.2～2.5m，相邻两个工业相机的视场重合距离不低于20cm弧长。此重合段用做图片数据的融合、拼接、定位等处理。优选的总共包含7个工业相机；选用工业面阵CCD相机，具体的数量可以根据所需求拍摄隧道的弧面幅度而定；只需保证融合幅面不低于20cm分布即可。选用7个工业相机，既可满足隧道整个墙壁和穹顶的全覆盖，又成本较低，效果最佳；此时工控机有四台，其中一台工控机存储一个相机采集的数据，其他工控机每台存储两个相机的数据。海量图片数据量巨大，通常用多个工控机存储，经过试验，7个相机采集的图像宜分配给4台工控机。

在与隧道衬砌表面相对运动时，工业相机以相对固定间隔拍摄图像；横截面方向上，针对不同的隧道结构，通过多个工业相机合理布局，实现隧道衬砌表面横截面覆盖；纵向上，通过车速和帧率的配合，同一工业相机的前后两帧有效叠加，实现完整覆盖；为保证后续图像处理可行，横截面方向融合带宽度不低于15％画幅，纵向融合带宽度不低于30％画幅；均衡考量相机各种指标如分辨率、帧率、曝光时间、景深、传输带宽等，得出相机相关参数；结合隧道断面图和承载车尺寸，设计相机分布。在拍摄高速行进的物体时，为避免运动模糊，需要设置足够小的曝光时间，按设计指标，车体最高运行时速按25km/h设计，曝光时间在μs级别，需要光源补光单元即补光灯进行补光，补光灯需要具有极高的流明度，补光灯曝光频率应不低于相机帧频，闪光时间大于相机曝光时间，可接外触发，支持级联，时延一致性高；为提高光源效率，可针对具体拍摄场景设计反光杯和透镜；COB光源阵列可以提供高功率面光源，补光均匀；因铁路隧道环境的特殊性，应在实际场景中验证光源亮度，量化补光灯数量。

采集控制单元用于完成采集过程中工业相机和COB光源触发同步控制、工业相机和COB光源供电及驱动，并接收工业相机的数据。多个COB光源间隔设置在第二支架上，第二支架为两个，均设置在车体上，且分别位于第一支架的前后，与第一支架的弧度相一致；在各第二支架上，COB光源的个数与工业相机的个数相等，且位置相一致。

上述采集控制单元包括模式切换器、采集控制器和多功能箱，里程定位系统4与模式切换器相连接，通过模式切换器将触发信号发送给采集控制器，高清图像采集单元101将采集的数据发送给采集控制器，采集控制器将数据发送给多功能箱，多功能箱将数据发送给工控机二和高清图像采集单元101；采集控制组件用于完成采集过程的触发同步控制、传感器数据采集、相机和光源供电及驱动。高速存储单元包括视频采集卡、工控机二和硬盘；硬盘和视频采集卡均与工控机二相连接，工控机二接收多功能箱传输的数据，并将数据添加至图像数据中，并通过视频采集卡编码成视频流文件，存放于硬盘中。模式切换器切换触发模式，接收触发脉冲，采集控制器采集脉冲序列后，向多功能箱发送触发信号，经多功能箱调制解析后，分发成相机与频闪灯的同步触发信号，频闪灯曝光，工业相机启动拍摄。采集控制器产生触发信号时，读取相机传感器的位移和测距数据，打包后发送给多功能箱，多功能箱对传感数据继续封装向后透传，存储设备同时接收传感数据和图像数据，将传感数据添加到图像帧头，编码成视频流文件，存放到硬盘文件系统中。

高清图像采集单元101还包括激光测距仪阵列102，激光测距仪阵列102与工业相机阵列101一一对应且与工业相机阵列101相连接。高清图像采集单元对隧道衬砌表面进行全幅或半幅扫描，获取高分辨率隧道图像；高清图像采集单元由工业相机阵列、光学镜头构成，主体装置是工业相机阵列，在与隧道衬砌表面相对运动时，工业相机以相对固定间隔拍摄图像；横截面方向上，针对不同的隧道结构，通过多个工业相机合理布局，实现隧道衬砌表面横截面覆盖；纵向上，通过车速和帧率的配合，同一相机的前后两帧有效叠加，实现完整覆盖；为保证后续图像处理可行，横截面方向融合带宽度不低于15％画幅，纵向融合带宽度不低于30％画幅；均衡考量相机各种指标如分辨率、帧率、曝光时间、景深、传输带宽等，得出相机相关参数；结合隧道断面图和承载车尺寸，设计相机分布。在拍摄高速行进的物体时，为避免运动模糊，需要设置足够小的曝光时间，按设计指标，承载车最高运行时速按25km/h设计，曝光时间在μs级别，需要光源补光单元即补光灯进行补光，补光灯需要具有极高的流明度，补光灯曝光频率应不低于相机帧频，闪光时间大于相机曝光时间，可接外触发，支持级联，时延一致性高；为提高光源效率，可针对具体拍摄场景设计反光杯和透镜。

相机托盘设置在支撑装置103上，支撑装置103包括半圆弧形托架1031、主体支撑架1032和底座1033，相机托盘沿半圆弧形均匀排列安装在半圆弧形托架1031上，半圆弧形托架1031安装在底座1033上，底座1033安装在主体支撑架1032上；相机托盘通过导轨与半圆弧形托架1031相连接且相机托盘可在导轨上滑动且通过钳制器进行位置锁定；主体支撑架1032为升降结构，主体支撑架1032通过电机电动调节高度或手动调节高度。

上述半圆弧形托架1031的两端连接有安装板，用于将半圆弧形托架1031固定在底座1033上；半圆弧形托架1031的底部留有用于存放线缆的空间；相机托盘的上盖设有两个镶嵌相机的镜头的圆孔，两个圆孔之间设有一方孔用于镶嵌激光测距仪；相机托盘的前后两块侧板的两端均向内凹陷形成中间凸板，两块中间凸板之间镶嵌安装有惯性导航仪，相机托盘内设有固定板，相机安装在固定板与相机托盘上盖的圆孔相对应的位置，固定板安装在相机托盘的左右两块侧板上；补偿组件集成于相机托盘之上，以实时反馈高清图像采集单元101在运动过程中的位姿，用于对图像抖动补偿。通常采用惯性导航或红外测距或激光器单元；主体支撑架1032通过底座1033固定架安装在行走系统2上。底座1033的底部设有安装脚，安装脚焊接在底座1033的底部的四个角上，且每个安装脚上设有衬垫。

如图3、4和5所示，上述雷达探测系统3包括雷达主机、多个雷达天线、主控计算机、摄像系统、天线托架303和伸缩支架302，伸缩支架302的前端架设有天线托架303在，伸缩支架302的后端设置在车体上；雷达主机通过同步器与里程定位系统相连接，用于接收里程定位系统的触发信号；雷达主机通过多通道与多个雷达天线相连接，还与主控计算机相连接，摄像系统与主控计算机相连接。雷达天线的主频即为天线的中心频率，中心频率高的天线尺寸小，分辨率高，作用距离短，而中心频率低的天线尺寸大，分辨率低，但作用距离大；该雷达探测系统选用400M天线组成探头阵列模块，时窗设置50ns，采样点数为512点/扫描道，扫速根据最高速度设计；速度可对探测区域内2m左右深度目标进行分析。

天线托架303，包括模组平台3031，为一板体，板体的两端的前后均向外延伸并向下弧形倾斜设置，形成弧形平台3032，模组平台3031前后向设置、并跨设在第一支架和一个第二支架上；模组平台3031的上壁面上安装有雷达天线301，模组平台3031靠近雷达天线301的一侧的左右两端设有滚轮305；雷达天线301为多个；在两端的两个弧形平台3032上均安装有障碍传感器304。

上述雷达探测系统3接收到来自里程定位系统4的触发信号后，开始沿隧道衬砌表面进行检测，从而实现通过雷达天线对隧道衬砌内部结构中的钢筋分布、初衬和二衬的混凝土厚度进行检测，结合施工规范进行验收评定。

如图6和7所示，伸缩支架302包括底盘3021和支杆3022，底盘3021安装于车体上，支杆3022包括竖直杆和活动杆，竖直杆安装于底盘3021上，活动杆倾斜设置，其上端通过弹性支架3023与天线托架303相连接。

该雷达探测系统3还包括摄像系统，摄像系统与主控计算机相连接；摄像系统由多个高清相机构成，且高清相机与主控计算机通过网络连接；主控计算机包括至少一台计算机，多个计算机共用组合显示器；雷达天线为400M天线组成的雷达天线，其中时窗设置为50ns，采样点数为512点/扫描道。其中雷达天线主频即为天线的中心频率，中心频率高的天线尺寸小，分辨率高，作用距离短，而中心频率低的天线尺寸大，分辨率低，但作用距离大；经过反复实验证明，选用该雷达天线，扫速根据最高速度设计，速度可对探测区域内2m左右深度目标进行分析。雷达天线301包括发射天线和接收天线；该雷达探测系统3还包括雷达避障装置，该雷达避障装置包括伸缩支架302、雷达天线301、天线托架303和障碍传感器304，雷达天线301安装在天线托架303的表面，天线托架303远离雷达天线301的一面与伸缩支架302相连接，障碍传感器304设置在天线托架303的两端，用于检测隧道衬砌表面上的障碍物；天线托架303包括模组平台3031，模组平台3031的两端向外延伸并向下弧形倾斜设有弧形平台3032，雷达天线301安装在模组平台3031上，障碍传感器304安装在弧形平台3032上；伸缩支架302包括底盘3021和支杆3022，底盘3021的一端通过螺栓和螺钉与隧道衬砌病害综合检测车相连接，另一端与支杆3022相连接；支杆3022通过弹性支架3023与天线托架303相连接；模组平台3031靠近雷达天线301的一侧设有滚轮305；支杆3022为伸缩杆，伸缩杆包括两根空心管，空心管包括外管30221，外管中插有第一空心管30222，第一空心管30222置于外管30221内部的一端连接有膨胀伸缩组合件30223，外管30221和第一空心管30222之间在伸缩调节后通过膨胀伸缩组合件30223紧固；滚轮305的数量为4个，设置在模组平台3031的端部且与弧形平台3032相接；弹性支架3023包括有弹簧30231，弹簧30231一端与活动杆30232连接，另一端与横梁30233连接，横梁30233固定连接有拉杆30234；膨胀伸缩组合件30223包括膨胀套302231和连接套302232，连接套302232套接在膨胀套302231内；连接套302232上具有2个凸钉302233；膨胀套302231由其一端的边缘向内延伸具有2个卡槽302234，凸钉302233在连接套302232上的位置与卡槽302234在膨胀套302231上的位置相对应且凸钉302233与卡槽302234配合作用，卡槽302234可将凸钉302233卡合，通过将连接套上的凸钉302233卡合到膨胀套302231上的卡槽302234内，即可实现膨胀伸缩组合件30223的快速省力的卡紧且卡紧后实现了稳定及牢固，同时分合时，只需将连接套302232从膨胀套302231上取出，即将凸钉302233推出到膨胀套302231上的卡槽302234外即可；卡槽302234的宽度由外向内逐渐扩大至与凸钉302233的直径相同后再逐渐减小；卡槽302234包括竖向槽和横向槽，竖向槽由卡槽302234的顶端的缺口竖向向内延伸至终止端形成，横向槽由竖向槽的终止端向一侧横向延伸形成，卡槽呈L型；竖向槽的宽度大于凸钉302233的直径，横向槽的宽度由外向内逐渐扩大至与凸钉302233的直径相同后再逐渐减小；连接套302232与膨胀套302231均为空心圆管，膨胀套302231的内径大于连接套302232的外径；连接套302232的一端沿其边缘向外垂直延伸设有凸缘一，膨胀套302231在具有卡槽302234的另一端沿其边缘向外垂直延伸设有凸缘二；连接套302232的另一端设有连接部，连接部的直径小于连接套302232的直径；膨胀套302231上还设有凸箍一。

在检测车上设置有滑动舱，滑动舱可沿位于车架上的轨道滑动至操作车厢内；在检测系统不工作时，滑动舱罩设于检测系统外，将检测系统完全罩住；检测系统工作时，滑动舱沿轨道滑到操作车厢内，使检测系统完全露出。

Claims (5)

1.一种隧道衬砌病害综合检测车的表观检测系统，其特征在于，包括:高清图像采集单元(101)、光源补光单元(102)、采集控制单元和高速存储单元；所述高清图像采集单元(101)和高速存储单元均与采集控制单元相连接；

所述高清图像采集单元(101)包括：

工业相机阵列，所述工业相机阵列呈半圆弧形，包括多个间隔设置的工业相机，各所述工业相机均配装有一个广角定焦镜头，且广角定焦镜头朝向圆弧的外侧，用于拍摄隧道衬砌表面；

所述光源补光单元(102)，包含：

COB光源阵列：与所述工业相机阵列的形状相一致，与所述工业相机阵列平行且间隔设置；为两组，分别位于所述工业相机阵列的前后两侧；所述COB光源阵列中包含多个间隔设置的COB光源，且光源的光朝向隧道衬砌表面面；

所述采集控制单元用于完成采集过程中工业相机和COB光源触发同步控制、工业相机和COB光源供电及驱动，并接收工业相机的数据。

2.根据权利要求1所述的一种隧道衬砌病害综合检测车的表观检测系统，其特征在于，多个所述工业相机均通过相机托盘设置在第一支架上，所述第一支架为半圆弧形，架设在车体上，且半圆弧形的凸起侧朝向隧道衬砌表面，各工业相机设置于第一支架的凸起侧；相邻两个所述工业相机之间分布角度为30～40度，相邻两个工业相机的视场重合距离不低于20cm弧长。

3.根据权利要求1或2所述的一种隧道衬砌病害综合检测车的表观检测系统，其特征在于，在所述第一支架上，且沿其走向设置有导轨，各所述相机托盘均各通过一滑块安装在导轨上，在所述导轨上、且位于各所述滑块的下滑侧均各设置有一钳制器。

4.根据权利要求3所述的一种隧道衬砌病害综合检测车的表观检测系统，其特征在于，所述相机托盘上还设有相机托盘传感器，所述相机托盘传感器与所述采集控制器相连接，各所述相机托盘传感器的靶面与检测的隧道衬砌表面径向距离为2.2～2.5m。

5.根据权利要求4所述的一种隧道衬砌病害综合检测车的表观检测系统，其特征在于，多个所述COB光源间隔设置在第二支架上，所述第二支架为两个，均设置在车体上，且分别位于所述第一支架的前后，与所述第一支架的弧度相一致；在各第二支架上，所述COB光源的个数与所述工业相机的个数相等，且位置相一致。

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