CN116012297B - 基于太赫兹的铁轨表面损伤检测方法、系统和存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于太赫兹的铁轨表面损伤检测方法、系统和存储介质，可应用于工件损伤检测技术领域。本发明方法包括以下步骤：获取网口相机采集的铁轨点数特征数据；对所述铁轨点数特征数据进行点云分割，得到铁轨显性点云特征数据和需要重构点云特征数据；根据所述铁轨显性点云特征数据和所述需要重构点云特征数据进行铁轨表面损伤检测。本发明通过对网口相机采集的铁轨点数特征数据分割后，根据分割得到铁轨显性点云特征数据和需要重构点云特征数据进行铁轨表面损伤检测，从而无需接触式设备进出图像采集，同时利用点云分割的特性，提高特征数据的分割精度，从而提高铁轨损伤检测的准确度。
Description
技术领域
本发明涉及工件损伤检测技术领域，尤其是一种基于太赫兹的铁轨表面损伤检测方法、系统和存储介质。
背景技术
相关技术中，火车速度的提高对铁轨线路的轨道平顺性比以往有了更高的要求；特别是高速铁路，对铁轨的平顺性有着更严格的要求，如果轨道的平顺性不良，轻则引起机车车辆树剧烈振动，轮轨的动作用力成倍增加，严重危害轨道和机车车辆部件，影响列车速度的提高，降低轨道及机车车辆的寿命；重则引起列车脱轨、倾覆等恶性事故，危及行车安全。
目前的特征识别检测不仅识别效率低下、精度不高、识别错误率较高，尤其对于一些超大复杂工件特征图像数据信息的识别，效率很低。而其他一些接触式的采集识别设备虽然可以满足采集要求，但是因接触式的采集方式对现场要求较高，不适用于铁轨检测，从而也无法提高铁轨损伤检测的准确度。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种基于太赫兹的铁轨表面损伤检测方法、系统和存储介质，能够有效提高铁轨损伤检测的准确度。
一方面，本发明实施例提供了一种基于太赫兹的铁轨表面损伤检测方法，包括以下步骤：
获取网口相机采集的铁轨点数特征数据；
对所述铁轨点数特征数据进行点云分割，得到铁轨显性点云特征数据和需要重构点云特征数据；
根据所述铁轨显性点云特征数据和所述需要重构点云特征数据进行铁轨表面损伤检测。
在一些实施例中，所述对所述铁轨点数特征数据进行点云分割，得到铁轨显性点云特征数据和需要重构点云特征数据，包括：
对所述铁轨点数特征数据进行第一点云分割，得到铁轨有效点云特征数据和混合点云特征数据，所述铁轨有效点云特征数据包括第一铁轨显性点云特征数据和需重构点云特征数据；
对所述混合点云特征数据进行第二点云分割，得到第二铁轨显性点云特征数据。
在一些实施例中，所述对所述铁轨点数特征数据进行第一点云分割，包括：
获取第一分割矩阵因子RI，其中
根据所述第一分割矩阵因子RI，通过如下公式对所述铁轨点数特征数据进行第一点云分割：
其中，Qa(ax,ay,az)表示所述铁轨点数特征数据的点云分割结果，M表示铁轨点数特征数据，N表示全特征与特征分割阈值，a表示任意选取的第a个像素。
在一些实施例中，所述对所述混合点云特征数据进行第二点云分割，包括：
获取第二分割矩阵因子RII，其中
根据所述第二分割矩阵因子RII对所述混合点云特征数据进行第二点云分割。
在一些实施例中，所述根据所述铁轨显性点云特征数据和所述需要重构点云特征数据进行铁轨表面损伤检测，包括：
根据所述第一铁轨显性点云特征数据进行第一铁轨表面损伤检测，第一损伤检测结果；
将所述第二铁轨显性点云特征数据和所述需重构点云特征数据进行拟合和重构后，得到目标特征数据；
根据所述目标特征数据进行第二铁轨表面损伤检测，得到第二损伤检测结果；
将所述第一损伤检测结果和所述第二损伤检测结果融合，得到目标铁轨表面损伤检测结果。
在一些实施例中，所述获取网口相机采集的铁轨点数特征数据，包括：
通过太赫兹时域光谱技术产生预设频率的太赫兹波照射到铁轨表面；
获取所述铁轨表面反射或折射后的铁轨表面三维点云特征数据作为铁轨点数特征数据。
在一些实施例中，所述预设频率的范围为0.3THz-3THz。
另一方面，本发明实施例提供了一种基于太赫兹的铁轨表面损伤检测系统，包括：
获取模块，用于获取网口相机采集的铁轨点数特征数据；
分割模块，用于对所述铁轨点数特征数据进行点云分割，得到铁轨显性点云特征数据和需要重构点云特征数据；
检测模块，用于根据所述铁轨显性点云特征数据和所述需要重构点云特征数据进行铁轨表面损伤检测。
另一方面，本发明实施例提供了一种基于太赫兹的铁轨表面损伤检测系统，包括：
至少一个存储器，用于存储程序；
至少一个处理器，用于加载所述程序以执行所述的基于太赫兹的铁轨表面损伤检测方法。
另一方面，本发明实施例提供了一种存储介质，其中存储有计算机可执行的程序，所述计算机可执行的程序被处理器执行时用于实现所述的基于太赫兹的铁轨表面损伤检测方法。
本发明实施例提供了一种基于太赫兹的铁轨表面损伤检测方法，具有如下有益效果：
本实施例通过对网口相机采集的铁轨点数特征数据分割后，根据分割得到铁轨显性点云特征数据和需要重构点云特征数据进行铁轨表面损伤检测，从而无需接触式设备进出图像采集，同时利用点云分割的特性，提高特征数据的分割精度，从而提高铁轨损伤检测的准确度。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：
图1为本发明实施例一种基于太赫兹的铁轨表面损伤检测方法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
参照图1，本发明实施例提供了一种基于太赫兹的铁轨表面损伤检测方法，本实施例可应用于铁轨损伤检测平台对应的后台处理器，也可以应用于服务器或云端。
在应用过程中，本实施例的方法包括但不限于以下步骤：
步骤S110、获取网口相机采集的铁轨点数特征数据；
在本申请实施例中，网口相机可以采用太赫兹相机。在进行图像采集过程中，可以通过光源控制器控制光源的光照强度，以提高网口相机采集的精度。具体地，可以通过太赫兹时域光谱技术产生预设频率的太赫兹波照射到铁轨表面，然后获取所述铁轨表面反射或折射后的铁轨表面三维点云特征数据作为铁轨点数特征数据。其中，预设频率的范围为0.3THz-3THz。在本实施例中，太赫兹技术具有以下优点：第一、太赫兹光谱的频段对应很多大分子整体振动模式和分子间振动模式，这些振动模式对于外界环境更为敏感，使太赫兹光谱在物质特性研究方面具有其它测试手段无法企及的优势；第二、太赫兹光谱属于相干测量，可以同时得到振幅和相位的信息，提高了测量的效率与准确性；第三、THz系统对黑体辐射(热背景)不敏感，其信噪比可高达104，远高于传统的傅里叶变换红外光谱技术；第四、太赫兹波具有瞬时性，脉宽在皮秒或亚皮秒量级，因而具有很高的时间分辨率，既可用于物理、生物、化学等领域的超快过程研究，也可用于基于飞行时间的超高精度厚度测量；第五、太赫兹光子能量很低，只有meV级别，不会对生物组织产生电离作用，对人体很安全，也可以进行活体组织研究；第六、太赫兹具有独特的穿透性，对于很多非极性材料(如塑料、纸箱、布料、泡沫等)的穿透性很强，可以进行材料内部的无损检测。太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术是太赫兹技术应用方向的典型代表，其技术相对来说比较成熟，应用场景也很广泛。太赫兹时域光谱技术是利用飞秒激光泵浦太赫兹发射器产生太赫兹脉冲，然后通过透射、反射或衰减全反射(ATR)等方式携带着测试样品的信息被太赫兹探测器所接收，通过波谱分析技术可以得到样品的折射率、吸收系数、介电常数等物理信息。其应用领域主要集中在生物学、医学、化学、农业、环境、食品安全等方面。
步骤S120、对所述铁轨点数特征数据进行点云分割，得到铁轨显性点云特征数据和需要重构点云特征数据；
在本实施例中，对铁轨点数特征数据进行点云分割时，可以通过对铁轨点数特征数据进行第一点云分割，得到铁轨有效点云特征数据和混合点云特征数据，然后再对混合点云特征数据进行第二点云分割，得到第二铁轨显性点云特征数据。其中，铁轨有效点云特征数据包括第一铁轨显性点云特征数据和需重构点云特征数据。具体地，对铁轨点数特征数据进行第一点云分割时，可以再获取第一分割矩阵因子后，根据第一分割矩阵因子RI，通过公式(1)对铁轨点数特征数据进行第一点云分割：
其中，Qa(ax,ay,az)表示所述铁轨点数特征数据的点云分割结果，M表示铁轨点数特征数据，N表示全特征与特征分割阈值，a表示任意选取的第a个像素。
然后再获取到第二分割矩阵因子后，将公式(1)中的第一分割矩阵因子换成第二分割矩阵因子后，对混合点云特征数据进行第二点云分割。
由此可知，本实施例通过两个点云的分割过程，可以提高铁轨点数特征数据的分割精度，从而得到更加准确地、能够体现出铁轨表面信息的特征数据，从而可以提高后续检测过程的检测精度。
步骤S130、根据铁轨显性点云特征数据和需要重构点云特征数据进行铁轨表面损伤检测。
在本实施例中，在得到铁轨显性点云特征数据和需要重构点云特征数据后，再通过多次检测铁轨损伤情况来确定最终的铁轨状态，进而提高铁轨损伤的检测准确度。具体地，可以通过以下步骤进行铁轨损伤检测：
根据第一铁轨显性点云特征数据进行第一铁轨表面损伤检测，第一损伤检测结果；
将第二铁轨显性点云特征数据和需重构点云特征数据进行拟合和重构后，得到目标特征数据；
根据目标特征数据进行第二铁轨表面损伤检测，得到第二损伤检测结果；
将第一损伤检测结果和第二损伤检测结果融合，得到目标铁轨表面损伤检测结果。
在本实施例中，通过两次损伤检测结果的结合进行综合判断铁轨表面是否存在损伤，可以有效提高损伤检测结果的准确度。
在一些实施例中，将图1所示的方法应用于实际场景时，包括但不限于以下步骤：
第一步、太赫兹三维层析成像技术获取铁轨点数特征数据；具体通过太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术，针对铁轨表面材料，通过产生频率范围为0.3THz-3THz的太赫兹波照射到铁轨表面后，经过反射或折射的方法获取到铁轨表面三维点云特征数据作为铁轨点数特征数据。
第二步、对采集到的铁轨点数特征数据进行预处理，将I次分割矩阵因子作为第一分割矩阵因子，利用第一分割矩阵因子对铁轨特征数据进行第一点云分割，得到铁轨有效点云特征数据和混合点云特征数据，其中，第一点云分割包括点云阈值分割；铁轨有效点云特征包括第一铁轨显性点云特征数据和需重构点云特征数据。具体地，定义铁轨点数特征数据的点云像素的集合G，铁轨特征任一点云像素可表示为G(xi,yi,zi)，铁轨图像像素集合Q，铁轨图像上任一像素可表示为Q1(ax，ay，az)，铁轨特征图像的I次分割矩阵因子用RI表示，则有铁轨点数特征数据用M表示，全特征与特征分割阈值用N表示，则有I次分割矩阵因子分割表示方法如公式(1)所示：
其中，Q(ax,ay,az)表示所述铁轨点数特征数据的点云分割结果
第三步、对第一铁轨显性点云特征数据进行特征识别、检测，并将识别检测结果反馈到控制端，进行结果显示；
第四步、将II次分割矩阵因子作为第二分割矩阵因子，利用第二分割矩阵因子将混合点云特征数据进行进一步的特征分割，得到第二铁轨显性点云特征数据；
第五步、将经过II次分割矩阵因子分割后获得第二铁轨显性点云特征数据和I次分割矩阵因子分割后获得的需重构点云特征数据进行铁轨点云特征块的拟合和重构，得到目标特征数据；
第六步、根据重构得到目标特征数据对铁轨特征进行识别与检测，并将两次识别结果融合后反馈到终端设备，以使终端设备显示该结果。
由此可知，本实施例通过利用太赫兹成像技术对铁轨表面损伤特征的识别和检测显示方法，可以有效提高提高铁轨损伤检测的准确度，同时本实施例的检测方法适用于非接触式、无人化、高速检测下的铁轨表面损伤特征图像识别检测与显示。
本发明实施例提供了一种基于太赫兹的铁轨表面损伤检测系统，包括：
获取模块，用于获取网口相机采集的铁轨点数特征数据；
分割模块，用于对所述铁轨点数特征数据进行点云分割，得到铁轨显性点云特征数据和需要重构点云特征数据；
检测模块，用于根据所述铁轨显性点云特征数据和所述需要重构点云特征数据进行铁轨表面损伤检测。
本发明方法实施例的内容均适用于本系统实施例，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法达到的有益效果也相同。
本发明实施例提供了一种基于太赫兹的铁轨表面损伤检测系统，包括：
至少一个存储器，用于存储程序；
至少一个处理器，用于加载所述程序以执行图1所示的基于太赫兹的铁轨表面损伤检测方法。
本发明方法实施例的内容均适用于本系统实施例，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法达到的有益效果也相同。
本发明实施例提供了一种存储介质，其中存储有计算机可执行的程序，所述计算机可执行的程序被处理器执行时用于实现图1所示的基于太赫兹的铁轨表面损伤检测方法。
本发明方法实施例的内容均适用于本存储介质实施例，本存储介质实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法达到的有益效果也相同。
本发明实施例还提供了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行图1所示的基于太赫兹的铁轨表面损伤检测方法。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
Claims (7)
1.一种基于太赫兹的铁轨表面损伤检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过太赫兹时域光谱技术产生预设频率的太赫兹波照射到铁轨表面；
获取所述铁轨表面反射或折射后的铁轨表面三维点云特征数据作为铁轨点数特征数据；
对所述铁轨点数特征数据进行第一点云分割，得到铁轨有效点云特征数据和混合点云特征数据，所述铁轨有效点云特征数据包括第一铁轨显性点云特征数据和需要重构点云特征数据；
对所述混合点云特征数据进行第二点云分割，得到第二铁轨显性点云特征数据；
根据所述第一铁轨显性点云特征数据进行第一铁轨表面损伤检测，第一损伤检测结果；
将所述第二铁轨显性点云特征数据和所述需要重构点云特征数据进行拟合和重构后，得到目标特征数据；
根据所述目标特征数据进行第二铁轨表面损伤检测，得到第二损伤检测结果；
将所述第一损伤检测结果和所述第二损伤检测结果融合，得到目标铁轨表面损伤检测结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹的铁轨表面损伤检测方法，其特征在于，所述对所述铁轨点数特征数据进行第一点云分割，包括：
获取第一分割矩阵因子，其中/>；
根据所述第一分割矩阵因子，通过如下公式对所述铁轨点数特征数据进行第一点云分割：
其中，表示所述铁轨点数特征数据的点云分割结果，M表示铁轨点数特征数据，N表示全特征与特征分割阈值，a表示任意选取的第a个像素。
3.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹的铁轨表面损伤检测方法，其特征在于，所述对所述混合点云特征数据进行第二点云分割，包括：
获取第二分割矩阵因子，其中/>
根据所述第二分割矩阵因子对所述混合点云特征数据进行第二点云分割。
4.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹的铁轨表面损伤检测方法，其特征在于，所述预设频率的范围为0.3THz-3THz。
5.一种基于太赫兹的铁轨表面损伤检测系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于通过太赫兹时域光谱技术产生预设频率的太赫兹波照射到铁轨表面；获取所述铁轨表面反射或折射后的铁轨表面三维点云特征数据作为铁轨点数特征数据；
分割模块，用于对所述铁轨点数特征数据进行第一点云分割，得到铁轨有效点云特征数据和混合点云特征数据，所述铁轨有效点云特征数据包括第一铁轨显性点云特征数据和需要重构点云特征数据；对所述混合点云特征数据进行第二点云分割，得到第二铁轨显性点云特征数据；
检测模块，用于根据所述第一铁轨显性点云特征数据进行第一铁轨表面损伤检测，第一损伤检测结果；将所述第二铁轨显性点云特征数据和所述需要重构点云特征数据进行拟合和重构后，得到目标特征数据；根据所述目标特征数据进行第二铁轨表面损伤检测，得到第二损伤检测结果；将所述第一损伤检测结果和所述第二损伤检测结果融合，得到目标铁轨表面损伤检测结果。
6.一种基于太赫兹的铁轨表面损伤检测系统，其特征在于，包括：
至少一个存储器，用于存储程序；
至少一个处理器，用于加载所述程序以执行如权利要求1-4任一项所述的基于太赫兹的铁轨表面损伤检测方法。
7.一种存储介质，其特征在于，其中存储有计算机可执行的程序，所述计算机可执行的程序被处理器执行时用于实现如权利要求1-4任一项所述的基于太赫兹的铁轨表面损伤检测方法。
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| CN116012297A (zh) | 2023-04-25 |
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