丁小昆，胡曉東，魏青，王維科

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基于光學(xué)測量的高速列車線路安全監(jiān)控技術(shù)

丁小昆，胡曉東，魏青，王維科

(中國航空工業(yè)集團(tuán)公司 西安飛行自動控制研究所，陜西 西安 710065)

針對高速列車運(yùn)行中，列車本身無有效的安全監(jiān)控裝置，為填補(bǔ)高速列車車載線路安全監(jiān)控的空白，根據(jù)高速列車運(yùn)行環(huán)境、制動距離及安全監(jiān)控需求，對可能的探測技術(shù)進(jìn)行性能比選，分析表明以制冷型中波紅外探測技術(shù)為核心的監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離的實時高分辨探測。在此基礎(chǔ)上完成系統(tǒng)總體參數(shù)設(shè)計，并完成一套長焦距、小尺寸、100%冷闌匹配的光學(xué)子系統(tǒng)設(shè)計。最后搭建整機(jī)系統(tǒng)，并進(jìn)行鐵路現(xiàn)場實驗測試。研究結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠在霧霾等不良?xì)庀髼l件下晝夜對列車前方4 km外的鐵軌以及障礙物等目標(biāo)進(jìn)行實時可靠探測，能為高速列車運(yùn)行提供一種新型主動安全監(jiān)控技術(shù)。

高速列車；安全監(jiān)控；中波紅外成像；光學(xué)設(shè)計；探測距離

行車安全是鐵路運(yùn)輸安全中的基礎(chǔ)問題[1?2]。國內(nèi)外現(xiàn)有列車駕駛模式主要依靠調(diào)度命令和人工瞭望相結(jié)合的方式來確認(rèn)安全行車環(huán)境[3?4]，對通信條件、瞭望條件、駕駛員身心狀態(tài)和機(jī)車狀態(tài) 提出很高的要求，并且在高速列車上運(yùn)用時作用受限。根據(jù)我國現(xiàn)行《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》，動車組列車制動初速度為200 km/h時，緊急制動距離限值為2 km；制動初速度為250 km/h時，緊急制動距離限值為3.2 km；制動初速度為300 km/h時，緊急制動距離限值為3.8 km。傳統(tǒng)的調(diào)度方式無法實時監(jiān)測道路狀況并傳達(dá)指令，并且還受制于指令傳遞信道是否通暢。而對于人工瞭望方式，在能見度極佳的晴好天氣，白天人眼瞭望的極限距離最多1 km，而夜間探照距離也只有0.3 km左右，如果遇到霧、霾、風(fēng)雪等不良?xì)庀笄闆r，人工瞭望距離將進(jìn)一步減小。因此，如果行車前方出現(xiàn)其它列車或突發(fā)泥石流、塌方、落石自然災(zāi)害等異常警情，列車司機(jī)受環(huán)境感知能力的限制，可能來不及采取措施而導(dǎo)致行車事故。也就是說，當(dāng)前高速列車并沒有在運(yùn)行狀態(tài)下能夠?qū)崟r監(jiān)測路況的探測技術(shù)。而隨著我國高速鐵路的推廣普及，高速列車的運(yùn)行安全成為了亟待解決的關(guān)鍵問題[5?6]。從20世紀(jì)中期開始，鐵路發(fā)達(dá)國家充分利用高新技術(shù)發(fā)展成果，積極開展災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)的研究與應(yīng)用。Uribe等[7]提出一種基于視頻監(jiān)控的鐵路防撞系統(tǒng)，利用分辨率640×480的可見光攝像機(jī)記錄線路情況并用圖像處理方法識別障礙物；Mockel等[8]設(shè)計了集可見光攝像機(jī)和光學(xué)雷達(dá)于一體的障礙物探測系統(tǒng)，并在低速列車上進(jìn)行了試驗，有效探測距離達(dá)500 m；Ruder等[9]開發(fā)了一種障礙物自動探測系統(tǒng)，使用12 mm焦距鏡頭探測50 m遠(yuǎn)處的障礙物，使用35 mm焦距鏡頭探測250 m遠(yuǎn)處的障礙物，采用立體視覺技術(shù)對障礙物進(jìn)行自動報警。但由于高速列車未能普及，國外安全監(jiān)控系統(tǒng)有效探測距離較短，僅能應(yīng)用于低速列車。在國內(nèi)，劉海波等[10]提出一種車載毫米波列車防撞雷達(dá)系統(tǒng)，最大探測距離3 km，目前只完成了200 m處的近距離試驗，遠(yuǎn)距離處的分辨率較低，在高速列車上的應(yīng)用受限；彭少武等[11]提出一種基于無線測距技術(shù)的地鐵列車防追尾系統(tǒng)，利用無線測距技術(shù)對運(yùn)行中的列車進(jìn)行雙邊雙程測距，但僅能用于最高運(yùn)行速度不超過100 km/h的列車，并且僅能對列車之間進(jìn)行探測，不能探測其他障礙物；關(guān)晟[12]提出一種布設(shè)在鐵路周界的防護(hù)網(wǎng)絡(luò)，集主動紅外光束報警、脈沖電子圍欄、振動電纜/光纜周界報警于一體，能夠?qū)M(jìn)入防護(hù)范圍的異物進(jìn)行報警，但是這種系統(tǒng)需要通過地面主控站進(jìn)行報警分析后，通過調(diào)度方式傳至運(yùn)行車輛，無法滿足實時監(jiān)測并及時響應(yīng)列車前方運(yùn)行線路異常警情的需求，并且沿鐵路線路大面積鋪設(shè)紅外裝置、電子圍欄、電纜/光纜成本很高。綜上，國內(nèi)目前絕大部分高速列車均未隨車裝備安全監(jiān)控系統(tǒng)，列車本身無有效的線路安全探測裝置，處于“盲開”狀態(tài)，亟需增加可靠的車載安全監(jiān)控系統(tǒng)。目前我國高速列車最高運(yùn)行速度約為300 km/h，緊急制動距離限值為3.8 km，因此需在列車行駛前方約4 km遠(yuǎn)處探測到軌道上的障礙物。本文從當(dāng)前先進(jìn)探測技術(shù)出發(fā)，通過對比分析、設(shè)計與實驗，為高速列車提供一種可靠的安全監(jiān)控技術(shù)方案。

1 技術(shù)方案比選

可用于安全監(jiān)控的探測方式如表1所示。其中，微波雷達(dá)和長波紅外方案探測距離可達(dá)幾十km，但是由于所使用載波的波長較長，使其分辨率差，一般情況下，僅能分辨2 m×2 m的目標(biāo)[13?14]?？梢姽獬上裉綔y距離僅1 km左右，并且在夜間幾乎沒有探測能力。短波紅外成像方案分辨率較高，可達(dá)1 cm×1 cm，但是探測距離僅2~3 km，夜間探測距離將進(jìn)一步下降，因此也無法滿足高速列車安全監(jiān)控的探測需求。激光雷達(dá)和中波紅外成像方案在探測距離和分辨率方面均具有一定能力，因此重點對激光雷達(dá)和中波紅外成像方案進(jìn)行論證分析。

1.1 激光雷達(dá)

激光雷達(dá)是一項正在迅速發(fā)展的高新技術(shù)，具有廣泛的用途。由于激光具有單色性好、方向性強(qiáng)、高亮度等特點，因此特別適合于遠(yuǎn)距離測距及遠(yuǎn)距離目標(biāo)跟蹤，大量應(yīng)用于軍事探測、大氣遙感和大氣測量、測繪和大地測量、港口交通管理等領(lǐng)域[15]。

激光雷達(dá)一般由下列部分組成：激光光源、發(fā)射與接收光路、探測放大電路、捕獲跟蹤機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動電路、信號處理單元和數(shù)據(jù)輸出單元等[16]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示[17]。

表1 探測方式性能對比

圖1 激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)框圖

激光雷達(dá)采用掃描發(fā)射激光并接收回波信號的方式獲取目標(biāo)的3D圖像，其橫向分辨率與激光發(fā)散角、目標(biāo)距離相關(guān)。由于體積的限制，用于列車安裝的激光器發(fā)散角最小約0.1 mrad，則4 km處光斑直徑最小400 mm。以列車寬度3.5 m為例，則影響列車安全的目標(biāo)約占9個掃描點。為了便于激光雷達(dá)系統(tǒng)的跟蹤，同時兼顧軌道周邊地貌地形變化監(jiān)測的需求，將激光雷達(dá)橫向掃描范圍擴(kuò)展到20 m，共50個掃描點，此時激光雷達(dá)的掃描視場為0.29°。當(dāng)設(shè)計激光器重復(fù)頻率為50 kHz，則一次掃描時間為1 ms，此時以300 km/h速度前進(jìn)的列車在一次掃描中前進(jìn)了0.083 m，即理論上，激光雷達(dá)能每隔0.083 m給出一次掃描告警信息，即距離分辨率為8.3 cm。

由此可見，激光雷達(dá)距離分辨率極高，但遠(yuǎn)距離處的橫向分辨率較低，僅400 mm，不能清晰分辨出鐵軌并呈現(xiàn)出高速列車運(yùn)行前方的路況信息。

1.2 中波紅外成像

中波紅外成像是依靠目標(biāo)自身的中波紅外熱輻射形成紅外圖像。自然界中，一切高于絕對零度的物體都在不停地輻射紅外線，因此利用特定的光學(xué)系統(tǒng)和探測器測定目標(biāo)本身和背景之間輻射的紅外線差異就可以得到紅外圖像[18]。紅外成像使人眼不能直接看到的目標(biāo)的表面溫度分布，變成人眼可以看到的代表目標(biāo)表面溫度分布的紅外熱圖像。紅外監(jiān)控儀的特點主要有：

1) 環(huán)境適應(yīng)性好，在夜間和不良?xì)庀髼l件下的工作能力優(yōu)于可見光和激光雷達(dá)；

2) 被動式工作，不易被干擾，能耗?。?/p>

3) 靠目標(biāo)和背景之間各部分的溫度和發(fā)射率形成的紅外輻射差進(jìn)行探測，因而能對遠(yuǎn)距離的熱輻射目標(biāo)進(jìn)行高靈敏度探測。

制冷型中波紅外熱成像儀由于具有全天候、高靈敏、高精度、高環(huán)境適應(yīng)性等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于監(jiān)控、偵查、跟蹤與精確打擊等領(lǐng)域，是現(xiàn)代軍、民用監(jiān)控設(shè)備中不可或缺的成像手段[19]。其工作原理框圖如圖2所示。

中波紅外熱像儀所能探測的距離可以用式(1)來近似確定[20]：

式中：為目標(biāo)探測距離；Δ為目標(biāo)和背景的溫差；為大氣在距離上的透過率；為目標(biāo)在觀察方向正交截面內(nèi)的投影面積；和為成像系統(tǒng)分別在水平、垂直方向上的瞬時視場角；sn為要求的最低信噪比；NETD為探測器的噪聲等效溫差。

圖2 制冷型紅外熱像儀原理框圖

Fig. 2 Schematic diagram of cooled mid-wave infrared imaging

設(shè)計中選擇探測器像元大小15 μm×15 μm，光學(xué)系統(tǒng)焦距0.46 m，則可以求出瞬時視場角為：

目標(biāo)溫差≤0.5 ℃，目標(biāo)分辨率≤0.15 m×0.15 m，要求最低信噪比為2.8；選擇探測器像素數(shù)640×512，帶鏡頭整機(jī)噪聲等效溫差25 mK。將這些參數(shù)代入式(1)，則可以得到探測距離與大氣透過率的關(guān)系如圖3所示。

圖3 探測距離與大氣透過率的關(guān)系

Fig. 3 Relationship between target detection distance and atmospheric transmittance

由圖3可見，具有0.15 m×0.15 m分辨率的目標(biāo)很容易在大于4 km外的距離觀測到。此時光學(xué)系統(tǒng)角視場為1.20°×0.96°，4 km處的線視場為84 m×67 m。因此，以中波紅外探測技術(shù)為核心的監(jiān)控系統(tǒng)既能實現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測，又具有良好的分辨率，能夠在大于4 km的距離外探測到小于0.15 m×0.15 m的目標(biāo)。利用中波紅外探測技術(shù)，可以獲取列車前方4 km外的實時圖像，再通過圖像識別與跟蹤技術(shù)提取鐵軌及可疑障礙物后，即可實現(xiàn)高速列車運(yùn)行中的實時安全監(jiān)控。

2 探測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體方案

探測系統(tǒng)的總體設(shè)計方案為：由紅外探測單元實時監(jiān)控約4 km處一定范圍內(nèi)的鐵軌，由圖像處理單元提取鐵軌特征并完成鐵軌的跟蹤，由此來實現(xiàn)直道與彎道的連續(xù)監(jiān)測；一旦鐵軌安全范圍內(nèi)出現(xiàn)異常警情，則由圖像處理單元識別目標(biāo)并報警，根據(jù)報警級采取警示、提示減速、緊急制動等措施。

由于對探測距離、探測圖像清晰度要求較高，中波紅外探測系統(tǒng)采用制冷型總體方案，分為探測器和紅外成像鏡頭兩部分。本方案設(shè)計中，紅外探測器選用美國FLIR公司的制冷型中波紅外探測器MiniCore HRC，其技術(shù)特點有：

1) 整機(jī)噪聲等效溫差(NETD)<18 mK；

2) 專利的圖像細(xì)節(jié)增強(qiáng)技術(shù)(DDE)；

3) 具備模擬(PAL)及數(shù)字輸出模式，其數(shù)字輸出最高幀頻可達(dá)115 Hz。

2.2 光學(xué)設(shè)計

本系統(tǒng)對光學(xué)成像鏡頭的要求見表2。其中，中波紅外探測器要求波長范圍3.7~4.8 μm；視場和焦距由上文計算得出；根據(jù)列車安裝位置的要求，系統(tǒng)孔徑要求小于130 mm，總長度要求小于150 mm；根據(jù)15 μm像元尺寸大小，要求MTF(調(diào)制傳遞函數(shù))在33 lp/mm處應(yīng)大于攝影系統(tǒng)的下限值0.1；由于本系統(tǒng)非用于測量，因此對畸變要求不高，但也應(yīng)低于5%。本光學(xué)成像鏡頭的難點主要在于：要求長焦距的同時還限制了很短的系統(tǒng)總長；采用高分辨率紅外探測器，從而要求光學(xué)成像鏡頭的分辨率較高；由于制冷型探測器的使用，系統(tǒng)還需考慮冷闌匹配問題。

表2 光學(xué)成像鏡頭需求

首先根據(jù)系統(tǒng)長度要求來選擇光學(xué)系統(tǒng)基本構(gòu)型。本系統(tǒng)總長度150 mm遠(yuǎn)小于焦距460 mm，使透射型方案已無法滿足，而只能采用折疊光路的反射式結(jié)構(gòu)[21]。在反射式結(jié)構(gòu)中，卡塞格林系統(tǒng)和以卡塞格林為基礎(chǔ)的兩鏡式反射系統(tǒng)廣泛用于長焦距、小視場光學(xué)鏡頭中。為了最大程度地縮短光學(xué)系統(tǒng)總長度，選用卡塞格林系列中結(jié)構(gòu)緊湊的R-C式結(jié)構(gòu)作為鏡頭基本構(gòu)型。由于R-C結(jié)構(gòu)高質(zhì)量成像的視場僅幾角分上下，而本系統(tǒng)要求的視場大于1°，因此加入補(bǔ)償鏡組來校正光學(xué)系統(tǒng)軸外像差。此外，為了匹配制冷型探測器的冷闌，采用二次成像方法，使光學(xué)系統(tǒng)入瞳成像在冷闌位置并與冷闌大小相等，實現(xiàn)100%的冷闌匹配率。光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 中波紅外光學(xué)成像鏡頭

其中，補(bǔ)償鏡組的6個光學(xué)面均采用球面設(shè)計，大幅降低了光學(xué)系統(tǒng)的整體裝調(diào)難度。系統(tǒng)在加入了前保護(hù)玻璃后的總長度也小于150 mm，達(dá)到147.9 mm，在保證長焦的前提下大幅減小了總長度，在軸向尺度上實現(xiàn)了緊湊與小型化。系統(tǒng)孔徑光闌為主反射鏡，直徑125 mm，因此系統(tǒng)的最大外徑也為125 mm，滿足孔徑小于130 mm的要求，在徑向尺度上也實現(xiàn)了緊湊與小型化。光學(xué)系統(tǒng)點列圖如圖5所示，系統(tǒng)愛里斑半徑約22.1 μm，中心視場彌散斑幾何半徑約11.3 μm，邊緣視場彌散斑最大幾何半徑約27.8 μm，全視場的彌散斑均與愛里斑大小相當(dāng)，表明系統(tǒng)已達(dá)到近衍射極限狀態(tài)。光學(xué)系統(tǒng)MTF曲線如圖6所示，衍射極限在33 lp/mm處的值約0.3，1.2°的邊緣視場在33 lp/mm處的值約0.1，使光學(xué)系統(tǒng)分辨率與探測器分辨率相一致，滿足了系統(tǒng)分辨率需求。光學(xué)系統(tǒng)的場曲和畸變?nèi)鐖D7所示，全視場最大畸變出現(xiàn)在邊緣視場位置，約為4%，滿足系統(tǒng)5%的畸變要求。

圖5 光學(xué)系統(tǒng)點列圖

將光學(xué)成像鏡頭設(shè)計結(jié)果與需求對比如表3所示，所有項目均符合設(shè)計需求。

從以上分析可知，設(shè)計的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，成像質(zhì)量高，具有和探測器相一致的高分辨率，利用二次成像實現(xiàn)了100%的冷闌匹配，完全能夠滿足中波紅外成像監(jiān)控系統(tǒng)對光學(xué)鏡頭的需求。

圖6 光學(xué)系統(tǒng)MTF曲線

圖7 光學(xué)系統(tǒng)場曲和畸變曲線

表3 光學(xué)成像鏡頭設(shè)計結(jié)果與需求對比

3 現(xiàn)場實驗

對所論證的探測系統(tǒng)在一段在建高速鐵路現(xiàn)場進(jìn)行了測試實驗，實驗環(huán)境為中度霧霾天氣，能見度約2 km，對距離觀測點4.8 km處的鐵軌、涵洞、人員等目標(biāo)進(jìn)行探測，并分別進(jìn)行白天夜間的對比實驗。通過本實驗裝置探測到的4.8 km處白天、夜間圖像如圖8和圖9所示。圖8和圖9中，中央有2條鐵軌，并在遠(yuǎn)端進(jìn)入涵洞。白天探測圖像中鐵軌上及鐵軌兩側(cè)的施工人員和工程機(jī)械都與背景具有較好的反差；夜間探測圖像中鐵軌也能清晰分辨，此時施工人員與工程機(jī)械都已撤離，因此在鐵軌上及鐵軌附近呈現(xiàn)出無障礙物的狀態(tài)。

圖8 白天探測圖像

圖9 夜間探測圖像

通過現(xiàn)場晝夜測試實驗表明，所設(shè)計的探測系統(tǒng)能夠在霧霾天里晝夜清晰觀測4.8 km外的鐵軌、人員、隧道、以及鐵路上所擺放的各種障礙物等目標(biāo)。因而該探測系統(tǒng)能夠滿足300 km/h速度的高速列車實時安全監(jiān)控預(yù)警需求。

4 結(jié)論

1) 根據(jù)多種探測方案的技術(shù)性能比選與分析，特別是與激光雷達(dá)技術(shù)相比較，以制冷型中波紅外成像技術(shù)為核心的探測系統(tǒng)探測距離遠(yuǎn)、分辨率高、視場大，并且能夠穿透霧霾，是實現(xiàn)高速列車運(yùn)行狀態(tài)下實時安全監(jiān)控的最優(yōu)方案。

2) 設(shè)計了探測系統(tǒng)的整機(jī)與部件參數(shù)，設(shè)計了一種長焦、小尺寸、100%冷闌匹配的光學(xué)鏡頭。該光學(xué)鏡頭的分辨率、畸變等關(guān)鍵指標(biāo)均滿足系統(tǒng)探測需求。

3) 對系統(tǒng)進(jìn)行的鐵路現(xiàn)場測試實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠在霧霾天氣中晝夜清晰觀測距離4.8 km外的鐵軌、人員、隧道、以及鐵路上所擺放的各種障礙物等目標(biāo)，能夠為高速列車提供運(yùn)行中的安全監(jiān)控和足夠的緊急制動距離。

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(編輯 蔣學(xué)東)

Safety monitoring technology of high-speed train line based on optical measurement

DING Xiaokun, HU Xiaodong, WEI Qing, WANG Weike

(The Flight Automatic Control Research Institute of AVIC, Xi’an 710065, China)

The high-speed trains are currently not equipped with effective onboard safety monitoring device when operating. In order to fill the gaps in onboard safety monitoring of high-speed train line, this paper compared the performance of several detection technologies based on the operation condition, the braking distance, and the security monitoring requirement of high-speed train operation. The analysis results show that the monitoring system based on cooled mid-wave infrared detection technology can achieve real-time high-resolution remote detection. On this basis, the overall parameter design of this system was completed, and a set of optical sub-system long focal length, small size, and 100% cold shield efficiency were designed. Finally, the whole system was set up and tested in railway field. The experiment results show that the system can reliably detect the railway and obstacles 4 km ahead of the train day and night under adverse weather conditions such as fog and haze, which provides a new active security monitoring technology for high-speed train operation.

high-speed train; security monitoring; mid-infrared imaging; optical design; detection distance

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2018.09.006

U298.1

A

1672 ? 7029(2018)09 ? 2224 ? 08

2017?07?10

裝備預(yù)研中航工業(yè)聯(lián)合基金資助項目(6141B05060701)

胡曉東(1984?)，男，河北廊坊人，高級工程師，博士，從事安全監(jiān)控與光電探測方向的研究；E?mail：huxd01@163.com