相机链式路基沉降监测系统通过图像式测量的方法可以实现高精度、非接触的铁路路基沉降监测。图像式测量的精密性和灵敏性对准确快速评估系统性能提出了要求，需要变定期维护为动态维护，提出了利用光斑图像质量反映系统性能的策略。引入了边缘清晰度、相对亮度、图像信息熵、光线垂直程度4个参数用以评估光斑质量，应用层次分析法和熵权法确定上述参数所占权重，构建了光斑质量综合评价模型，完成了模拟实验和现场实验。模拟实验结果表明，该模型能很好地跟踪光斑图像质量分数变化，具有较好的灵敏性；现场实验结果表明，该模型评价光斑质量结果准确，分析得出设置质量分数阈值为0.95，定位误差小于1 mm（沉降测量规范中允许误差范围）。当光斑图像质量分数持续未达到阈值且超过静置时间时，系统需要维护，实现了系统状态实时监测以及动态维护功能。

相机间位姿关系是影响图像式无砟轨道路基沉降测量精度的主要因素。监测站中相机必需指向各自的监测靶面,因此相机间常存在无公共视场的情况。根据机器视觉中手眼标定问题与相机间位姿标定的等价性,提出了一种基于特征点的相机间位姿标定方法。通过在监测靶面上设置4个呈方形分布的特征点,使相机组执行2次运动,并在3个不同的位置拍摄靶面图像,通过P4P(perspective-four-point)算法求解相机与靶标的位姿关系,进而得到相机的移动轨迹;用矩阵重排的方法求得相机间位姿转换矩阵,并利用Levenberg-Marquardt算法进行非线性优化。仿真结果表明噪声方差在1 pixel内时角度误差小于0.03°,平移误差小于0.3 cm。通过仿真验证了本文方法的有效性与实用性,本文方法能够满足无砟轨道路基沉降测量的需求。

图像式无砟轨道路基沉降监测系统中,列车运营过程中受振动等因素影响,靶面和相机的相对偏转会影响光斑中心定位结果的精度。因此,设计了一种监测靶面位姿测量系统,通过靶面位姿解算得到偏转角,实现对光斑中心定位结果的修正。首先,将单目视觉和监测靶面相结合,根据靶面二维特征点之间已知的几何约束关系建立摄像机的透视投影模型;然后,基于P5P问题,使用HOMO算法对靶面位姿进行线性求解,在此基础上通过非线性Levenberg-Marqurdt算法得到位姿优化解。系统可以进行实时的特征点图像处理和位姿解算。搭建了无砟轨道表面沉降监测中靶面位姿测量系统的实验平台,以高精度的三维精密旋转台为基准,将靶面竖直安装在三维精密仪上,通过控制三维精密仪的旋转角度获取靶面位姿测量的数据。实验结果表明:当分别绕X、Y和Z轴转动角度在[-5°,5°]时,位姿测量系统三个方向的均方根误差分别是0.048°,0.052°,0.056°,整个测量过程时间为0.9 s,测量系统的时间和精度均满足图像式无砟轨道路基表面沉降监测系统的测量要求。

传感器在铁路安全维护方面应用广泛.为了实现实时在线轨距测量,将激光技术与CCD图像式传感器相结合,建立车载轨距机器视觉检测系统.首先介绍系统的构成与工作原理,并提出基于去噪前置与距离变换算法的快速轨道轮廓中心线提取方法.然后采用强对比度拉伸和指数变换的方法进行图像增强,并结合高斯平滑与动态感兴趣区域对图像进行快速去噪前置处理.最后对图像进行精确阈值分割处理,采用距离变换的方法得到轨道轮廓中心线并定位轨距测量点.结果表明,该系统检测精度满足-1mm~+1mm,图像帧处理速率为14.35m/s.轨距机器视觉检测系统满足实时在线轨距检测对系统鲁棒性、检测速度和精度的要求.

红外热成像技术广泛应用于很多领域,故将红外热成像技术与图像处理相结合对接触网热状态进行检测。在图像处理中,首先进行红外图像的预处理,然后采用基于互信息的图像模板匹配对红外图像目标进行检测与识别。互信息是图像模板匹配的相似性度量标准,且图像模板的互信息计算即联合概率分布估计的主要方法是非参数窗法,针对NP 窗法计算时间较长的缺点,采用三角形分布代替NP 窗法的均匀分布的改进非参数窗法。实验结果表明了MNP 法计算的联合概率分布的准确性更高且计算时间也较短。

将激光准直及图像检测技术应用于无砟轨道表面沉降监测之中，建立了图像式表面沉降在线监测系统。首先，介绍了图像式沉降监测方法的工作原理，给出了表面沉降在线监测系统的构成及工作方式。分析了沉降监测靶面激光光斑图像特征，并采用背景差分法来提高监测系统的环境适应度。然后，采用变结构元多尺度广义形态滤波法对光斑图像进行了预处理。最后，依据采集图像灰度呈高斯分布的特性，提出了基于重心的灰度分布曲线拟合法来精确定位光斑中心。实验结果表明：沉降实验室测试的合成不确定度最大为0.198 mm；现场测试的10个月累积最大误差小于1 mm。这些数据显示提出的系统可满足无砟轨道表面沉降在线监测对稳定性、精度和抗干扰能力的要求。