基于PMP的鋼軌表面缺陷三維在線測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、鋼軌是軌道交通運(yùn)輸基本要素，支撐和引導(dǎo)列車的運(yùn)行。近年來，為了適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需求，鐵路向著高速、重載、高密度運(yùn)行的方向發(fā)展，使得鋼軌磨耗及表面缺陷加劇。車輛在帶有表面缺陷的軌道上運(yùn)行時(shí)，不僅乘客舒適度受到影響，更帶來了極大的安全隱患。在鋼軌磨耗及表面缺陷的測(cè)量方法上，尚未見對(duì)鋼軌形貌及缺陷進(jìn)行三維重現(xiàn)的報(bào)道，并且各傳統(tǒng)方法的測(cè)量精度普遍偏低。本文將相位測(cè)量輪廓術(shù)(Phase Measurement Profilometry,PMP)應(yīng)用

2、于鋼軌檢測(cè)中，研究其各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，使得測(cè)量精度大為提高，并能重建鋼軌外形及表面缺陷的三維形貌。本文主要工作如下:
　　1、在役鋼軌因輪軌作用而軌頭表面光滑，呈現(xiàn)強(qiáng)反射金屬表面，致使變形條紋的部分區(qū)域高亮而使CCD出現(xiàn)過飽和狀態(tài)，無法識(shí)別完整的變形條紋。針對(duì)這種情況，本文從強(qiáng)反射金屬表面的光學(xué)反射特性與相變特性出發(fā)，分析金屬表面漫射程度對(duì)相位恢復(fù)的影響機(jī)理，并對(duì)波長(zhǎng)、入射角、材質(zhì)、反射面粗糙程度等參數(shù)對(duì)反射光及相位變化的影響進(jìn)行仿真

3、分析，為本文的開展提供理論指導(dǎo)。
　　2、對(duì)發(fā)散照明斜投影下光柵條紋的畸變機(jī)理進(jìn)行推導(dǎo)和分析，給出改進(jìn)方法，并對(duì)校正方法予以模擬與誤差分析。同時(shí)，在單應(yīng)矩陣法的基礎(chǔ)上，提出一種既能進(jìn)行條紋非周期性校正，又能進(jìn)行光強(qiáng)不均勻校正的條紋質(zhì)量改善方法。該方法在數(shù)學(xué)模型上引入光程因子，在條紋生成上采用反向投影法，使得投影后的條紋周期性和光強(qiáng)都均勻一致，改善了條紋質(zhì)量，保證了PMP測(cè)量的精度。
　　3、傳統(tǒng)Stoilov算法中存在的四類

4、奇異點(diǎn)，會(huì)使得相位求解和展開時(shí)出現(xiàn)無意義的點(diǎn)或者超大誤差的點(diǎn)，繼而造成三維重構(gòu)的失真甚至出現(xiàn)無法重構(gòu)的現(xiàn)象。針對(duì)這種問題，本文基于真實(shí)相移值出現(xiàn)概率最高的實(shí)際情況，對(duì)相移的余弦值平方矩陣進(jìn)行處理，逐個(gè)排除奇異點(diǎn)，利用概率統(tǒng)計(jì)，得到與實(shí)際相移值最接近的數(shù)值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠有效的去除傳統(tǒng)Stoilov算法中的奇異點(diǎn)現(xiàn)象，提高PMP三維重構(gòu)的準(zhǔn)確度。
　　4、針對(duì)在線PMP中的另一關(guān)鍵技術(shù)——像素匹配，結(jié)合鋼軌的在線PMP測(cè)量

5、實(shí)際，將條紋外的鋼軌部分分割出來用于像素匹配，在基于SIFT的像素匹配算法基礎(chǔ)上，在該部分鋼軌表面進(jìn)行特征點(diǎn)搜尋和匹配，再結(jié)合圖像灰度的方法，進(jìn)一步去除剩余的錯(cuò)誤匹配點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)精細(xì)匹配，將匹配精度達(dá)到亞像素級(jí)。
　　5、對(duì)車載式在線PMP測(cè)量中的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)展開研究。首先，由于實(shí)際參考平面不可操作，本文從采集到的變形條紋圖像中分割出未變形的正弦條紋區(qū)域，并以此區(qū)域?yàn)榛A(chǔ)，采用插值算法將該區(qū)域展成虛擬的平面作為參考平面，實(shí)現(xiàn)在線PMP

6、測(cè)量。其次，對(duì)于車載式檢測(cè)平臺(tái)由于隨車運(yùn)行抖動(dòng)、車輛運(yùn)行速度與拍攝幀率不匹配等原因，使得采集到的變形光柵條紋模糊，對(duì)比采用多種算法對(duì)模糊條紋圖像進(jìn)行處理，提高變形條紋圖像清晰度。再次，由于軌道為長(zhǎng)距離檢測(cè)對(duì)象，而PMP檢測(cè)范圍有限，本文對(duì)鋼軌三維數(shù)據(jù)的拼接及融合方法進(jìn)行研究，以期達(dá)到全線鋼軌的測(cè)量結(jié)果呈現(xiàn)。
　　6、在實(shí)驗(yàn)室搭建在線PMP測(cè)量平臺(tái)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了三維標(biāo)定，在對(duì)標(biāo)準(zhǔn)鋼軌仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)鋼軌表面實(shí)際缺陷進(jìn)行了測(cè)量，給