王 琰

(1.中國鐵道科學研究院 基礎設施檢測研究所，北京 100081；2.中國鐵路總公司 鐵路基礎設施檢測中心，北京 100081)

隨著列車速度的提高、行車密度和運量的加大，對列車的安全性、舒適性提出了更高的要求，科學有效地檢測軌道質量狀態(tài)是鐵路安全運輸?shù)闹匾ＷC[1-5]。

GJ-6型軌道檢測系統(tǒng)[6-9]是當前動態(tài)檢測軌道科學的有效手段，其基于結構光視覺與圖像處理技術，采用激光攝像非接觸測量方法實時檢測軌距、高低等重要軌道幾何參數(shù)。然而系統(tǒng)中的激光器開啟后即進入點亮狀態(tài)，長時間對外發(fā)射近紅外線形激光，嚴重縮短了其工作壽命，也造成了能源的流失和浪費，同時還存在外射激光的安全隱患[10-11]，降低了軌道檢測系統(tǒng)的可靠性[12-13]和安全性。

先進微處理器(Advanced RISC Machines，ARM)是目前主流的嵌入式處理器體系架構，具有性能高、成本低和能耗省等特點，目前ARM 技術已經廣泛應用在儀器儀表、航空航天、軍事設備、制造工業(yè)、過程控制等行業(yè)。

本文基于ARM架構設計激光攝像同步觸發(fā)系統(tǒng)做等頻脈寬變換及同步協(xié)調控制，設計光耦隔離電路、反相整形電路、增益放大電路等硬件電路進行電信號有效識別，實現(xiàn)激光頻閃最亮發(fā)光狀態(tài)與高速相機等距離空間同步，從而采集鋼軌圖像。

1 設計方案

GJ-6型軌道檢測系統(tǒng)激光攝像組件基于近紅外激光器和高速相機，采用激光三角法實現(xiàn)對鋼軌的橫向和垂向幾何位移及其廓形的非接觸測量[14-17]。激光三角法測量鋼軌幾何形位的基本結構如圖1所示。激光器的軸線、物鏡的光軸以及高速相機三者位于同一個平面內，激光光源通過聚焦透鏡匯聚成1條光線投射在鋼軌表面，光線隨其投射點位置的深度坐標變化而沿著激光器的軸向作等距離位移。光線同時又通過物鏡成像在相機上，成像位置與光線的深度位置有唯一的對應關系，只要測出相機上所成實像的中心位置，即可通過幾何光學的計算方法求出光線此刻的深度坐標，從而得到鋼軌被測表面的幾何參數(shù)。

圖1 激光三角法測量鋼軌幾何形位的基本結構

激光攝像同步觸發(fā)方案如圖2所示。方案中，車輪旋轉1周速度編碼器產生5 000個脈沖信號，實時采集處理機根據(jù)輪徑作250 mm等間距空間采樣處理，激光攝像同步觸發(fā)系統(tǒng)作等頻脈寬變換及同步協(xié)調控制，實現(xiàn)激光頻閃最亮發(fā)光狀態(tài)與高速相機等距離空間同步從而采集鋼軌圖像。

圖2 激光攝像同步觸發(fā)方案

激光攝像同步觸發(fā)系統(tǒng)采用ARM-STM32F103RCT6作為主控芯片CPU內核[18]，主要包含高速光耦隔離電路、反相整形電路、等頻脈寬變換及同步協(xié)調控制、增益放大電路，其工作原理如圖3所示。由圖3可見：外部觸發(fā)信號進入同步觸發(fā)系統(tǒng)后，先通過高速光耦隔離電路，濾除信號中的噪聲，以適應高速采集需要；再經反相整形電路進入ARM以便內部CPU準確識別；信號經過等頻脈寬變換和增益放大電路，輸出TTL電平信號作為激光器觸發(fā)信號，以外部觸發(fā)信號為基準并兼顧激光器發(fā)光屬性，信號經過同步協(xié)調控制和增益放大電路，輸出TTL電平信號作為相機觸發(fā)信號，實現(xiàn)激光頻閃最亮發(fā)光狀態(tài)與相機同步觸發(fā)采集鋼軌圖像。其中，因觸發(fā)時序控制和電信號有效識別是設計方案的關鍵，因此基于ARM的邏輯控制和硬件電路設計是系統(tǒng)的關鍵技術。

圖3 激光攝像同步觸發(fā)系統(tǒng)工作原理

2 關鍵技術

2.1 ARM控制設計

GJ-6型軌道檢測系統(tǒng)的激光器固有屬性1是觸發(fā)頻率條件，即輸入信號頻率不高于1 kHz且低電平有效才可以觸發(fā)點亮激光器，固有屬性2是激光最強亮度條件，即輸入信號低電平持續(xù)80 μs激光才能達到最強亮度。設計方案必須滿足激光器的2個固有屬性才可以實現(xiàn)激光頻閃與相機同步觸發(fā)。激光攝像圖像處理最高速度500幀·s-1，即系統(tǒng)外部觸發(fā)信號最高頻率為0.5 kHz，滿足激光器固有屬性1的觸發(fā)頻率條件。外部觸發(fā)信號屬性決定其電平持續(xù)時間為2 μs，不能滿足激光器固有屬性2的激光最強亮度條件。ARM控制設計原理如圖4所示。由圖可見：設計等頻脈寬變換保持激光觸發(fā)信號與外部觸發(fā)信號頻率相等，變換其脈寬長度為80 μs可使激光達到最強亮度，兼顧激光器觸發(fā)頻率條件及發(fā)光穩(wěn)定性，等頻脈寬變換電平信號持續(xù)時間0.5 ms以控制激光器點亮頻閃及最亮發(fā)光狀態(tài)；以外部觸發(fā)信號時序為基準設計同步協(xié)調控制相機沿觸發(fā)信號，使相機在激光器頻閃最亮時(輸入信號低電平持續(xù)80 μs)觸發(fā)采集鋼軌圖像，實現(xiàn)激光器與相機最優(yōu)同步觸發(fā)。

圖4 ARM控制設計原理

ARM控制設計流程如圖5所示。由圖5可見：激光攝像同步觸發(fā)系統(tǒng)接收到外部觸發(fā)信號，一路信號作等頻脈寬變換，觸發(fā)激光點亮，定時器1計數(shù)達到發(fā)光時間，則激光頻閃結束；另一路信號作同步協(xié)調控制，定時器2計數(shù)達到發(fā)光延時，激光處于頻閃最強亮度狀態(tài)，觸發(fā)相機采集圖像，計數(shù)器3計數(shù)達到發(fā)光時間則相機控制信號結束。

圖5 ARM控制設計流程

2.2 系統(tǒng)硬件電路

1)光耦隔離電路

光耦隔離電路使被隔離的2部分電路之間沒有電的直接連接，防止靜電等對電路系統(tǒng)造成干擾。輸入信號是最高頻率為0.5 kHz的高頻信號，激光攝像同步觸發(fā)系統(tǒng)采用TLP117高速光耦隔離信號輸入。光耦隔離電路如圖6所示。

圖6 光耦隔離電路

2)反相整形電路

圖像最高處理速度為500幀·s-1，即外部輸入信號頻率0.5 kHz，信號輸入到觸發(fā)系統(tǒng)，經過光耦隔離電路信號會發(fā)生畸變，CPU很難對畸變信號進行正確識別，對畸變信號進行整形處理，以便CPU準確識別，應用的反相整形電路如圖7所示。

3)增益放大電路

激光器和相機觸發(fā)信號電平為5 V，ARM輸出的信號電平為3.3 V，帶載能力低，增益放大電路將ARM輸出的3.3 V電壓信號轉變成5 V，應用的增益放大電路如圖8所示。

圖7 反相整形電路

圖8 增益放大電路

3 試驗結果及分析

3.1 試驗室驗證

在試驗室搭建GJ-6型軌道檢測系統(tǒng)，采用本設計方案測量0.2 m長度的60 kg·m-1鋼軌，鋼軌采集圖像如圖9所示。靜態(tài)驗證激光攝像同步觸發(fā)后軌道檢測系統(tǒng)軌距幾何參數(shù)測量的分辨力及精度。采用參考軌給出測量標準值作為軌距變化量的輸入，使參考軌軌距值達到1 420～1 485 mm范圍內任意值，同時利用兩側參考軌對軌距進行調整，每次增加0.2 mm，測量檢測系統(tǒng)軌距輸出值，軌距輸出值與輸入標準值之差作為示值誤差。試驗結果表明，激光攝像同步觸發(fā)后軌距分辨力仍為0.2 mm，示值誤差不大于0.8 mm，滿足相關技術指標[19-20]。

圖9 激光攝像同步觸發(fā)采集鋼軌圖像

3.2 現(xiàn)場實測驗證

2017年7月，加載同步觸發(fā)系統(tǒng)的軌道檢查車在某線路進行動態(tài)重復性驗證，試驗過程中系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，選取同時涵蓋直、緩、圓3種線路線型，并以實際運行速度等級為120 km·h-1對檢測的線路區(qū)段進行動態(tài)比對驗證，并對測試結果進行統(tǒng)計分析。如圖10所示，軌道檢測系統(tǒng)250 mm等距離空間采樣，隨機選取1 km數(shù)據(jù)的400個采樣點作為分析點，統(tǒng)計同一分析點處重復性軌距示值誤差。經統(tǒng)計后軌距幾何參數(shù)測量示值誤差小于允許誤差的點數(shù)占總數(shù)的百分比均大于96%，滿足相關技術指標要求[19-20]。

圖10 軌距幾何參數(shù)統(tǒng)計結果

3.3 激光器能耗比對

2017年7月，以實際運行速度等級120 km·h-1進行檢測試驗，激光攝像實時圖像處理速度為132幀·s-1，即系統(tǒng)外部觸發(fā)信號頻率為0.132 kHz，本設計方案中的激光器外觸發(fā)同步頻閃工作模式與原有軌道檢測系統(tǒng)開啟后激光器即進入長時間點亮的單一工作模式相比，激光器的能耗降低了約94%。激光器外觸發(fā)同步頻閃工作模式能耗分析如圖11所示。由圖11可見：本設計方案下的激光攝像同步外觸發(fā)頻閃模式大大降低了激光器的能耗，延長了激光器的工作壽命，同時也避免了非工作時段外射激光的安全隱患。

圖11 激光器外觸發(fā)同步頻閃工作模式能耗

4 結 語

本方案設計考慮了激光光源自身的特性，以外部觸發(fā)信號時序為基準，基于ARM中斷設計等頻脈寬變換及同步協(xié)調控制，實現(xiàn)激光器頻閃最亮發(fā)光狀態(tài)與相機空間同步協(xié)調控制觸發(fā)采集鋼軌圖像。經試驗測試及驗證，激光器與高速相機空間同步觸發(fā)穩(wěn)定，測量數(shù)據(jù)準確，避免了非工作時段外射激光的安全隱患，節(jié)約能源的同時延長了激光器的工作壽命，大大提高了GJ-6型軌道檢測系統(tǒng)的可靠性和安全性。