李繼光，林昌健

中鐵十九局集團(tuán)第七工程有限公司，廣東珠海 519020

0 引言

隨著半導(dǎo)體激光技術(shù)的發(fā)展，其發(fā)展速度隨著時(shí)代的發(fā)展而不斷加大，已經(jīng)成為世界上發(fā)展速度最快的一種激光技術(shù)。半導(dǎo)體激光器從原先的低溫條件下運(yùn)行發(fā)展至室溫條件下進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，由小功率朝著大功率的方向而轉(zhuǎn)變。在結(jié)構(gòu)發(fā)明，激光器由原來的同質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)展至目前的單異質(zhì)結(jié)構(gòu)、雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)以及量子阱等270多種結(jié)構(gòu)。在制作方法方面，也由原來的擴(kuò)散法發(fā)展至目前的液相外延（LPE）、氣相外延（VPE）、分子束外延（MBE）、化學(xué)束外延（MBE）、金屬有機(jī)化合物氣相淀積（MOCVD）及其它們的各種結(jié)合型等多種工藝。

近年來，高功率半導(dǎo)體激光器陣列器件也得到了飛速的發(fā)展，已推出產(chǎn)品有連續(xù)輸出功率5W、10W、1SW、20W 和30W的激光器陣列。脈沖工作的激光器，峰值輸出功率S0W、120W、1S00W、和4800W 的陣列也已經(jīng)商品化。一個(gè)4.5cm9cm 二維陣列，其峰值輸出功率為3S0kW 的二維陣列問世。目前國外用半導(dǎo)體激光器疊層陣列泵浦Nd：YAG 激光器，輸出功率達(dá)到1000W，預(yù)示著工業(yè)和國防應(yīng)用的半導(dǎo)體激光泵浦技術(shù)將產(chǎn)生巨大變革。

1 半導(dǎo)體激光器檢測鐵路鋼軌缺陷深度的檢測原理

半導(dǎo)體激光器檢測鐵路鋼軌表面缺陷深度具體的檢測原理如圖1所示。由下圖可以看出，首先激光器經(jīng)過單面的柱狀透鏡，形成一束激光線束，然后將激光線垂直地投射于鋼板的表面，在整個(gè)生產(chǎn)的表面形成一個(gè)整塊的覆蓋面，激光線在縱向上的寬度一般為0.1cm～0.2cm，對激光線的漫反射圖像進(jìn)行采集，然后再對相關(guān)投射上來的圖像加以處理，從而獲得了鐵路鋼板表面缺陷的三位深度方面的重要信息。筆者實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過程中，一般采用的是半導(dǎo)體紅色激光器，其輸出的波長一般為650nm～700nm之間，輸出功率較低，約為30mW。對于圖像的采集而言，應(yīng)該注意選擇一個(gè)分辨率比較高的面陣攝像機(jī)，采用的方式一般為隔行掃描方式，有效地像素為768288，實(shí)驗(yàn)平臺為自行設(shè)計(jì)開發(fā)的運(yùn)動圖像采集與表面在線檢測實(shí)驗(yàn)臺。系統(tǒng)在深度方向的圖像采集范圍為30mm左右，深度檢測的理論精度為0.10mm。

圖1 半導(dǎo)體激光器檢測鐵路鋼軌表面缺陷深度原理圖

2 攝像機(jī)的標(biāo)定

根據(jù)如上關(guān)于半導(dǎo)體激光器檢測鐵路鋼軌表面缺陷深度的原理可以得知，攝像機(jī)在檢測的過程中起到了十分重要的作用，對于檢測效果的好壞具有重要的影響。在實(shí)際的檢測過程之中，攝像機(jī)的標(biāo)定對于檢測具有十分重要的作用。對于攝像機(jī)的標(biāo)定而言，其中一個(gè)非常重要的任務(wù)就是在某一個(gè)特定的攝像機(jī)模型條件下，通過對數(shù)字圖像等地處理，運(yùn)用一些數(shù)學(xué)計(jì)算以及變化等方法，對攝像機(jī)模型的內(nèi)部參數(shù)加以求解，從而能夠很好地確定成像平面上各個(gè)點(diǎn)與物理坐標(biāo)中各點(diǎn)的攝像關(guān)系。對于系統(tǒng)的標(biāo)定而言，其主要使用到的方法就是在一定的成像模型之下，利用尺寸與形狀已知的標(biāo)定參照物求取攝像機(jī)的內(nèi)部與外部的參數(shù)。在標(biāo)定過程中，常常將一些參數(shù)設(shè)置成數(shù)學(xué)模型，其中一個(gè)比較常用的模型為直接線性變換方法，其使用到的一個(gè)重要的模型為：

在上述模型中，（xw,yw,zw）為三維空間中控制點(diǎn)的坐標(biāo)，（u,v）為圖像上對應(yīng)于三維控制點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)，毛為待定參數(shù).不失一般性，令l23=1，則如果得到N(N≥6)個(gè)控制點(diǎn)的空間坐標(biāo)（xw,yw,zw）及其對應(yīng)的像坐標(biāo)(u，v)，就可以用最小二乘法求解出除如外的另外11個(gè)參數(shù)。按照激光線條所出現(xiàn)的期望區(qū)域，這個(gè)區(qū)域主要指的就是激光器發(fā)射的激光線在一定空間所形成的平面圖像。該光平面所截取標(biāo)定的靶面上相應(yīng)的區(qū)域，而且在圖像相關(guān)區(qū)域之內(nèi)均勻地選擇了具有一定特征的48個(gè)點(diǎn)位，然后對這些點(diǎn)位的特征空間進(jìn)行仔細(xì)地記錄，主要記錄的內(nèi)容就是這些點(diǎn)的空間坐標(biāo)以及這些點(diǎn)所形成的這個(gè)光平面的坐標(biāo)，然后再講這些數(shù)據(jù)用語對系統(tǒng)成像加以標(biāo)定。根據(jù)筆者的實(shí)際實(shí)驗(yàn)可以得出如下這樣的結(jié)果：系統(tǒng)如此標(biāo)定，其誤差非常之大，對該系統(tǒng)的誤差的具體分布不難發(fā)現(xiàn)，以往實(shí)驗(yàn)中的標(biāo)定范圍多為正方形，效果較好，而此次圖像為狹長區(qū)域，造成圖像左右段區(qū)域數(shù)據(jù)的干擾。具體標(biāo)定的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示：

表1 標(biāo)定驗(yàn)證結(jié)果對比分析表

3 激光線性提取及其空間曲線的還原

待攝像機(jī)的標(biāo)定完成之后，應(yīng)該注意對激光線性提取以及空間進(jìn)行還原。下面就是著重對激光進(jìn)行線性提取及其空間曲線進(jìn)行還原，具體而言，主要包括如下幾個(gè)方面。

3.1 首先進(jìn)行圖像的細(xì)化處理

對于鐵路軌道檢測而言，其現(xiàn)場的光環(huán)境與外界一致，于是可以通過安裝一定的激光檢測設(shè)備而使其保持相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。因此，筆者在實(shí)際的鐵路軌道的檢測過程之中，一般選取的是閾值化法對圖像進(jìn)行二值化處理。運(yùn)用閾值化法對圖像進(jìn)行二值化處理的一個(gè)非常關(guān)鍵的步驟就是選擇恰當(dāng)?shù)拈撝礣。根據(jù)如圖2所示的圖像對其灰度直方圖的分布的特點(diǎn)，來選擇圖像灰度直方圖分布上最高波峰后的第一個(gè)波谷作為閾值，處理后得到二值圖像如圖3所示。在這個(gè)過程中，應(yīng)該注意的是：為了能夠滿足讀者對缺陷圖像特征的觀察，本研究主要選擇了深度較深的鋼軌模擬缺陷來對圖像加以處理，在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過程之中，筆者選取了缺陷深度為6mm的作為模板。對于本環(huán)節(jié)的另外一個(gè)非常重要的任務(wù)就是通過對圖像的二值化處理之后，所得的圖像源自于原始的圖像的噪聲干擾及其一些離散的干擾點(diǎn)加以去除。

圖2 激光線的原始圖像

圖3 經(jīng)過二值化處理的圖像

3.2 圖像細(xì)化處理

圖像細(xì)化，細(xì)化(Thinning)是一種圖像處理運(yùn)算，處理過程是運(yùn)用圖像細(xì)化算法將二值圖像中具有一定寬度的激光線條狀區(qū)域處理成一條細(xì)線，以逼近該區(qū)域的中心線，也稱為骨架或核線,細(xì)化的目的在于減少圖像其他成分，直到只留下線條的最基本信息，以便進(jìn)一步分析和識別。常用的圖像細(xì)化過程是基于對圖像特征區(qū)域進(jìn)行腐蝕算法的，本質(zhì)上說就是不斷考察圖像區(qū)域中的各點(diǎn)，按上下左右的順序，反復(fù)“隱去”那些不需要保留的點(diǎn)，直到線形形成。具體的細(xì)化算法有多種，如Hilditch算法、Naccache算法、掩膜法和內(nèi)接圓法等。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，此類方法對目標(biāo)區(qū)域邊緣形狀比較敏感，對提取深度信息有影響。

4 結(jié)論

綜上所述可以得知，半導(dǎo)體激光器技術(shù)已經(jīng)經(jīng)過了數(shù)十年的快速發(fā)展，在快速發(fā)展的過程之中，應(yīng)用十分之廣泛，涉及到經(jīng)濟(jì)、軍事、水利以及工業(yè)等方面。本研究主要對半導(dǎo)體激光器運(yùn)用于鐵路鋼軌表面缺陷深度的檢測過程之中，為鐵路檢測之中的一個(gè)非常重要的方法，應(yīng)該極力地加以推廣。

[1]HITACHI LaserDiodes—precautious Against Surge，1994年日囊公司資料.

[2]周炳昆.激光原理[M].國防工業(yè)出版社，1995，4.

[3]黃德器.半導(dǎo)體光電子學(xué)[M].電子科技大學(xué)出版社，1989，9.

[4]牟斌.探討半導(dǎo)體激光技術(shù)在鐵路檢測領(lǐng)域中的一些可能應(yīng)用[J].中國鐵道科學(xué)，2000，21(3).

[5]梁治國.線型激光三維檢測技術(shù)的研究與工業(yè)應(yīng)用[D].博士學(xué)位論文，2005.

[6]梁治國，徐科，徐金梧.基于線型激光的鋼板表面缺陷三維檢測技術(shù)[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，26(6).

[7]賀俊吉.結(jié)構(gòu)光三維視覺檢測中光條圖像處理方法研究[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2003(7).