基于分时曝光技术的钢轨廓形激光成像系统简析

王宁，赵鑫欣，郝晋斐，王凡

（中国铁道科学研究院集团有限公司基础设施检测研究所，北京 100081）

钢轨是铁路基础设施最重要的部件之一，是重点维护的对象。随着我国铁路六次提速和高速铁路大规模建设，钢轨轮廓检测已成为铁路工务部门最为关心的问题之一。

目前铁路部门专用轨道检测车采用激光三维摄像技术实现钢轨廓形的快速普查。由于打磨后钢轨表面在行车过程中形成许多不规则的反射镜面，导致激光成像对光照十分敏感，形成的光条中不可避免地出现许多由镜面反射导致的光斑或暗斑，最终将严重影响系统检测结果，如图1所示。

本文针对钢轨表面反光对廓形磨耗检测系统的影响，探索运用长短分时曝光技术提升激光成像性能的抗光照干扰特性。

1 系统设计

如图2所示，分时曝光高动态激光摄像组件主要由1台相机、1台激光器、1块图像采集处理板组成，通过双曝光和激光三角原理，实现对打磨反光情况下的钢轨廓形图像采集。该组件基于双曝光机制，在一次拍摄中，相机的奇偶行同时曝光，奇数行曝光时间长，偶数行曝光时间短，从而可同时获取轨腰和轨顶的清晰图像，避免钢轨反光干扰。

分时曝光激光摄像组件通过双曝光和激光三角原理，实现在打磨反光情况下的钢轨廓形图像采集。通过双曝光机制，在一次拍摄中，相机成像单元的奇偶行同时曝光，奇数行曝光时间长生成长时曝光图像，偶数行曝光时间短生成短时曝光图像，在经过对长短时曝光图像进行加权数据融合，从而可同时获取钢轨各部位的清晰图像，避免钢轨反光干扰。

本文采用空间域融合的方法，提出基于光条信度评价的偏振分量图像融合方法。以2幅长短时曝光分量图像为融合源图像，由光条质量评价确定每幅源图像的融合权重，根据融合权重进行图像融合。为了确定2幅图像的融合权重，引入光条信度评价机制，光条信度反映了光条的质量，用于评价光条中心位置的可靠性。光条信度评价一般选取光条的宽度特征、灰度特征和光条平均残差平方和等特征量评价光条中心位置的可信度。

正常工况下，钢轨廓形图像中的光条宽度处于一定的范围，而在过曝区域，由于曝光过量，光条宽度急剧增大，在欠曝区域，对比度降低，光条宽度又明显减小，甚至为0，因此可以根据钢轨廓形图像中的光条宽度评价光条的可信度。

2 实验分析

2.1 实验设计

按照如下步骤进行实验论证：

（1）根据系统架构图连接系统，并加电运行，观察是否加电正常，图像能够正常采集显示。

（2）搭建打磨后钢轨模拟实验环境，在钢轨上粘贴锡箔纸，以模拟打磨后钢轨镜面反射的情况；将钢轨与采集组件根据轨廓设计尺寸及位置姿态防止固定好。

（3）对打磨钢轨进行图像采集，分别设置奇偶行曝光时间获取不同图像，依次对分时曝光高动态激光摄像组件进行各项接口的验证。

（4）分析判断系统采集到的打磨后钢轨图像，在奇偶行不同曝光的设置下，是否能够实现镜面区域的完整采集，对图像效果进行综合评估。

2.2 实验分析

（1）通过图像采集软件采集打磨后钢轨图像。首先设置奇数行和偶数行曝光时间一样为800us。采集的轨廓图像如图3。

此时虽然能采集到完整的廓形，但是对于轨距角处反光较强烈，光条较为集中，难以精确获取提取后廓形。由于轨距角处是轮轨关系分析中最为重要部分之一，因此该图像对于后续研究干扰较大。

（2）设置减小相机曝光时间，使上述反光强的廓形部分曝光正常，此时相机奇数行和偶数行曝光时间一样为100us。采集的廓形图像如图4所示。

将图像放大观察局部，观察之前存在反光干扰的部分，发现此时廓形清晰无反光干扰。细节图如图5和图6所示。

偶数行在轨距角处光条清晰均匀，奇数行在其他位置的光条清晰均匀。通过对两种图像进行融合计算，可以获取完好的激光光条图像，如图7所示。

3 结语

本文针对激光成像中阳光干扰的问题设计了一种分时曝光成像系统，通过对钢轨激光图像数据融合的结果分析可以看出，采用这种分时曝光的方式，相机的奇数行和偶数行相结合，可同时获取完整有效的钢轨廓形图像，有效避免钢轨表面反光对成像的干扰。