融合摄影测量与激光扫描技术的隧道全断面高速动态检测技术研究

摘要

随着高等级铁路建设的发展，铁路隧道的建成量正以空前的速度增加。为了应对线路繁忙运营状态下的隧道安全检测，本论文提出了一种融合摄影测量与激光扫描技术的车载隧道全断面测量系统方案。系统设计主要是基于三角测量原理，用多个线形激光器拼接扫描隧道洞体表面轮廓，利用多个高速工业相机同步拍摄激光光带图像，并采用高速图像处理技术对图像进行实时分析处理，从而实时地得到隧道的空间断面尺寸。
　　 论文介绍了高速隧道全断面检测系统的总体方案设计，包括系统的测量原理、总体方案、各重要器件的选型、软硬件各自实现的功能、采用的关键技术等。重点介绍了对复杂图像处理算法的硬件实现，软件控制程序的流程，测量及标定的算法。最后通过模拟实验，验证了系统的可靠性。
　　 在实时图像处理上，由于本系统的断面采样频率要求达到每秒300帧，传统的通用软件算法的处理能力远远不能满足系统的要求。因此本文开发了基于FPGA的硬件处理器来实现图像的处理算法，以满足实时性要求。系统的硬件处理算法包括多层次图像滤波、形态学处理、大规模同步运算等，并利用流水线架构提高硬件处理的速度。
　　 系统软件设计基于Dalsa公司的Sapera LT类库，论文介绍了利用该专有类库进行软件开发的方法，并实现了断面测量系统的应用程序设计，包括对相机的配置接口，对图像处理卡的控制接口，以及对处理结果的实时存储和显示等。
　　 为了验证系统的实时性和可靠性，我们在实验室搭建了隧道模型测试环境。测试结果显示了该系统在距离轨道中心基准2m到4m的径向距离内隧道断面的测量误差优于5mm，并能实现每秒300帧的高速连续测量。在对不同表面形状的物体测试中，本系统都能够保持很高的测量精度，达到了预期的要求。