王寧，趙鑫欣，郝晉斐，王凡

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，北京 100081）

鋼軌是鐵路基礎(chǔ)設(shè)施最重要的部件之一，是重點(diǎn)維護(hù)的對(duì)象。隨著我國(guó)鐵路六次提速和高速鐵路大規(guī)模建設(shè)，鋼軌輪廓檢測(cè)已成為鐵路工務(wù)部門(mén)最為關(guān)心的問(wèn)題之一。

目前鐵路部門(mén)專用軌道檢測(cè)車采用激光三維攝像技術(shù)實(shí)現(xiàn)鋼軌廓形的快速普查。由于打磨后鋼軌表面在行車過(guò)程中形成許多不規(guī)則的反射鏡面，導(dǎo)致激光成像對(duì)光照十分敏感，形成的光條中不可避免地出現(xiàn)許多由鏡面反射導(dǎo)致的光斑或暗斑，最終將嚴(yán)重影響系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果，如圖1所示。

本文針對(duì)鋼軌表面反光對(duì)廓形磨耗檢測(cè)系統(tǒng)的影響，探索運(yùn)用長(zhǎng)短分時(shí)曝光技術(shù)提升激光成像性能的抗光照干擾特性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖2所示，分時(shí)曝光高動(dòng)態(tài)激光攝像組件主要由1臺(tái)相機(jī)、1臺(tái)激光器、1塊圖像采集處理板組成，通過(guò)雙曝光和激光三角原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)打磨反光情況下的鋼軌廓形圖像采集。該組件基于雙曝光機(jī)制，在一次拍攝中，相機(jī)的奇偶行同時(shí)曝光，奇數(shù)行曝光時(shí)間長(zhǎng)，偶數(shù)行曝光時(shí)間短，從而可同時(shí)獲取軌腰和軌頂?shù)那逦鷪D像，避免鋼軌反光干擾。

分時(shí)曝光激光攝像組件通過(guò)雙曝光和激光三角原理，實(shí)現(xiàn)在打磨反光情況下的鋼軌廓形圖像采集。通過(guò)雙曝光機(jī)制，在一次拍攝中，相機(jī)成像單元的奇偶行同時(shí)曝光，奇數(shù)行曝光時(shí)間長(zhǎng)生成長(zhǎng)時(shí)曝光圖像，偶數(shù)行曝光時(shí)間短生成短時(shí)曝光圖像，在經(jīng)過(guò)對(duì)長(zhǎng)短時(shí)曝光圖像進(jìn)行加權(quán)數(shù)據(jù)融合，從而可同時(shí)獲取鋼軌各部位的清晰圖像，避免鋼軌反光干擾。

本文采用空間域融合的方法，提出基于光條信度評(píng)價(jià)的偏振分量圖像融合方法。以2幅長(zhǎng)短時(shí)曝光分量圖像為融合源圖像，由光條質(zhì)量評(píng)價(jià)確定每幅源圖像的融合權(quán)重，根據(jù)融合權(quán)重進(jìn)行圖像融合。為了確定2幅圖像的融合權(quán)重，引入光條信度評(píng)價(jià)機(jī)制，光條信度反映了光條的質(zhì)量，用于評(píng)價(jià)光條中心位置的可靠性。光條信度評(píng)價(jià)一般選取光條的寬度特征、灰度特征和光條平均殘差平方和等特征量評(píng)價(jià)光條中心位置的可信度。

正常工況下，鋼軌廓形圖像中的光條寬度處于一定的范圍，而在過(guò)曝區(qū)域，由于曝光過(guò)量，光條寬度急劇增大，在欠曝區(qū)域，對(duì)比度降低，光條寬度又明顯減小，甚至為0，因此可以根據(jù)鋼軌廓形圖像中的光條寬度評(píng)價(jià)光條的可信度。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

按照如下步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)論證：

（1）根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)圖連接系統(tǒng)，并加電運(yùn)行，觀察是否加電正常，圖像能夠正常采集顯示。

（2）搭建打磨后鋼軌模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，在鋼軌上粘貼錫箔紙，以模擬打磨后鋼軌鏡面反射的情況；將鋼軌與采集組件根據(jù)軌廓設(shè)計(jì)尺寸及位置姿態(tài)防止固定好。

（3）對(duì)打磨鋼軌進(jìn)行圖像采集，分別設(shè)置奇偶行曝光時(shí)間獲取不同圖像，依次對(duì)分時(shí)曝光高動(dòng)態(tài)激光攝像組件進(jìn)行各項(xiàng)接口的驗(yàn)證。

（4）分析判斷系統(tǒng)采集到的打磨后鋼軌圖像，在奇偶行不同曝光的設(shè)置下，是否能夠?qū)崿F(xiàn)鏡面區(qū)域的完整采集，對(duì)圖像效果進(jìn)行綜合評(píng)估。

2.2 實(shí)驗(yàn)分析

（1）通過(guò)圖像采集軟件采集打磨后鋼軌圖像。首先設(shè)置奇數(shù)行和偶數(shù)行曝光時(shí)間一樣為800us。采集的軌廓圖像如圖3。

此時(shí)雖然能采集到完整的廓形，但是對(duì)于軌距角處反光較強(qiáng)烈，光條較為集中，難以精確獲取提取后廓形。由于軌距角處是輪軌關(guān)系分析中最為重要部分之一，因此該圖像對(duì)于后續(xù)研究干擾較大。

（2）設(shè)置減小相機(jī)曝光時(shí)間，使上述反光強(qiáng)的廓形部分曝光正常，此時(shí)相機(jī)奇數(shù)行和偶數(shù)行曝光時(shí)間一樣為100us。采集的廓形圖像如圖4所示。

將圖像放大觀察局部，觀察之前存在反光干擾的部分，發(fā)現(xiàn)此時(shí)廓形清晰無(wú)反光干擾。細(xì)節(jié)圖如圖5和圖6所示。

偶數(shù)行在軌距角處光條清晰均勻，奇數(shù)行在其他位置的光條清晰均勻。通過(guò)對(duì)兩種圖像進(jìn)行融合計(jì)算，可以獲取完好的激光光條圖像，如圖7所示。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)激光成像中陽(yáng)光干擾的問(wèn)題設(shè)計(jì)了一種分時(shí)曝光成像系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)鋼軌激光圖像數(shù)據(jù)融合的結(jié)果分析可以看出，采用這種分時(shí)曝光的方式，相機(jī)的奇數(shù)行和偶數(shù)行相結(jié)合，可同時(shí)獲取完整有效的鋼軌廓形圖像，有效避免鋼軌表面反光對(duì)成像的干擾。