李 鵬，梁習(xí)鋒，周 偉，魯寨軍

基于圖像循環(huán)相關(guān)的列車(chē)速度測(cè)試方法

李 鵬，梁習(xí)鋒，周 偉，魯寨軍

(中南大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙，410075)

針對(duì)鐵路建筑限界檢測(cè)中列車(chē)速度測(cè)試的要求，提出一種基于雙高頻線陣CCD紅外成像技術(shù)循環(huán)相關(guān)算法速度測(cè)試模型，對(duì)線陣CCD采集的圖像進(jìn)行循環(huán)相關(guān)仿真分析。利用同一時(shí)刻2個(gè)線陣相機(jī)采集的圖像循環(huán)相關(guān)計(jì)算的像素?cái)?shù)除以相機(jī)的軸心距得到每個(gè)像素表征的實(shí)際距離K0，對(duì)相鄰時(shí)刻同一相機(jī)采集的圖像進(jìn)行循環(huán)相關(guān)計(jì)算得到采樣周期內(nèi)移動(dòng)的像素?cái)?shù)P，K0與P相乘并除以相機(jī)采樣周期Δt得到列車(chē)運(yùn)行速度。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一套測(cè)速設(shè)備，并在試驗(yàn)車(chē)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：去除背景影響后，圖像循環(huán)相關(guān)算法具有較高的精度；實(shí)測(cè)速度變化符合列車(chē)減速規(guī)律；速度計(jì)算誤差為0.007m/s，能夠滿足限界檢測(cè)的要求。

線陣CCD；紅外成像技術(shù)；循環(huán)相關(guān)

近年來(lái)，我國(guó)軌道交通得到飛速發(fā)展，越來(lái)越多的大尺寸貨物通過(guò)鐵路進(jìn)行運(yùn)輸。然而，超限貨物運(yùn)輸多被定性為超級(jí)超限，都會(huì)超過(guò)機(jī)車(chē)限界，進(jìn)而接近建筑限界。一旦出現(xiàn)建筑限界資料不全或者不能及時(shí)更新，在運(yùn)輸過(guò)程中很容易造成列車(chē)事故。可見(jiàn)，高速在線限界檢測(cè)，及時(shí)掌握限界資料，對(duì)我國(guó)鐵路安全運(yùn)輸起著至關(guān)重要的作用?；诖?，鐵路有關(guān)部門(mén)立項(xiàng)“鐵路安全檢測(cè)技術(shù)研究—鐵路建筑限界高速在線檢測(cè)系統(tǒng)研究”。通過(guò)一系列研究分析，研發(fā)出利用高頻LED與CMOS相機(jī)結(jié)合的限界檢測(cè)系統(tǒng)。而該系統(tǒng)的關(guān)鍵之一是對(duì)列車(chē)運(yùn)行速度進(jìn)行測(cè)量，以確定列車(chē)行進(jìn)里程和頻閃周期列車(chē)移動(dòng)的距離，同時(shí)還要與限界檢測(cè)系統(tǒng)的接口銜接。目前，常見(jiàn)的測(cè)速方法有很多[1?7]，激光測(cè)速技術(shù)目前已經(jīng)得到較成熟的發(fā)展，測(cè)速有效距離較長(zhǎng)，精度較高。然而，此種設(shè)備不但價(jià)格昂貴，還要求在測(cè)速過(guò)程中激光測(cè)速設(shè)備處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，不能隨列車(chē)運(yùn)行實(shí)時(shí)在線檢測(cè)；GPS測(cè)速主要通過(guò)衛(wèi)星接收定位坐標(biāo)，測(cè)定物體一定時(shí)間差內(nèi)2點(diǎn)的位移，進(jìn)而得出速度，我國(guó)地域?qū)拸V，地形復(fù)雜，尤其是山區(qū)，隧道更是長(zhǎng)且多，阻止了衛(wèi)星信號(hào)有效接收，測(cè)速精度大大降低；雷達(dá)測(cè)速是在多普勒原理的基礎(chǔ)上，通過(guò)確定物體離雷達(dá)距離而發(fā)生的反射信號(hào)頻率，計(jì)算頻率差，從而得到速度，但由于鐵路線路上凹凸不平，加之雷達(dá)角度的安裝調(diào)試要求較高，在測(cè)試過(guò)程中誤差較大；機(jī)車(chē)測(cè)速主要通過(guò)檢測(cè)牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)確定，受外界環(huán)境影響較小，精確度較高，然而數(shù)據(jù)接口較特殊，考慮到鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩裕趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中難以將速度同步到限界檢測(cè)中來(lái)；圖像相關(guān)速度測(cè)試通過(guò)選取圖像中的特征區(qū)域作為模板子序列，隨著模板在整個(gè)圖像中的移動(dòng)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，確定相關(guān)結(jié)果的最大值位置與原始位置的移動(dòng)距離可以計(jì)算列車(chē)運(yùn)行速度，由于對(duì)圖像采集要求較高，在測(cè)試過(guò)程中，圖像采集設(shè)備固定不動(dòng)，對(duì)著列車(chē)特征區(qū)域采集圖像，而本文測(cè)速要求設(shè)備安裝在運(yùn)行的列車(chē)上，并且采集的圖像也很難找到模板子序列[8?9]。鑒于此，本文作者提出雙線陣CCD相機(jī)紅外光源成像技術(shù)速度測(cè)試方案[10?12]。與其他測(cè)速手段相比，該方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)設(shè)備體積較小，便于安裝在列車(chē)底部，能夠隨列車(chē)運(yùn)行實(shí)時(shí)測(cè)速，同時(shí)避免陽(yáng)光直射以及雨雪天氣對(duì)測(cè)試的影響；2)紅外光源為不可見(jiàn)光，能夠確保鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩约叭旌驒z測(cè)；3)數(shù)據(jù)接口較簡(jiǎn)單，通過(guò)同步控制與接口銜接，能夠很好地與限界檢測(cè)系統(tǒng)融合。

1 測(cè)速方案設(shè)計(jì)

在本文的測(cè)速方案中，雙高頻線陣CCD相機(jī)沿車(chē)輛長(zhǎng)度方向布置，以固定間距精確布置在1條直線上，相機(jī)視角存在交錯(cuò)重疊，如圖1所示。控制線陣相機(jī)的采集頻率，通過(guò)同步觸發(fā)信號(hào)，兩個(gè)相機(jī)采集圖像，循環(huán)相關(guān)計(jì)算并結(jié)合雙相機(jī)光軸間距標(biāo)定出同時(shí)刻單像素點(diǎn)表征距離；對(duì)單相機(jī)時(shí)序圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)相關(guān)，獲取采樣周期內(nèi)列車(chē)移動(dòng)的像素個(gè)數(shù)，通過(guò)單像素點(diǎn)表征距離與采集周期移動(dòng)像素計(jì)算列車(chē)運(yùn)行速度。

圖1 雙高頻線陣CCD紅外成像技術(shù)測(cè)速原理Fig.1 Princip le of speed-testing w ith dual-high-frequency linear CCD and infrared imaging technology

設(shè)g1(n, t)與g2(n, t)分別為相機(jī)1和相機(jī)2在t時(shí)刻采集的圖像，Δt為線陣相機(jī)的采集周期，Pi為第i次循環(huán)相關(guān)的像素移動(dòng)值，D為2個(gè)線陣相機(jī)的軸心距，Kt為t時(shí)刻每個(gè)像素代表的實(shí)際距離，s為線陣相機(jī)的采集周期內(nèi)列車(chē)移動(dòng)距離，v為列車(chē)運(yùn)行速度，測(cè)速計(jì)算流程如圖2所示。

從圖2可以看出：測(cè)速方案的實(shí)質(zhì)就是對(duì)單相機(jī)在t和t+Δt時(shí)刻采集的時(shí)序圖像循環(huán)相關(guān)計(jì)算Δt時(shí)間內(nèi)列車(chē)移動(dòng)的像素個(gè)數(shù)；雙相機(jī)在同一時(shí)刻圖像循環(huán)相關(guān)得到的像素與相機(jī)軸間距的比即為此時(shí)刻每個(gè)像素代表的實(shí)際距離；移動(dòng)的像素個(gè)數(shù)與每個(gè)像素代表的實(shí)際距離的乘積即為tΔ內(nèi)相機(jī)移動(dòng)的距離，最終可以計(jì)算列車(chē)運(yùn)行速度。

圖2 雙高頻線陣CCD紅外成像技術(shù)測(cè)速流程Fig.2 Flow chartof speed-testing w ith dual-high-frequency linear CCD and infrared imaging technology

不難看出，測(cè)速方案的2個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)為tΔ內(nèi)每個(gè)像素代表的實(shí)際距離以及移動(dòng)的像素?cái)?shù)量，而這2種算法的實(shí)現(xiàn)都是基于循環(huán)相關(guān)。

2 循環(huán)相關(guān)算法實(shí)現(xiàn)與仿真分析

循環(huán)相關(guān)是對(duì)有限序列長(zhǎng)度為N的數(shù)據(jù))(ny以N為周期進(jìn)行若干周期拓延，然后朝1個(gè)方向移位，每次移動(dòng)1個(gè)位置，與)(nx對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)相乘，由于周期性，)(ny向左移動(dòng)1個(gè)位置就相當(dāng)于向右平移N?1個(gè)位置，最后取(0,N?1)中的N個(gè)值就得到循環(huán)移位后的N個(gè)序列值[13?15]。已知

將)(ny進(jìn)行周期擴(kuò)展得

則

計(jì)算得到1個(gè)N點(diǎn)長(zhǎng)的行向量，即 rxy( m)(其中，m=0,1,…,(N?1))。

由相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)，循環(huán)相關(guān)的最大值反映的是2個(gè)信號(hào)的時(shí)間差，即當(dāng)其中1個(gè)信號(hào)以這個(gè)時(shí)間差移動(dòng)，2個(gè)信號(hào)的相關(guān)程度最大，相似度最高。假設(shè)

令gn= y-n，則gn的傅里葉變換為

此外，

根據(jù)卷積定理得

由式(7)可知，線陣CCD采集的圖像數(shù)據(jù)循環(huán)相關(guān)運(yùn)算等價(jià)于將2行圖像進(jìn)行傅里葉變換(FFT)，其中一行圖像乘以另一行圖像的共軛后，再進(jìn)行逆傅里葉變換(IFFT)。由于采用循環(huán)相關(guān)，因此，進(jìn)行傅里葉變換時(shí)不需要擴(kuò)張周期[16?20]，計(jì)算流程如圖3所示。

圖3 線陣CCD 2行圖像循環(huán)相關(guān)計(jì)算流程Fig.3 Calculating processwith cyclic correlation for two linear CCD images

為了驗(yàn)證循環(huán)相關(guān)的可行性，在測(cè)速設(shè)備開(kāi)發(fā)前期，對(duì)線陣CCD采集的2行數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)相關(guān)仿真分析。本次采樣為4 096像素的線陣CCD，數(shù)據(jù)位寬是8位，像元尺寸為5μm×5μm。在數(shù)據(jù)分析過(guò)程中，按要求輸出其中部分圖像，對(duì)同一方向相隔4mm采集的圖像進(jìn)行處理與計(jì)算，結(jié)果如圖4所示。

由計(jì)算分析結(jié)果可知，由于2個(gè)像素元緊密連接在一起，它們之間的中心距離即為像素元的長(zhǎng)度，為5μm，因此，2行數(shù)據(jù)相差4mm相當(dāng)于800個(gè)像素，也就是循環(huán)相關(guān)計(jì)算后，循環(huán)相關(guān)曲線應(yīng)該在像素800處的值最大。將圖4(a)和圖4(b)所示曲線進(jìn)行傅里葉變換后直接用其中1行數(shù)據(jù)乘以另一行數(shù)據(jù)的共軛，再進(jìn)行傅里葉逆變換直接得到的循環(huán)相關(guān)曲線見(jiàn)圖4(c)。從圖4(c)可以看出：在800像素位置出現(xiàn)了峰值點(diǎn)，但由于受低頻背景的影響，該點(diǎn)并不是循環(huán)相關(guān)最大值點(diǎn)。圖4(d)所示為經(jīng)過(guò)傅里葉變換后通過(guò)高通濾波消除背景影響后得到的曲線，可見(jiàn)最大值出現(xiàn)在800像素位置，證明了循環(huán)相關(guān)在雙線陣CCD相機(jī)紅外光源成像技術(shù)速度測(cè)試方案中的實(shí)用性。

圖4 循環(huán)相關(guān)算法仿真Fig.4 Simulation resultsof cyclic correlation

3 單像素點(diǎn)表征實(shí)際距離計(jì)算

對(duì)具有交錯(cuò)重疊部分的2組數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)相關(guān)，能夠精確地計(jì)算一組數(shù)據(jù)移動(dòng)一定像素后2組數(shù)據(jù)能達(dá)到的最大相似度。根據(jù)小孔投射定理，單像素點(diǎn)表征實(shí)際距離A1B1/x 或者A2B2/x可以轉(zhuǎn)換為相機(jī)焦距f與物點(diǎn)到焦點(diǎn)距離H的比值。然而，在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，列車(chē)運(yùn)行姿態(tài)時(shí)刻發(fā)生變化，H也不會(huì)固定不變，因此，利用初始f/H計(jì)算單像素點(diǎn)表征實(shí)際距離將會(huì)產(chǎn)生較大誤差，通過(guò)方案設(shè)計(jì)以及幾何關(guān)系推導(dǎo)出不受列車(chē)運(yùn)動(dòng)影響的單像素點(diǎn)表征實(shí)際距離是精確測(cè)速的關(guān)鍵。

單像素點(diǎn)表征實(shí)際距離計(jì)算原理如圖5所示。距離投影中心H的長(zhǎng)度為x的物體在2個(gè)線陣CCD中的成像長(zhǎng)度分別為A1B1與A2B2，可以得出A1B1=A2B2=Nμ(其中，N為重疊區(qū)域成像像素個(gè)數(shù)，μ為單個(gè)像素的長(zhǎng)度，N0為線陣CCD的總像素個(gè)數(shù))。

由投射原理得

式中：

可以得到

則每個(gè)像素代表的距離為

由循環(huán)相關(guān)原理可知，雙相機(jī)在同一時(shí)刻采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)相關(guān)后，所得到的結(jié)果P0滿足以下關(guān)系：

圖5 單像素點(diǎn)表征實(shí)際距離計(jì)算原理Fig.5 Principleof calculating on actual distance per pixel

綜上可知：

可見(jiàn)：任一時(shí)刻線陣相機(jī)單像素點(diǎn)表征的實(shí)際距離為2個(gè)線陣相機(jī)軸線間距與同一時(shí)刻2個(gè)相機(jī)采集的圖像循環(huán)相關(guān)所得像素的比值；2個(gè)相機(jī)軸心距D固定不變，排除了列車(chē)運(yùn)動(dòng)的影響，提高了測(cè)速精度。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及誤差分析

由經(jīng)驗(yàn)可知，2組圖像數(shù)據(jù)交錯(cuò)重疊部分長(zhǎng)度達(dá)到CCD有效長(zhǎng)度的1/3，相關(guān)性分析效果比較理想，本實(shí)驗(yàn)中相機(jī)的焦距f=50mm，2個(gè)相機(jī)的軸間距D=10mm，CCD的有效像素個(gè)數(shù)N0=5 000，像元尺寸為7μm×7μm。車(chē)體的運(yùn)行速度約為50 km/h即13.8 m/s。為保證相鄰時(shí)刻采集的圖像重疊部分在1/3以上，采樣周期內(nèi)相機(jī)移動(dòng)的距離不能超過(guò)23mm，則采樣頻率不能低于600Hz，由于本文測(cè)試的最高速度為50 km/h，故采集頻率設(shè)置為600Hz。為保障2個(gè)線陣相機(jī)有共同成像區(qū)域不小于CCD有效長(zhǎng)度的1/3，需滿足

即要求安裝高度滿足H≥215mm。

測(cè)得地面到相機(jī)光心的初始距離H=400mm。通過(guò)推動(dòng)測(cè)試列車(chē)達(dá)到不同的初始速度，并讓其在自身滾動(dòng)摩擦阻力作用下逐漸靜止，取初始速度v0為12m/s和10m/s共2次試驗(yàn)在1 s內(nèi)測(cè)得速度如圖6所示。

從圖6可以看出：曲線斜率不變，在沒(méi)有外力影響下，列車(chē)作勻減速運(yùn)動(dòng)，符合列車(chē)勻減速規(guī)律，說(shuō)明了測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性；每條曲線波動(dòng)較小，保證了速度測(cè)試的穩(wěn)定性。然而1 s內(nèi)有600個(gè)速度，很難觀察相鄰時(shí)刻速度的變化情況。圖7所示為2種初速度0.3 s時(shí)間段內(nèi)速度的變化情況，可以看出速度均勻減小伴隨的波動(dòng)情況。

根據(jù)誤差理論[21]，本次試驗(yàn)中，由式(13)可以得出單像素點(diǎn)表征實(shí)際距離的隨機(jī)誤差為

式中：D=100mm；ΔD= 0.0001m；P0=1785；ΔP0=0.1。

圖6 不同初速度情況下的測(cè)速結(jié)果Fig.6 Speed-testing resultsw ith intial velocity differently

圖7 不同初速度0.3 s內(nèi)的速度變化Fig.7 Speed change in 0.3 sw ith different intialvelocities

可以得出隨機(jī)誤差為0KΔ=0.003μm/像素。

速度的計(jì)算公式為

速度的隨機(jī)誤差為

從式(15)和(17)可以看出：隨著列車(chē)速度增加，周期內(nèi)前后2行圖像移動(dòng)的像素?cái)?shù)增加，單像素點(diǎn)表征的實(shí)際距離誤差以及速度誤差將增大；取速度的最大值v=13.8m/s時(shí)，移動(dòng)像素?cái)?shù)P=3 286，t=1.67ms，Δt=1 ps ，K0=56μm/像素，計(jì)算得出速度的隨機(jī)誤差為=Δv 0.007 m/s，速度的相對(duì)誤差為0.05%。實(shí)車(chē)在線實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)列車(chē)速度為200 km/h即v=55.56m/s時(shí)，必須提高相機(jī)的采集頻率。由于相機(jī)的間距不變以及目前CCD采集技術(shù)較成熟，按照試驗(yàn)臺(tái)H=400mm高度計(jì)算，單像素點(diǎn)表征實(shí)際距離的隨機(jī)誤差不變。為了控制前后兩幀圖像移動(dòng)距離不超過(guò)CCD感光長(zhǎng)度的1/3，則CCD的采集周期t≤23/55.56=0.41ms，取t=0.400ms，采樣頻率為2.5 kHz， P=3 175，則tΔ=1 ps，K0=56μm/像素，計(jì)算得出速度的隨機(jī)誤差為=Δv 0.027m/s，而在實(shí)際安裝過(guò)程中，安裝高度H＞400mm，單像素點(diǎn)表征的實(shí)際距離精度更高，速度誤差也會(huì)有一定減小，可見(jiàn)本文的速度測(cè)試具有很高的參考價(jià)值，為今后實(shí)時(shí)在線高速限界檢測(cè)提供了重要依據(jù)。

5 結(jié)論

1)通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使測(cè)速過(guò)程中單像素點(diǎn)表征實(shí)際距離的關(guān)鍵因素不隨列車(chē)振動(dòng)以及環(huán)境影響而產(chǎn)生誤差，能夠有效地保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2)設(shè)計(jì)出一套能夠安裝在列車(chē)上的測(cè)速系統(tǒng)，系統(tǒng)克服了GPS、雷達(dá)、圖像直接相關(guān)等測(cè)速方法在測(cè)速過(guò)程中的局限，并且能夠很好地與限界檢測(cè)關(guān)鍵測(cè)距技術(shù)相銜接。

3)當(dāng)速度為50 km/h時(shí)，測(cè)速系統(tǒng)得理論隨機(jī)誤差為0.007m/s，相對(duì)誤差為0.05%，能夠滿足限界檢測(cè)里程以及距離測(cè)試的要求；在高速情況下，系統(tǒng)主要對(duì)相機(jī)采集頻率的要求相應(yīng)提高，以200 km/h的速度為例，采樣頻率也僅僅需要2.5 kHz，目前的技術(shù)較易實(shí)現(xiàn)；并計(jì)算出速度誤差為0.027m/s，為以后高速情況下測(cè)速提供了可行性依據(jù)。

[1]劉江,蔡伯根,王劍.基于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的列車(chē)定位技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,45(11): 4033?4035.

LIU Jiang,CAIBogen,WANG Jian.Status and development of satellite navigation system based train positioning technology[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2014,45(11):4033?4035.

[2]孫慧萍,劉高輝.循環(huán)相關(guān)在GPS信號(hào)捕獲中的應(yīng)用[J].山西大同大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,27(6):24?26.

SUNHuiping,LIU Gaohui.Circulation related in the application of GPS signal capture[J].Journal of Shanxi Datong University (NaturalScience),2011,27(6):24?27.

[3]周立鋒,曹淑艷,姜大治,等.GPS高精度測(cè)速方法探討[J].電光與控制,2009,16(2):84?86.

Zhou Lifeng,CAO Shuyan,JIANG Dazhi,et al.Study on methods for high-Accuracy velocity measurement using GPS[J]. Electronics Opticsand Control,2009,16(2):84?86.

[4]YEN JB.Fundamentals ofglobal positioning system receivers:a software approach[M].Washington:Wiley,2004:1?5.

[5]ALAQEEI A.Global position system signal acquisition and tracking using field programmable gate arrays[D].Ohio:Ohio University,2002:3?8.

[6]FILIPA,BAZANT L,MOCEK H,et al.Dynam ic properties of GNSS/INS based train position locator for signaling applications[C]//Proceeding of 8th International Conference on Computer System Design and Operation in the Railway and Other Transit Systems.Southampton:WIT Press,2002: 1021?1030.

[7]FILIP A,MOCEK H,BAZANT L.GPS/GNSS based train positioning for safety critical applications[J].Signal Draft,2001, 93(5):51?55.

[8]張玉欣,劉宇,葛文奇.基于CMOS圖像傳感器的實(shí)時(shí)二維相關(guān)測(cè)速法[J].液晶與顯示,2010,25(6):897?899.

ZHANG Yuxin,LIU Yu,GEWenqi.real-time two-dimensional correlation speedmeasurementbased on CMOS image sensor[J]. Liquid Crystalsand Displays,2010,25(6):897?899.

[9]謝維達(dá),邵德榮,王春輝.基于面陣圖像傳感器的二維相關(guān)測(cè)速研究[J].光電子技術(shù),2003,23(4):224?227.

XIE Weida,SHAO Derong,WANG Chunhui.The study of two-dimensional correlation speed measurement based on array image sensor[J].Optoelectronic Technology,2003,23(4): 224?227.

[10]邵偉.基于線陣CCD的圖像測(cè)速系統(tǒng)研究[D].天津:天津城市建設(shè)學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院,2012:3?15.

SHAOWei.Image velocity-measurement system research based on the linear CCD[D].Tianjin:Tianjin Institute of Urban Construction.School of Computers and Information Engineering, 2012:3?15.

[11]張祺.基于線陣CCD的圖像采集技術(shù)研究[D].南京:南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院,2009:1?5.

ZHANG Qi.Date acquisition technology research based on the linear CCD[D].Nanjing:Nanjing University of Science and Technology.Schoolof Electronics Engineering and Photoelectric Technology,2009:1?5.

[12]羅紅娥,陳平,顧金良等.線陣CCD測(cè)量系統(tǒng)的鏡頭畸變矯正新方法[J].半導(dǎo)體光電,2009,30(3):441?444.

LUO Honge,CHEN Ping,GU Jinliang,et al.A new method of lens distortion calibration of linear CCD measurement system[J]. SemiconductorOptoelectronics,2009,30(3):441?444.

[13]李大衛(wèi),尹成,馬洪艷.時(shí)間延遲估計(jì)的循環(huán)相關(guān)法[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,20(2):65?67.

LI Dawei,YIN Cheng,MA Hongyan.Circular correlation method of time delay estimation[J].Journal of Xi’an Shiyou University(Natural Science Edition),2005,20(2):65?67.

[14]熊林林,王華力.基于循環(huán)相關(guān)的時(shí)延估計(jì)方法研究[J].電子質(zhì)量,2011(12):1?2.

XIONG Linlin,WANG Huali.Time Delay Estimation in LF Communication Based on Cyclic Correlation[J].Electronics Quality,2011(12):1?2.

[15]GARDNER W A.The spectral correlation theory of cyclostationary time-series[J].IEEE Trans on Signal Processing, 1986(11):13?26.

[16]胡廣書(shū).數(shù)字信號(hào)處理[M].北京：清華出版社,2011:32?38.

HU Guangshu.Digital image processing[M].Beijing:Tsinghua University Press,2011:32?38.

[17]孫燮華.數(shù)字圖像處理——原理及算法[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012:68?71.

SUN Xiehua.Digital image processing:principle and algorithms[M].Beijing:China M achine Press,2012:68?71.

[18]BOGGESS A,NARCOW ICH F J.小波與傅里葉分析基礎(chǔ)[M].2版.芮國(guó)勝,等譯.北京:電子工業(yè)出版社,2011: 85?98

BOGGESS A,NARCOW ICH F J.A first course in wavelets w ith Fourier analysis[M].2nd ed.RUIGuosheng,et al,trans. Beijing:Electronic Industry Press,2011:85?98.

[19]李云飛,李敏杰,司國(guó)良,等.TDI-CCD圖像傳感器的噪聲分析與處理[J].光學(xué)精密工程,2007,15(8):1196?1202.

LIYunfei,LIM injie,SIGuoliang,et al.Noise analyzing and processing of TDI-CCD image sensor[J].Optics and Precision Engineering,2007,15(8):1196?1202.

[20]焦彥平,李唱.線陣CCD衛(wèi)星圖像自適應(yīng)條帶噪聲去除[J].裝備學(xué)院學(xué)報(bào),2013,24(3):106?108.

JIAO Yanping,LI Chang.Linear-array CCD satellite image adaptive strip noise removal[J].Journal of Academy of Equipment,2013,24(3):106?108.

[21]王和順,陳次昌,黃惟公.CCD測(cè)量誤差的研究[J].光學(xué)技術(shù), 2009,35(3):402?406.

WANG Heshun,CHEN Cichang,HUANG Weigong.Research on the error of CCD[J].Optical Technique,2009,35(3): 402?406.

(編輯 陳燦華)

M ethod for speed-testing in vehiclesbased on cyclic correlation of im ages

LIPeng,LIANG Xifeng,ZHOUWei,LU Zhaijun

(Key Laboratory of Traffic Safety on Track of M inistry of Education,Schoolof Traffic&Transportation Engineering, Central South University,Changsha 410075,China)

In view of the speed test request in the railw ay structure gauge detection,a speed measurementmodel using cyclic correlation algorithm was proposed based on double-high frequency linear CCD infrared imaging technology.The data collected by the linear array CCD were simulated and analyzed using cyclic correlation.To obtain the actual length of per pixel(K0),images collected by the two cameras were calculated at the samemoment using cyclic correlation algorithm and then resultswere divided by the axis distance of the two cameras.For themoving pixel(P)numbers in the sam ple period,the cyclic correlation results of linear images obtained from one camera at the joint timew ere used.Based on the above results,the train speed could be calculated.According to the principle,a set of speed measurement equipmentwasdesigned and applied in the experimental train.The results show thathigh accuracy can beobtained when the background effect is removed.The actualmeasured speed of the experimental train agrees w ith the train natural deceleration law.The theoretical velocity error reaches 0.007 m/s,which meets the requirement of railway gauge detection.

linear CCD;infrared imaging technology;cyclic correlation

U271.91

A

1672?7207(2017)03?0844?07

10.11817/j.issn.1672-7207.2017.03.036

2016?05?10；

2016?08?22

高速鐵路基礎(chǔ)研究聯(lián)合基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(U1134205)；中南大學(xué)教師研究基金資助項(xiàng)目(2013JSJJ013)(Project (U1134205)supported by Joint Fund of High-speed Railway Fundamental Research;Project(2013JSJJ013)supported by Teachers Research Fund of Central South University)

梁習(xí)鋒，教授，從事軌道交通安全研究；E-mail:gszxlxf@163.com