基于紅外溫度場(chǎng)和灰度圖像的隧道襯砌病害檢測(cè)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于測(cè)繪科學(xué)技術(shù)與儀器科學(xué)的交叉領(lǐng)域，是一種涉及到紅外熱成像技術(shù)、圖像處理技術(shù)、激光掃描技術(shù)、移動(dòng)精密定位技術(shù)與多傳感器集成與同步控制技術(shù)的隧道襯砌病害檢測(cè)方法及裝置，可以廣泛應(yīng)用于公路隧道、鐵路隧道檢測(cè)等測(cè)繪和交通領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隧道襯砌病害主要包括襯砌裂縫、襯砌滲漏水、襯砌脫空等病害。隧道襯砌裂縫是評(píng)價(jià)隧道襯砌質(zhì)量最重要的參數(shù)之一，是大部分病害的早期表現(xiàn)形式，直接影響著隧道使用壽命和行車安全。傳統(tǒng)隧道襯砌裂縫檢測(cè)技術(shù)基于人工視覺(jué)檢查，效率低，工作強(qiáng)度大，檢測(cè)速度慢，精度較低，檢查的結(jié)果具有很強(qiáng)的主觀性，并且在高速公路上進(jìn)行人工檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)人員人身安全受到了影響。
[0003]目前的檢測(cè)手段是在隧道內(nèi)部搭建腳手架根據(jù)肉眼或數(shù)碼相機(jī)拍照的方式進(jìn)行觀察判斷，后期為了檢測(cè)隧道內(nèi)部的病害，有采用隧道鉆孔方法，這種方法雖然較直觀，但檢測(cè)速度慢，風(fēng)槍成孔垂直度較難控制，且探桿感覺(jué)、卷尺量測(cè)受人為因素影響較大，同時(shí)破壞隧道防排水系統(tǒng)，影響隧道壽命，檢測(cè)結(jié)果代表性差，難以全面反應(yīng)隧道整體及各部位質(zhì)量。
[0004]傳統(tǒng)方法其缺點(diǎn)主要有:a)、受人為因素影響較大，存在著效率低、準(zhǔn)確性差、不能進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)對(duì)比等問(wèn)題；b)、檢測(cè)時(shí)需搭建腳手架存在著生命危險(xiǎn)的因素；
[0005]目前，有廠家利用高速激光斷面掃描儀來(lái)實(shí)現(xiàn)隧道襯砌的裂縫系統(tǒng)采集，但是由于要達(dá)到高精度的數(shù)據(jù)采集，載車平臺(tái)的行駛速度非常有限，一般在5Km/h?10Km/h，該檢測(cè)設(shè)備工作時(shí)，隧道必須進(jìn)行交通管制。
[0006]此外，車載多傳感器集成同步控制方法將距離傳感器與內(nèi)部時(shí)鐘結(jié)合，用于按空間間隔采樣控制傳感器的工作，并為傳感器的采集數(shù)據(jù)提供時(shí)間戳。其缺點(diǎn)是:沒(méi)有將車輛行駛的線性參考坐標(biāo)與采集的數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，對(duì)于隧道檢測(cè)、道路檢測(cè)這類通常以線性參考坐標(biāo)為基準(zhǔn)的應(yīng)用，空間定位表達(dá)十分不方便。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提出一種隧道襯砌病害檢測(cè)裝置，以克服現(xiàn)有襯砌裂縫快速準(zhǔn)確識(shí)別的技術(shù)瓶頸。
[0008]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明為提出了一種利用圖像處理技術(shù)、移動(dòng)精密定位技術(shù)與多傳感器集成與同步控制技術(shù)的隧道襯砌病害檢測(cè)裝置，該檢測(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)，
[0009]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)；
[0010]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；
[0011]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)；
[0012]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；
[0013]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)；
[0014]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；
[0015]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；
[0016]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)；
[0017]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)存儲(chǔ)和處理；
[0018]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；
[0019]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。
[0020]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。
[0021]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。
[0022]所述基于紅外溫度場(chǎng)和灰度圖像隧道襯砌病害檢測(cè)裝置，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。
[0023]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)。
[0024]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，利用紅外熱成像儀、面陣相機(jī)、光電編碼器、GPS及慣性單元等多傳感器集成及數(shù)據(jù)融合原理與方法，在車載平臺(tái)以1-60公里/小時(shí)的正常城市車行速度移動(dòng)中，由安裝在平臺(tái)上的紅外熱成像儀獲取隧道內(nèi)部的紅外熱圖，由面陣相機(jī)和大功率的LED照明設(shè)備獲取隧道襯砌的灰度圖像數(shù)據(jù)，由激光掃描儀獲取隧道斷面的測(cè)距和角度數(shù)據(jù)，由安裝在車輪上的光電編碼器獲取車載平臺(tái)的行駛距離及運(yùn)行速度，由安裝在平臺(tái)的GPS和慣性單元獲取平臺(tái)的位置、姿態(tài)數(shù)據(jù)，所有的傳感器數(shù)據(jù)和同步數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行融合處理，綜合紅外溫度場(chǎng)與灰度圖像信息提取襯砌的病害信息。
[0025]因此，本發(fā)明至少具備以下有益效果:
[0026]I)采用了高精度的時(shí)空同步控制方案，建立高精度的時(shí)空基準(zhǔn)，提高了各傳感器的同步精度，減小了數(shù)據(jù)融合的難度，使檢測(cè)結(jié)果更加可靠；
[0027]2)獲取精密紅外溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)與二維灰度數(shù)據(jù)的速度快，大幅提高了作業(yè)效率；
[0028]3)對(duì)多個(gè)二維灰度圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接融合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)細(xì)微襯砌裂縫的識(shí)別與提??；
[0029]4)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)，解決了單一檢測(cè)方式遇到的技術(shù)瓶頸，提高了隧道襯砌病害檢測(cè)的效率和準(zhǔn)確性。
【附圖說(shuō)明】
[0030]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體說(shuō)明。
[0031 ] 圖1為總體技術(shù)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]圖2為灰度圖像數(shù)據(jù)采集原理圖。
[0033]圖3為溫度圖像數(shù)據(jù)采集原理圖。
[0034]圖4為高精度定時(shí)定位原理圖。
[0035]圖5為面陣相機(jī)在隧道內(nèi)的采集坐標(biāo)位置示意圖。
[0036]圖6為灰度圖像數(shù)據(jù)拼接原理圖。
[0037]圖7為基于灰度圖像與紅外溫度場(chǎng)信息的隧道襯砌病害檢測(cè)原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038]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，利用紅外熱成像儀、面陣相機(jī)、光電編碼器、GPS及慣性單元等多傳感器集成及數(shù)據(jù)融合原理與方法，在車載平臺(tái)以1-60公里/小時(shí)的正常城市車行速度移動(dòng)中，由安裝在平臺(tái)上的紅外熱成像儀獲取隧道內(nèi)部的紅外熱圖，由面陣相機(jī)和大功率的LED照明設(shè)備獲取隧道襯砌的灰度圖像數(shù)據(jù)，由激光掃描儀獲取隧道斷面的測(cè)距和角度數(shù)據(jù)，由安裝在車輪上的光電編碼器獲取車載平臺(tái)的行駛距離及運(yùn)行速度，由安裝在平臺(tái)的GPS和慣性單元獲取平臺(tái)的位置、姿態(tài)數(shù)據(jù)，所有的傳感器數(shù)據(jù)和同步數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行融合處理，綜合紅外溫度場(chǎng)與灰度圖像信息提取襯砌的病害信息。
[0039]基于紅外溫度場(chǎng)和灰度圖像的隧道襯砌病害檢測(cè)系統(tǒng)硬件包括:
[0040](I)車載移動(dòng)平臺(tái)；由底盤車與方艙改裝構(gòu)成，為隧道襯砌病害檢測(cè)的各傳感器和電源提供機(jī)械搭載平臺(tái)。
[0041](2)光電編碼器；光電編碼器安裝在載體平臺(tái)的底盤車后輪的中心軸上，以測(cè)量載體平臺(tái)的運(yùn)行速度和距離。本發(fā)明采用了一臺(tái)高精度光電編碼器，其里程脈沖精度達(dá)到mm級(jí)，可以用于精準(zhǔn)控制隧道襯砌斷面數(shù)據(jù)采集，采用GPS和慣性單元協(xié)同工作的方式來(lái)獲取載體平臺(tái)的絕對(duì)坐標(biāo)，能更有效地與高密度行程數(shù)據(jù)和精密二維圖像斷面數(shù)據(jù)融合。
[0042](3)慣性單元；慣性單元安裝在車頂?shù)闹Ъ苌?，測(cè)量載體平臺(tái)的姿態(tài)參數(shù)，在隧道內(nèi)部實(shí)現(xiàn)高精度的位置推算。在隧道無(wú)GPS信號(hào)的情況下，通過(guò)慣性測(cè)量元件輸出系統(tǒng)所處的航行、俯仰及橫滾姿態(tài)及位置信息，高精度編碼器的數(shù)據(jù)對(duì)慣導(dǎo)進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)部病害的高精度定位。
[0043](4)GPS接收機(jī)；GPS接收機(jī)安裝在車頂?shù)闹Ъ苌希辉谟蠫PS的信號(hào)下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高精度定位及授時(shí)。
[0044](5)同步控制器；安裝在方艙內(nèi)機(jī)柜設(shè)備，用于同步、觸發(fā)各個(gè)傳感器及采集服務(wù)器，保證所有數(shù)據(jù)具有統(tǒng)一的時(shí)間空間基準(zhǔn)。同步控制器可以主動(dòng)觸發(fā)傳感器采集并記錄觸發(fā)時(shí)刻的時(shí)空坐標(biāo)，另一方面被動(dòng)接收傳感器采樣時(shí)刻的同步信號(hào)，以獲取傳感器采樣時(shí)刻的時(shí)空坐標(biāo)，用于采集數(shù)據(jù)的時(shí)空同步與融合。
[0045](6)多個(gè)面陣相機(jī)；安裝在傳感器支架上，同時(shí)采集隧道內(nèi)壁不同區(qū)塊的襯砌灰度圖像。
[0046](7)多個(gè)LED照明光源；不同朝向安裝在傳感器支架上，為多個(gè)面陣相機(jī)提供照明光源。
[0047](8)紅外熱成像儀；安裝在傳感器支架上，采集隧道襯砌的紅外溫度場(chǎng)。由于隧道內(nèi)部的脫空能夠反映在溫度上的變化會(huì)很小，選擇高靈敏度的紅外相機(jī)能實(shí)現(xiàn)隧道襯砌的脫空識(shí)別。
[0048](9)激光掃描儀；安裝在傳感器支架上，采集隧道襯砌斷面形變數(shù)據(jù)。
[0049](10)供電系統(tǒng)；安裝在方艙內(nèi)部，為系統(tǒng)提供各個(gè)設(shè)備所需的各種電源。
[0050](11)采集服務(wù)器；安裝在方艙內(nèi)部，采集各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲(chǔ)。
[0051](12)顯控裝置；安裝在方艙內(nèi)部，用于采集界面的參數(shù)設(shè)置，數(shù)據(jù)界面顯示，檢測(cè)的狀態(tài)以及結(jié)果的顯示等人機(jī)交互。
[0052]如圖1所示，GPS接收機(jī)、光電編碼器輸入到同步