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原文传递基于PMP的钢轨表面缺陷三维在线测量关键技术研究

论文题名：	基于PMP的钢轨表面缺陷三维在线测量关键技术研究
关键词：	钢轨;磨耗现象;表面缺陷;相位测量轮廓术;像素匹配
摘要：	钢轨是轨道交通运输基本要素，支撑和引导列车的运行。近年来，为了适应社会发展的需求，铁路向着高速、重载、高密度运行的方向发展，使得钢轨磨耗及表面缺陷加剧。车辆在带有表面缺陷的轨道上运行时，不仅乘客舒适度受到影响，更带来了极大的安全隐患。在钢轨磨耗及表面缺陷的测量方法上，尚未见对钢轨形貌及缺陷进行三维重现的报道，并且各传统方法的测量精度普遍偏低。本文将相位测量轮廓术(Phase Measurement Profilometry,PMP)应用于钢轨检测中，研究其各项关键技术，使得测量精度大为提高，并能重建钢轨外形及表面缺陷的三维形貌。本文主要工作如下: 　　1、在役钢轨因轮轨作用而轨头表面光滑，呈现强反射金属表面，致使变形条纹的部分区域高亮而使CCD出现过饱和状态，无法识别完整的变形条纹。针对这种情况，本文从强反射金属表面的光学反射特性与相变特性出发，分析金属表面漫射程度对相位恢复的影响机理，并对波长、入射角、材质、反射面粗糙程度等参数对反射光及相位变化的影响进行仿真分析，为本文的开展提供理论指导。　　2、对发散照明斜投影下光栅条纹的畸变机理进行推导和分析，给出改进方法，并对校正方法予以模拟与误差分析。同时，在单应矩阵法的基础上，提出一种既能进行条纹非周期性校正，又能进行光强不均匀校正的条纹质量改善方法。该方法在数学模型上引入光程因子，在条纹生成上采用反向投影法，使得投影后的条纹周期性和光强都均匀一致，改善了条纹质量，保证了PMP测量的精度。　　3、传统Stoilov算法中存在的四类奇异点，会使得相位求解和展开时出现无意义的点或者超大误差的点，继而造成三维重构的失真甚至出现无法重构的现象。针对这种问题，本文基于真实相移值出现概率最高的实际情况，对相移的余弦值平方矩阵进行处理，逐个排除奇异点，利用概率统计，得到与实际相移值最接近的数值。实验结果表明，该方法能够有效的去除传统Stoilov算法中的奇异点现象，提高PMP三维重构的准确度。　　4、针对在线PMP中的另一关键技术——像素匹配，结合钢轨的在线PMP测量实际，将条纹外的钢轨部分分割出来用于像素匹配，在基于SIFT的像素匹配算法基础上，在该部分钢轨表面进行特征点搜寻和匹配，再结合图像灰度的方法，进一步去除剩余的错误匹配点，实现精细匹配，将匹配精度达到亚像素级。　　5、对车载式在线PMP测量中的几个关键技术展开研究。首先，由于实际参考平面不可操作，本文从采集到的变形条纹图像中分割出未变形的正弦条纹区域，并以此区域为基础，采用插值算法将该区域展成虚拟的平面作为参考平面，实现在线PMP测量。其次，对于车载式检测平台由于随车运行抖动、车辆运行速度与拍摄帧率不匹配等原因，使得采集到的变形光栅条纹模糊，对比采用多种算法对模糊条纹图像进行处理，提高变形条纹图像清晰度。再次，由于轨道为长距离检测对象，而PMP检测范围有限，本文对钢轨三维数据的拼接及融合方法进行研究，以期达到全线钢轨的测量结果呈现。　　6、在实验室搭建在线PMP测量平台，对系统进行了三维标定，在对标准钢轨仿真实验的基础上，对钢轨表面实际缺陷进行了测量，给出误差分析，结果表明在线PMP是进行钢轨磨耗和表面缺陷测量的优良方法，具有广阔的应用前景。
作者：	李金龙
专业：	电磁场与微波技术
导师：	廖成
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文