一种利用线性CCD测量高速铁路路基沉降的新的方法外文翻译资料

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测 量

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一种利用线性CCD测量高速铁路路基沉降的新的方法

杨晶 冯启波

中国教育部所属北京交通大学光电测量和控制技术研究所，发光和光学信息重点实验室，邮编：北京100044

文章信息

文章历史：于2012年12月21日在网上发布

摘 要

随着中国高速铁路的发展，测量和控制路基沉降在近些年引起广泛关注。一种新的路基沉降方法被提出来了，而且研制出了响应的测量设备。这个设备主要包括一个点光源和一个点位测量仪，这个点位测量仪使用线性CCD来发现点光源图像的位置变化。任何点光源的位置变化都可以被测得，并且一个点的沉降可以被远程测得。多点沉降的获取可以使用一系列这样的仪器。有些方法比如自动校准范围和自动削弱背景已经被用来增强稳定性、适应性和测量系统的精度。这种设备已经被用在一些中国的高速铁路站点，其具有高精度、低成本和易于安装的优点。

关键字：路基沉降测量；自动校准范围；自动削弱背景；光斑中心自动提取；远距离测量

2012年，Elsevier有限公司保留所有权利。

1介绍

路基沉降测量在路基状态检测中扮演重要角色。路基变形过大和不规则沉降严重影响铁路运营安全。因此，如何准确地测量和控制路基沉降已成为人们共同关心的问题。目前，路基沉降测量方法主要有沉降监测桩[1]、沉降板[2]、测斜仪[3,4]、GPS（全球定位系统）技术[5]。然而，这些方法具有精度低、效率低等缺点。有些方法只能用于环境温度必须在零度以上的特殊场所。此外，很难使用这些方法进行自动远程测量，而这对于高速和繁忙的铁路站点来说是十分必要的。光学纤维传感器[6]用于检测深层土壤的应变或小沉降，但它们不适合测量浅层土壤的大沉降，因为光学纤维传感器的测量范围通常很有限。一种利用线阵CCD进行测量的方法被提出来，并建立了测量装置。该装置主要包括沉降检测桩上的点光源；利用线阵CCD检测沉降引起的点光源图像位置变化的点位置测量装置。利用无线技术将路基沉降信息传送到现场计算机，实现路基沉降的远程测量和监测。为了提高测量装置的稳定性、适应性和精度，提出并采用了像透镜近轴磁场自标定和自动背景差分等新方法和新算法。该装置已在我国部分铁路现场应用，具有精度高、成本低、安装方便

命名法则

PPMD 点位测量仪

AT091-B 带绝对干涉仪的901

基本绝对跟踪器

物体空间的沉降

影像空间的沉降

Do 空间距离

Di 影响距离

Io 两个LED之间的间隔（发光

二极管）在物体空间

Ii 图像空间中两个LED之间的间隔

物镜的近轴放大

n, m 正整数

So(i) 通过第i个点位测量仪

获得的沉降量

H(n) n个点位测量仪的所有误差

实用给定测量装置的目标距离

L1 用于测量的LED

L2 物镜的近轴放大所用的LED

Gmax 最大灰度

Gmin 最小灰度

Gth 动态阈值

Pl 灰度略高于像素的坐标左侧动态阈值

Pr 灰度略高于像素的坐标右侧动态阈值

Pmid 光斑中心的像素坐标

i 线阵CCD第i像素

的坐标（电荷耦合器件）

G(i) 线阵CCD第i像素的灰度

W 用于计算光斑中心的像素数 沉降前L2点中心的像素坐标

沉降后L1点中心的像素坐标

2 测量方法

2.1 单点路基沉降测量

沉降测量方法如图1所示。当道床沉降为So时，点光源向下移动，其位置由L1变为L1t，点光源在线阵CCD上的像点将也会有与物体空间的沉降成比例的影像空间的沉降位移。这样，可以直接测量Si的位移，并通过公式计算：

（1）

通过图一，可见，通过对线性CCD上光点的图像位移的简单测量，可以得到路基基床沉降量。基于上述单点路基沉降测量方法的测量装置的配置如图2所示。该装置主要由三部分组成，第一部分是设置在沉降检测桩上的点光源，第二部分是一个点位测量仪，包括一个线阵CCD，一个图像光学器件透镜和处理电路，它设置在深埋于地下且几乎没有沉降的基准桩上，可作为测量基础。由图1和图2可以看出，如果存在So路基沉降，可以测量出PPMD中Si的相对图像位置变化值，So的路基沉降值可以通过式（1）计算获得。该值与测量位置、日期、时间和其他信息打包在一起, 然后将该值上传至GPRS（通用分组无线业务）Modem，并通过公共互联网传输至办公室的计算机，该计算机是测量系统的第三部分。这样就可以实现路基沉降的远程测量和采集。

图1路基沉降测量示意图及放大率自标定

图2 单点沉降测量装置的配置

图3 多点沉降测量示意图

2.2 多点沉降测量

在单点沉降测量方法和设备的基础上，通过多种方式将已建成的沿轨道的一系列设备连接起来，形成一个多点沉降测量和监测的网络。图3给出了一个例子。在离钢轨约25米的基准桩上设置点光源，形成测量基准，沿轨道布置一系列附着在沉降检测桩上的点位测量装置。这里，包括LED单元的PPMD不仅作为前一点光源的测量装置，而且还作为后一点光源的目标。所有的PPMD从1到n编号，从参考桩上靠近点光源的那一个开始。如果第i个PPMD得到的结果是So(i)，第n个点位测量装置处的总沉降H(n)可由公式计算得：

（2）

为了减少公式(2)中的累积误差，需要沿轨道增加一些参考桩，如图3所示。

3 提高了测量的稳定性和准确性

3.1 影响测量精度和稳定性的主要因素

根据式(1)，可以计算出沉降测量的标准误差

（3）

其中、和分别为测量Do、Di和Si的标准误差，Di为给定PPMD的常数.

由式(3)可以看出，、和是影响沉降测量精度的三个主要因素。由于Di是一个常数，而主要是由装置的安装误差引起的，在实验室中可以通过精密的校直方便地控制。因此，如何减小和对沉降测量的影响是我们的主要目标。为了减小对沉降量[7]的影响，本文提出了一种自标定图像透镜放大方法：采用自动背景减法和点中心提取算法，减小了对沉降测量的影响，提高了测量的稳定性和准确性。

3.2 近轴放大的自校准

由式(1)可知，物体距离影响近轴放大的值。在实验室组装PPMD时，图像光学系统的近轴放大为常数，记为，测量和目标距离也是一个常数，记为。然而，当PPMD安装在现场时，要使Do的实际目标值等于是非常困难的，Do与的差值可能在几十毫米到几百毫米之间，在某些情况下甚至几米，这可能导致真实和理想近轴放大之间的巨大差异。此外，现场的准确测量也非常困难。所有这些因素都会使实际的近轴放大倍率与理想的近轴放大倍率之间产生很大的差异，从而引起极大的误差沉降测量误差大，严重降低了测量精度。为了解决这一问题，本文提出了一种简单的利用两点光源自标定近轴放大的方法。

如图1所示，使用两个点光源而不是一个点光源。两个点光源之间的中心距离是一个常数，记作Io，在实验室中可以精确测量。一个点光源L1用于测量，另一个点光源L2主要用于的自动校准。现场安装PPMD后，可以精确测量线阵CCD上两点光源图像之间的距离并且保存为Ii。那么可以通过公式计算:

(4)

将式(1)中的代入，结算值可改写为:

(5)

同样，可以得到沉降测量的标准误差:

（6）

其中和分别是测量和的标准误差。

在式（5）中，由于可以精确地测量Io和Ii的值，并分别用于代替式（1）中的Do和Di，在不知道实际物体距离Do的情况下，只需测量线阵CCD上两点光源图像之间的距离Ii即可得到放大倍数的值。同时，从式（6）中可以看出，由于可以精确地测量出Io和Ii的值，沉降测量的标准误差变得更小。

3.3 背景自动减法

在我们建立的测量装置中，方程（3）和（6）中的系数都可以从几十变为几百，这比其他方程的系数要大得多。因此，的微小误差会产生较大的测量误差，是影响沉降测量精度的最重要因素。如何减少的误差是另一个挑战。实际上，由于值是从偏振模色散的线性CCD上的图像位置得到的，所以影响标准误差的主要有两个来源，一是图像质量主要受图像背景的影响，二是光斑中心提取的精度。因此，本文采用了一种自动背景减法来去除背景噪声，提高图像质量。使用第3.4节中描述的特殊光斑中心提取算法来获得光斑中心的精确位置。这样可以减小测量误差，提高测量精度。在沉降测量过程中，会产生许多干扰，如杂散光、空气干扰引起的光束漂移、灰尘、飞虫、飞鸟等，从而导致沉降测量的不均匀性光斑强度分布及产生误差。因此，采用自动背景减法去除背景噪声，提高图像质量，其流程如图4所示。由于步骤1和步骤2之间的时间间隔很短，因此图像1和图像2中的背景噪声几乎相同，可以通过从图像1中减去图像2来去除。这样可以得到如图3所示的高质量图像，为进一步的图像处理提供了一种获得光斑中心位置的好方法。

3.4 光斑中心提取

3.4.1 动态阈值选择

一般来说，光源L1或L2的像斑只占线性CCD上像素的一小部分，大部分像素几乎不能用于光斑中心的提取。为了减少计算时间和提高计算速度，需要选择一个宽度略大于斑点图像。CCD上光源的强度分布近似于图5所示的高斯分布。最大灰度的像素数可以找到Gmax，并将其视为窗口。动态阈值Gth可以通过平均Gmax和Gmin的值，即最小值窗口是灰色的。如图5所示，在窗口中心，其灰度为阈值以上表示为Pl，同样，像素坐标在右侧表示为Pr，像素点中心的坐标点中心的坐标表示为Pmid，是Pl和Pr的平均值。

图4 背景噪声自动提取流程图

3.4.2 加权质心法

亚像素中心提取方法有很多，如中心法[8]、重心法[9]、加权重心法[10]、曲线拟合插值[11,12]、哈尔小波变换[13]

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