基于線(xiàn)陣CCD的線(xiàn)路方向測量系統的開(kāi)發(fā)

摘要：該系統硬件設備采用長(cháng)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(xiàn)陣CCD測量技術(shù)、數據處理技術(shù)、多信息傳感融合技術(shù)等高新技術(shù)，能夠對鐵路路軌區段(長(cháng)度≤200m)軌道幾何形狀進(jìn)行高精度檢測，將線(xiàn)路軌向測量結果直接數字化顯示，為線(xiàn)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(wèn)題，能滿(mǎn)足鐵路工務(wù)系統作業(yè)要求、提高作業(yè)質(zhì)量。
關(guān)鍵詞：線(xiàn)陣CCD；旋轉編碼器；準直激光

1 系統概述
隨著(zhù)鐵路列車(chē)的不斷提速，鐵路軌道在列車(chē)的動(dòng)力作用下，變形不斷積累。曲線(xiàn)軌道的受力情況比直線(xiàn)軌道復雜，變形較快。一種最常見(jiàn)的表現方式為曲線(xiàn)軌道方向的錯亂。為確保行車(chē)的平穩和安全，必須要定期檢查曲線(xiàn)軌道的方向，及時(shí)把它整正到原來(lái)的設計位置，并恢復其原來(lái)的曲率。
整正曲線(xiàn)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(xiàn)上正矢與曲率之間的關(guān)系，改正正矢，使之恢復原有的設計曲率。但采用繩正法時(shí)，長(cháng)弦線(xiàn)不易拉直，人工對直尺讀數誤差較大，費時(shí)費力，精度不高。隨著(zhù)列車(chē)速度的提高，對鐵路曲線(xiàn)軌道方向的要求越來(lái)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(xiàn)陣CCD的線(xiàn)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(shù)現狀
目前，國內對線(xiàn)路方向測量的現有方法：
一是通過(guò)軌檢車(chē)、添乘儀的打分，但里程不準確而且沒(méi)有量化的偏差值；
二是工人現場(chǎng)對直線(xiàn)地段進(jìn)行目測，曲線(xiàn)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(xiàn)穿焦點(diǎn)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(zhù)鐵路第六次大提速的結束，中國正式走向高鐵時(shí)代。行車(chē)速度已有很大的提高，即對既有鐵路線(xiàn)路的技術(shù)標準有了更高的要求，尤其是對既有鐵路曲線(xiàn)的維修提出了更高的要求。同時(shí)原來(lái)的鐵路線(xiàn)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(guān)念，改變傳統的維修方式，運用機械化進(jìn)行線(xiàn)路維修養護，特別是線(xiàn)路方向維修養護。
隨著(zhù)鐵路提速、重載的不斷發(fā)展，鐵路軌道受到列車(chē)的沖擊力越來(lái)越大，引起線(xiàn)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(huì )引起列車(chē)晃車(chē)，嚴重影響旅客乘坐舒適性和列車(chē)運行安全。因此，鐵路部門(mén)工務(wù)段一直把線(xiàn)路方向整治和消滅三角坑作為線(xiàn)路維修的重點(diǎn)。但目前現場(chǎng)作業(yè)只能采用目測和繩正法進(jìn)行測量，效率較低且精度不高，難以滿(mǎn)足鐵路運輸的發(fā)展，因此，研制開(kāi)發(fā)一種快速、便捷、智能化、高精度、基于線(xiàn)陣CCD的線(xiàn)路方向測量系統是十分必要的。

3 系統關(guān)鍵技術(shù)
研究一種可在鋼軌上移動(dòng)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(shí)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(dòng)，通過(guò)安裝在移動(dòng)基座上的編碼器測量距離，CCD通過(guò)光學(xué)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(jìn)行記錄，數據處理系統把像素位移信號進(jìn)行二值化處理后，將被測目標的中心值從背景中分離出來(lái)。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(jìn)行分析計算，判斷線(xiàn)路的方向并給出偏差量。
其關(guān)鍵技術(shù)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(shí)現目標及主要研究?jì)热?br />4．1 主要目標
(1)研制開(kāi)發(fā)一種快速、便捷、智能化、高精度、基于線(xiàn)陣CCD的線(xiàn)路方向測量裝置。要求便攜、準確、經(jīng)濟、適用性強。
(2)自動(dòng)完成測量作業(yè)，測量過(guò)程自動(dòng)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(guò)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?jì)热?br /> 基于線(xiàn)陣CCD的線(xiàn)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(xiàn)路方向測量裝置，線(xiàn)路方向測量裝置由光學(xué)系統(準直激光光源)、線(xiàn)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。