基于線陣CCD的線路方向測量系統的開發

摘要：該系統硬件設備采用長距離準直激光光源、CCD圖像傳感器、旋轉編碼器、系統終端PC等器件，利用線陣CCD測量技術、數據處理技術、多信息傳感融合技術等高新技術，能夠對鐵路路軌區段(長度≤200m)軌道幾何形狀進行高精度檢測，將線路軌向測量結果直接數字化顯示，為線路設備維修提供可靠的測量數據，解決了既有，方法測量精度差、效率低的問題，能滿足鐵路工務系統作業要求、提高作業質量。
關鍵詞：線陣CCD；旋轉編碼器；準直激光

1 系統概述
隨著鐵路列車的不斷提速，鐵路軌道在列車的動力作用下，變形不斷積累。曲線軌道的受力情況比直線軌道復雜，變形較快。一種最常見的表現方式為曲線軌道方向的錯亂。為確保行車的平穩和安全，必須要定期檢查曲線軌道的方向，及時把它整正到原來的設計位置，并恢復其原來的曲率。
整正曲線的方法很多，目前在鐵路維修工作中，最常用的是繩正法，它利用曲線上正矢與曲率之間的關系，改正正矢，使之恢復原有的設計曲率。但采用繩正法時，長弦線不易拉直，人工對直尺讀數誤差較大，費時費力，精度不高。隨著列車速度的提高，對鐵路曲線軌道方向的要求越來越高，因此很有必要研制一種快速、便捷、智能化、高精度、基于線陣CCD的線路方向測量系統。

2 國內現狀及系統建設的必要性
2．1 國內技術現狀
目前，國內對線路方向測量的現有方法：
一是通過軌檢車、添乘儀的打分，但里程不準確而且沒有量化的偏差值；
二是工人現場對直線地段進行目測，曲線地段采用繩正法測量正矢，效率低、精度差；
三是在特殊區段采用水準儀定線穿焦點的方法測量方向，操作復雜，效率較低。
2．2 系統建設的必要性
隨著鐵路第六次大提速的結束，中國正式走向高鐵時代。行車速度已有很大的提高，即對既有鐵路線路的技術標準有了更高的要求，尤其是對既有鐵路曲線的維修提出了更高的要求。同時原來的鐵路線路維修方式日益被機械化維修所取代，尤其是大型養路機械的廣泛使用，這就要求維修人員改變觀念，改變傳統的維修方式，運用機械化進行線路維修養護，特別是線路方向維修養護。
隨著鐵路提速、重載的不斷發展，鐵路軌道受到列車的沖擊力越來越大，引起線路在水平和豎向方向的變形也相應增大，變形積累到一定程度就會引起列車晃車，嚴重影響旅客乘坐舒適性和列車運行安全。因此，鐵路部門工務段一直把線路方向整治和消滅三角坑作為線路維修的重點。但目前現場作業只能采用目測和繩正法進行測量，效率較低且精度不高，難以滿足鐵路運輸的發展，因此，研制開發一種快速、便捷、智能化、高精度、基于線陣CCD的線路方向測量系統是十分必要的。

3 系統關鍵技術
研究一種可在鋼軌上移動的基座，一端安裝準直激光光源，一端安裝CCD測量裝置，測量時安裝準直激光光源的基座固定，安裝CCD測量裝置的基座沿鋼軌移動，通過安裝在移動基座上的編碼器測量距離，CCD通過光學系統接收編碼標尺的像素位移信號，并將編碼器測量的1 m(或任意設定值)整數倍位置的像素位移信號進行記錄，數據處理系統把像素位移信號進行二值化處理后，將被測目標的中心值從背景中分離出來。從而得到目標相對CCD中心像元的偏離值。將測量數據傳輸至終端PC進行分析計算，判斷線路的方向并給出偏差量。
其關鍵技術為：
(1)CCD測量裝置的選擇和控制；
(2)編碼標尺的設計和制作；
(3)數據處理系統研究；
(4)編碼器精度的控制；
(5)基座的設計。

4 系統實現目標及主要研究內容
4．1 主要目標
(1)研制開發一種快速、便捷、智能化、高精度、基于線陣CCD的線路方向測量裝置。要求便攜、準確、經濟、適用性強。
(2)自動完成測量作業，測量過程自動化，減少人為因素干擾，測量結果可在屏幕顯示并儲存，如測量過程中出現異常，可給出提示并顯示異常的原因。
(3)測量精度小于1 mm。
4．2 主要研究內容
基于線陣CCD的線路方向測量系統中測量裝置的測量原理是在鋼軌上架設線路方向測量裝置，線路方向測量裝置由光學系統(準直激光光源)、線陣CCD相機、圖像采集電路、信號處理電路、控制及顯示電路、軟件等組成。其結構框圖如圖1。