控制器，由同步控制器完成信號(hào)的處理，獲取準(zhǔn)確的時(shí)間信息、空間信息、及姿態(tài)信息。同步控制器一方面輸出脈沖信號(hào)控制多個(gè)面陣相機(jī)、紅外熱成像儀進(jìn)行圖像的采集，另一方面將GPS絕對(duì)定位數(shù)據(jù)、里程信息與速度信息和同步記錄數(shù)據(jù)發(fā)送至采集服務(wù)器存儲(chǔ)。GPS接收機(jī)與慣性單元共同獲取載體平臺(tái)的絕對(duì)位置坐標(biāo)，光電編碼器獲取載體平臺(tái)的速度與行程數(shù)據(jù)，面陣相機(jī)獲取隧道襯砌表面二維灰度信息，紅外熱成像儀獲取襯砌表面的紅外溫度場(chǎng)信息。結(jié)合光電編碼器行程數(shù)據(jù)、GPS的位置坐標(biāo)與慣性單元的姿態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)精密定位，通過對(duì)隧道襯砌二維灰度數(shù)據(jù)和紅外溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，識(shí)別和提取隧道襯砌病害信息。
[0053]本發(fā)明是移動(dòng)測(cè)量技術(shù)的一個(gè)具體應(yīng)用，該發(fā)明采用了多傳感器集成及同步控制技術(shù)、圖像處理技術(shù)、紅外熱成像技術(shù)、激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理技術(shù)、高精度移動(dòng)定位技術(shù)、數(shù)據(jù)融合技術(shù)等高新技術(shù)。
[0054]下面通過對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)的功能進(jìn)行原理描述，進(jìn)而闡述本發(fā)明的原理與方案。
[0055]I)灰度圖像數(shù)據(jù)采集原理
[0056]如圖2所示，同步控制器接收光電編碼器的里程脈沖信號(hào)，按照設(shè)置的參數(shù)(面陣相機(jī)數(shù)據(jù)采集間隔，可以通過采集服務(wù)器進(jìn)行修改)，產(chǎn)生面陣相機(jī)的控制信號(hào)，控制一組面陣相機(jī)采集隧道襯砌灰度數(shù)據(jù)，同時(shí)記錄下光電編碼器的里程數(shù)據(jù)作為平臺(tái)在線性參考坐標(biāo)系下的Y坐標(biāo)；一個(gè)面陣相機(jī)一次采集可以獲得一個(gè)隧道內(nèi)壁區(qū)塊的灰度數(shù)據(jù)，多個(gè)面陣相機(jī)獲得的一組隧道內(nèi)壁區(qū)塊的灰度數(shù)據(jù)通過拼接處理成為一個(gè)完整的隧道斷面灰度數(shù)據(jù)，并分別以一維數(shù)組的方式存儲(chǔ)；慣性單元按照一定頻率輸出平臺(tái)的姿態(tài)數(shù)據(jù)(R, P, H)，采集服務(wù)器用于同步控制器及面陣相機(jī)的采集參數(shù)設(shè)置與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。通過載車平臺(tái)的移動(dòng)，面陣相機(jī)連續(xù)采集隧道襯砌多個(gè)斷面數(shù)據(jù)，從而構(gòu)成隧道襯砌表面二維灰度數(shù)據(jù)。
[0057]2)紅外溫度場(chǎng)圖像數(shù)據(jù)采集原理
[0058]如圖3所示，同步控制器接收光電編碼器的里程脈沖信號(hào)，按照設(shè)置的參數(shù)(紅外熱成像儀數(shù)據(jù)采集間隔，可以通過采集服務(wù)器進(jìn)行修改)，產(chǎn)生紅外熱成像儀的控制信號(hào)，控制一組紅外熱成像儀采集隧道襯砌溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，同時(shí)記錄下光電編碼器的里程數(shù)據(jù)作為平臺(tái)在線性參考坐標(biāo)系下的Y坐標(biāo)；一個(gè)紅外熱成像儀一次采集可以獲得一個(gè)隧道內(nèi)壁區(qū)塊的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，多個(gè)紅外熱成像儀獲得的一組隧道內(nèi)壁區(qū)塊的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)可以拼接成為一個(gè)完整的隧道內(nèi)壁斷面溫度場(chǎng)數(shù)，并分別以一維數(shù)組的方式存儲(chǔ)；慣性單元按照一定頻率輸出平臺(tái)的姿態(tài)數(shù)據(jù)(R，P，H)，采集服務(wù)器用于同步控制器及紅外熱成像儀的采集參數(shù)設(shè)置與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。通過載車平臺(tái)的移動(dòng)，紅外熱成像儀連續(xù)采集隧道襯砌多個(gè)斷面數(shù)據(jù)，從而構(gòu)成隧道襯砌表面紅外溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)。
[0059]3)載車平臺(tái)高精度定時(shí)定位原理
[0060]如圖4所示，進(jìn)入隧道之間通過GPS獲取載體平臺(tái)的絕對(duì)位置坐標(biāo)(XffGS84, YWGS84, Zffcs84)作為工程的起點(diǎn)，在隧道內(nèi)部由于無(wú)GPS信號(hào)，則需要靠高精度的慣性單元獲取載體平臺(tái)運(yùn)動(dòng)過程中的連續(xù)姿態(tài)(R，P，H)和推算的位置信息，光電編碼器結(jié)合載體平臺(tái)的起始位置獲取線性參考坐標(biāo)y，再加上相機(jī)像方中心與慣性單元中心的標(biāo)定參數(shù)、GPS天線中心與慣性單元中心的標(biāo)定參數(shù)對(duì)以上定位數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，最終經(jīng)過組合定位輸出載體平臺(tái)高精度、高密度的絕對(duì)坐標(biāo)(XP，Yp, Zp)、線性坐標(biāo)y和高精度的姿態(tài)信息(R, P, H) ο
[0061]定時(shí)系統(tǒng)由GPS和內(nèi)部的高穩(wěn)晶振實(shí)現(xiàn)，在有GPS信號(hào)的前提下，由PPS秒脈沖實(shí)現(xiàn)高精度同步，在隧道內(nèi)部無(wú)GPS情況下由高穩(wěn)晶振和FPGA高速高精度計(jì)時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。
[0062]4)灰度圖像數(shù)據(jù)的拼接原理
[0063]如圖5所示，由于隧道襯砌斷面一般比較大，為了達(dá)到比較高的裂縫檢測(cè)精度，必須要通過多個(gè)面陣相機(jī)來實(shí)現(xiàn)隧道襯砌表面的覆蓋。每?jī)蓚€(gè)相機(jī)之間會(huì)存在一定的重疊區(qū)域。為了直觀的展示隧道襯砌表面的病害，需要把多個(gè)面陣相機(jī)的圖片數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。即把數(shù)張有重疊部分的圖像、不同視角拼成一幅大型的無(wú)縫高分辨率圖像的技術(shù)。圖像配準(zhǔn)和圖像融合是圖像拼接的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。圖像配準(zhǔn)是圖像融合的基礎(chǔ)，而且圖像配準(zhǔn)算法的計(jì)算量一般非常大，因此圖像拼接技術(shù)的發(fā)展很大程度上取決于圖像配準(zhǔn)技術(shù)的創(chuàng)新。
[0064]如圖6所示，圖像拼接主要包括以下幾步:
[0065]首先對(duì)采集的多個(gè)灰度圖像進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)圖像進(jìn)行基本操作，包括直方圖處理和平滑濾波，建立圖像的匹配模板，對(duì)圖像進(jìn)行傅里葉變換以及提取圖像的特征集合等操作。圖像配準(zhǔn)是根據(jù)相機(jī)的位置及角度找出待拼接圖像中的特征點(diǎn)在參考圖像中對(duì)應(yīng)的位置。根據(jù)圖像特征之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以計(jì)算出數(shù)學(xué)模型的各參數(shù)值，從而建立兩幅圖像的數(shù)學(xué)變換模型。根據(jù)此模型，將待拼接圖像轉(zhuǎn)換到參考圖像的坐標(biāo)系中，以此來構(gòu)成完整的隧道襯砌圖像。
[0066]5)基于灰度信息和紅外溫度場(chǎng)信息的隧道襯砌病害檢測(cè)原理
[0067]如圖7所示，得到的面陣相機(jī)原始灰度經(jīng)過圖像拼接算法以后得到完整的隧道襯砌裂縫圖像，圖像信息包含完整的灰度信息(X，Y，Z，G)，在灰度信息中，采用梯度算子提取裂縫邊緣，采用2D Ostu方法提取裂縫區(qū)域，作為隧道襯砌病害的備選區(qū)域AOCG ;
[0068]在拼接完成的紅外溫度數(shù)據(jù)中，首先采用梯度方向直方圖來提取襯砌滲漏水邊緣信息，在此基礎(chǔ)上，采用分水嶺算法提取襯砌滲漏水區(qū)域，作為隧道襯砌病害提取的備選區(qū)域 AOCD ；
[0069]最后綜合兩種方式提取最終的病害區(qū)域A0C，輸出隧道襯砌裂縫的形狀、長(zhǎng)度、寬度，襯砌滲漏水的位置、面積等指標(biāo)。
[0070]本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)隧道動(dòng)態(tài)無(wú)損檢測(cè)，直接獲取隧道襯砌的影像、紅外溫度場(chǎng)、激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用大功率LED進(jìn)行照明；在光電編碼器和慣性導(dǎo)航的控制下，隧道橫斷面的間隔可以控制在1_以內(nèi)，極大的提高了微小裂縫的識(shí)別與檢測(cè)效果。本發(fā)明采取高速大面陣相機(jī)CCD拍照的方式，檢測(cè)速度可達(dá)60Km/h，無(wú)需交通管制就可以對(duì)隧道進(jìn)行快速動(dòng)態(tài)無(wú)損檢測(cè)；
[0071]最后所應(yīng)說明的是，以上【具體實(shí)施方式】?jī)H用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于紅外溫度場(chǎng)和灰度圖像隧道襯砌病害檢測(cè)裝置，其特征在于，包括車載移動(dòng)平臺(tái)、照明設(shè)備、光電編碼器、GPS接收機(jī)、慣性單元、同步控制器、面陣相機(jī)、紅外熱成像儀、采集服務(wù)器、顯控裝置和供電系統(tǒng)， 所述車載移動(dòng)平臺(tái)，用于為各所述設(shè)備提供移動(dòng)的搭載平臺(tái)； 所述光電編碼器，安裝在車載移動(dòng)平臺(tái)的車輪中心軸上，用以測(cè)量車載移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)行速度和距離； 所述GPS接收機(jī)，安裝所述車載移動(dòng)平臺(tái)上，用于所述車載移動(dòng)平臺(tái)的高精度定位及授時(shí)； 所述慣性單元，安裝在所述車載移動(dòng)平臺(tái)上，用于在隧道內(nèi)所述GPS接收機(jī)接收不到GPS信號(hào)的情況下，測(cè)量所述車載移動(dòng)平臺(tái)的位置、姿態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)在隧道內(nèi)部高精度的位置推算； 所述同步控制器，安裝在所述車載移動(dòng)平臺(tái)上，用于同步、觸發(fā)面陣相機(jī)、紅外熱成像儀，保證所有數(shù)據(jù)具有統(tǒng)一的時(shí)間空間基準(zhǔn)； 所述面陣相機(jī)，安裝在所述車載移動(dòng)平臺(tái)上，連接所述同步控制器，用于采集隧道襯砌的二維圖像信息； 所述照明設(shè)備，安裝在所述車載移動(dòng)平臺(tái)上，用于為所述面陣相機(jī)提供照明光源； 所述紅外熱成像儀，安裝在所述車載移動(dòng)平臺(tái)上，連接所述同步控制器，用于采集隧道襯砌的紅外溫度場(chǎng)； 所述采集服務(wù)器，用于接收所述GPS接收機(jī)、慣性單元、光電編碼器、同步控制器、面陣相機(jī)、紅外熱成像儀的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)； 所述顯控裝置，連接所述采集服務(wù)器，用于所述采集服務(wù)器的人機(jī)交互，包括采集控制界面的參數(shù)設(shè)置，數(shù)據(jù)界面顯示，檢測(cè)的狀態(tài)以及結(jié)果的顯示； 所述供電系統(tǒng)，安裝在所述車載移動(dòng)平臺(tái)上，為系統(tǒng)提供各個(gè)設(shè)備所需的各種電源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于紅外溫度場(chǎng)和灰度圖像隧道襯砌病害檢測(cè)裝置，其特征在于，所述面陣相機(jī)的數(shù)量為多個(gè)，一個(gè)面陣相機(jī)采集一部分隧道內(nèi)壁區(qū)塊的灰度圖像，多個(gè)所述區(qū)塊的灰度圖像拼接成一個(gè)隧道內(nèi)壁斷面的灰度圖像。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于紅外溫度場(chǎng)和灰度圖像隧道襯砌病害檢測(cè)裝置，其特征在于，所述紅外熱成像儀的數(shù)量為多個(gè)，一個(gè)紅外熱成像儀采集一部分隧道內(nèi)壁區(qū)塊的溫度圖像，多個(gè)所述區(qū)塊的溫度圖像拼接成一個(gè)隧道內(nèi)壁斷面的溫度圖像。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的基于紅外溫度場(chǎng)和灰度圖像隧道襯砌病害檢測(cè)裝置，其特征在于，還包括激光掃描儀，所述激光掃描儀安裝在所述車載移動(dòng)平臺(tái)上，連接所述同步控制器，用于掃描采集隧道襯砌斷面的形變數(shù)據(jù)，所述形變數(shù)據(jù)輸出到所述采集服務(wù)器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于紅外溫度場(chǎng)和灰度圖像隧道襯砌病害檢測(cè)裝置，其特征在于，所述采集服務(wù)器的數(shù)據(jù)處理包括，將接收的隧道襯砌二維圖像數(shù)據(jù)、紅外溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)和斷面形變數(shù)據(jù)，結(jié)合GPS、慣性單元和光電編碼器的定位數(shù)據(jù)，建立帶灰度信息、溫度信息和斷面形變信息的隧道模型；采用二維灰度信息處理技術(shù)分析隧道襯砌裂縫，自動(dòng)檢測(cè)裂縫的長(zhǎng)度、寬度和襯砌滲漏水信息，并將結(jié)果保存，作為隧道維修與養(yǎng)護(hù)的參考依據(jù)。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于紅外溫度場(chǎng)和灰度圖像的隧道襯砌病害檢測(cè)裝置，包括車載移動(dòng)平臺(tái)、照明設(shè)備、光電編碼器、GPS接收機(jī)、慣性單元、同步控制器、面陣相機(jī)、紅外熱成像儀、采集服務(wù)器、顯控裝置和供電系統(tǒng)，將隧道襯砌二維圖像數(shù)據(jù)、紅外溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)和斷面形變數(shù)據(jù)，結(jié)合GPS、慣性單元和光電編碼器的定位數(shù)據(jù)，建立帶灰度信息、溫度信息和斷面形變信息的隧道模型；分析隧道襯砌裂縫，自動(dòng)檢測(cè)裂縫的長(zhǎng)度、寬度和襯砌滲漏水信息。本發(fā)明綜合了紅外溫度場(chǎng)檢測(cè)與二維灰度圖像裂縫檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)，檢測(cè)結(jié)果更加可靠,速度快，大幅提高了作業(yè)效率。
【IPC分類】G01N21-88, G01N25-72
【公開號(hào)】CN104749187
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510131839
【發(fā)明人】李清泉, 謝俊, 章麗萍, 曹民, 周瑾, 曲旋, 王新林
【申請(qǐng)人】武漢武大卓越科技有限責(zé)任公司
【公開日】2015年7月1日
【申請(qǐng)日】2015年3月25日