安防技术红外热成像在铁路行车安全监控系统中的应用探讨.pdf

一 i 第3 2 卷第5 期 西南交通大学学报 v o l 3 2 n o , 5 1 9 9 7年 1 0月 j our na l o f s o ut hwe s t j i aot o ng uni ve r si ty o c t 1 9 9 7 i 摘鄹 【 羌词】 【 分类号】 红外热成像在铁路行车安全 监控系统中的应用探讨 西 工 迎 6 1 0 0 1 )丁n 之1 j ， ( 西 磊聂 工 潭莉 皖成 都 丁n 之1 j u 、l 铁路运行遵度的提高， 要解决的羌键技术之一是如何有效地防止在了望条件不好的 情况下， 列丰与城瞎上的障碍物发生冲突。奉文介绍并比较了几种红外撂测方法 对 扫描式热扈像技术应用于铁瞎行丰 ， 并组成安全监控系统的可能性进行分析 ， 拟解决 提速后的列丰在夜阃或低能见度条件下行丰安全的向题。 红外成像i 行车安全i 图像识别i 铁路i 提邃 1 n2 1 l u2 9 8 1 铰路行车的高速化 不仅是世界铰路运输 的发展趋势， 也是我国铰路发展的方 向。 目前我国 正在进行大规模的提速工程。随着铰路运行速度的提高， 铰路的安全问题 目益突出， 尤其我国 铰路的既有线与公路线路大部分是平交 ， 铰路与公路平交道 iz l 发 生的事故 ， 在铰路行车事故 中 占有很大比倒。 能见度低、了望条件差是这些事故发生的主要原因。 如果在夜间或低能见度条 件下 ， 通过红外技术将远 程图象传递巍机车驾驶奎 ， 通过 图象辨识系统进行识 别处理 ， 并与报 警装置和机车制动系统相连 ， 就能有效地防止和避免在 了望条件不好的情 况下列车与线路上 的障碍物发生冲突。 红外线远程成像技术是近年在德国、 美国等发达国家开始研究的膏新技术， 主要用于军事 目的 司 。随着对红外技术应用颁域不断深人的研究， 利用高科技保证列车行车安全的研究 不仅在理论上 ， 而且在实际中具有重要的意义。 1 红外探测器的种类及应用 1 1 缸外探霸曩的种类 红外探测器可分为制冷形和非制冷墅两种 目 。 制冷墅红外探浏器均必须将红外探镄 i 器放 置在寞空杜瓦瓶 中进行制冷， 才能有效地工作。非制冷型红外揉测器在 常温下工作 。 红外探测器可分为单元探测l器、 线列探测器 和面阵探镄 i 器 。 线列探测器是 t 个探镄 i 元成一 维排列 ； 面阵探镄 i 器是一个 一 m个探镄 i 元成二维排列 焦平面阵列 是把面阵探测器与配用 的 信号处理 电路共置于光学系统 的焦平面上。 收瞢 日 期l 1 9 9 7 - 9 4 - 2 1 尹仕任l 男， 1 9 5 4 年生， 高级工程师 恢道部赞助项目【 g 6 -1 2 3 5 4 0 6 0 ) 。 维普资讯 弟 5期 尹仕任等 ： 缸外热成像在铁蓐行车安垒监控系兢 中的应用探讨 5 4 1 面阵探测器有两种工作方式： 扫描型和凝视基。 扫描型又分为光机扫描和电子扫描。 凝视 型是面阵探测器在某一时间内只凝视( 探测) 一个视场。因而焦平面阵列有扫描与凝视两种工 作方式。无论哪种工作方式 ， 单元探测器数 目越多， 分辨率和探测能力就越高。 红外探涮器按照工作原理可分为热( 释) 电探测器 、 光子探铡 器、 超晶格t子阱探涮器及 正 超导探涮器。 1 2 红外探酒蜃的应用 红外探测 器主要应用在以下几个方面： 无损检测 ， 夜视系统、 瞄准 系统、 红外跟踪及其它方 面。这里主要介缨它在红外跟踪方面的应用。 红外跟踪仪伽是一种既能成像又能跟踪的红外传感系统。 其跟踪原理是 ； 热像仪输出的电 视图象先存贮起来， 再与下一次出现的图象信号加以比较 。若 目标发生移动 红外跟踪仪就会 产生误差信号 ， 靠随动系统驱动跟踪仪跟上 目标。 同墩光电视相比， 红外跟踪仪 的特点是 ： ( 1 )在全黑的夜晚， 散光电视完全失效 ， 而红外跟踪仪则仍可探测和跟踪 1 0 k m左右距离 的飞行 目标 。 红外跟踪仪是靠探涮飞行体 自身的红外辐射工作 ， 这在原理上就有 比靠 星光等的 散光电视有明显的优越性 。 ( 2 )用散光电视摄取的图象对 比度低 ( 由于杂 散光干扰 ) ， 而红外跟踪仪则不存在这个 问 题 。 ( 3 )在 0 7 岬 波段 夜天光对比度和强度增加， 红外跟踪仪却不受这一波段的影响。 ( 4 )在冷背景下的热飞行物 ( 如飞机和导弹) 难以伪装 ， 因而容易操测。 ( 5 )穿透烟雾能力较强。 ( 5 )受气候条件影响较小。 2 红外成像铁路行车安全监控系统参数分析 2 1 工作波长范圈 地球周圈的大气主要由氨和氧组成， 此外还有少量的水燕气、 二氧化碳和其它成分气体。 实验表明m， 当红外辐射在大气中传输时 ， 它的能量 由于大气的吸收而襄减。大气对红外辐射 的吸收与衰减是由不同波长的红外辐射来确定的。 对于某些波长的红外辐射， 大气几乎全部吸 收i 相反 对于另外一些波长 的红外线 大气又几乎一点不吸收。表 l给出 了一些气体分子的 红外吸收带中心波长 。 由于上述气体只对一定波长红外线产生吸收， 这就造成了大气对不同波长的红外线具有 不同的透过率。 目 b 够透过大气的红外线主要有三个波长范圃， 即 1 2 5哪 、 3 5哪 和 8 1 4 岬 。换句话说 ， 大气只对这三个波长范围的红外线是透明的。因此 ， 人们形象地把这三个波长 范围叫做大气窗 口。 当然 ， 即便是大气 窗口， 在红外线传输时还会有一定 的目 b t衰减 ， 而不是百分之百通过 。 在 考虑红外线在大气中传输时， 还必须考虑到大气中存在各种悬浮粒子和 云、 雾 等因素 的影响。 红外成像组 成的铁路行车安垒监控系统， 主要应用于夜间及 能见度较低 的情况下对障碍 物的探镪 i 而雾天又是影 响行车安垒的重要因素 。雾天由于大气中的水蒸 气含有大量的水分 维普资讯 5 4 2 西 南 交 通 大 学 学 报 弟 3 2卷 子 根据表 1 提供的数据， 红外成像铁路行车安垒监控系统选择的波长范围为l8 1 2 1 ， 在这 一 波长范围内， 对雾具有较好的红外透过率 。 裹 l 纂肇气体分子暇收带中心馥长 2 2 红外系统 的作用距离 红外系统的作用距离嘲是系统的一个重要的综合性能指标。当目标张角小于红外系统的 瞬时视场时 ， 红外系统所接 受到的目标辐射能量 与其j 町的距离有关 距 离越远则接受到的能量 越小， 与接受到的最小可用能量相应的距离称为系统的作用距离红外系统 的作用距离 d为 厂 置 2 d = 一 ( d i蕊i 1 ) 式 中， 一 为波段( 1 一a 2 ) 范围内的辐射强度值i f 为波段 ( 1 一a 2 ) 范 围内大气 的平 均透过 系数| o 为光学系统的有效人射孔径的面积 3 1 0 为波段 0 1 -a 2 ) 范围 内光学系统的透射 比的常 数值| d 为波段( 1 一 2 ) 范围内探测器 的比撮测度| ，为系统的带宽 为操测器面积| 为系统信嗓 比值 k为系统的惨正因子。若将探涮器的面积 转换成 系统的瞬时视 场 吐 ， ， 则 有 一 ( 2 ) 式中， ，为光学系统焦距 。光学系统的数值孔径 ( 胁 ) 为 ( 一 昙 式中， d o 为光学系统的有效人射孔径 的直径 如果将光学系统的有效人射孔径的面积 山 用 和 ( 批 ) 表示 ， 即 山 一 孚一 ( ) ， ( 3 ) ( 4 ) 将式 ( 2 ) 和( 4 ) 代人式( 1 ) 可得到作用距离的另一种表达式 r ， 0 d _ 一 z g 12 哼 ( ) 07 112 r-o l l ( 5 ) l lj 由式 ( 5 ) 可以清楚地看出 ， 红外系统 的作用距离与 目标和大气透过率 ( 式中第一项) 、 光学系统 ( 式 中第二项 ) 、 操涮器( 式中第三项) 、 系统特性和信号处理 ( 式中第四项) 等参数有关 当列车 以 1 5 0 k m h的速度运行时 列车的有效制动距离为 1 k n l 。 红外系统作用距 离的选 择应 大于列车制动距离 。红外成像铁路行车 安垒监控系统作用距离为 3 k m时 的系统参数如 下 ： 撮涮 目标在 8 1 2叫1 波段范围内的辐射强度为 1 0 3 0w =， 光学系统有效接收日径 d d 维普资讯 第 5期 尹仕任等 ； 虹外熟成像在铁 路行车安奎监控 系坑中的应用探讨 5 4 3 7 5 8 l n l ， 焦距 ， 一9 6 l n l ， 光学系统遗过率 =o 4 3 ； 探铡器面积 =7 mm ， 在工作波段( 8 1 2脚 ) 内的平均 比探涮度 d =4 3 1 0 ” c m h z _ 。 ， 系统噪声等效带宽 ， =l 0 0 0 h z ， 信 噪 比 取 1 7 ； 修正因子 k=0 1 6 ， 雾 天 3 k i n范围内在 8 l 2脚 波长之 闻大气的平均透 过系数查表耨 f =0 9 4 将上述参数代入式( 5 ) ， 得系统作用距离 d 一9 2 k m， 符合系统要求 2 3 温度分辨宰 红外 成像铁路行车安全监控系统探测 目标主要考虑的是行人、 车辆 、 牛、 马等物体。 人体的 背景温度为 3 1 0 k左右。 背景温 度越高 ， 温度分辨率即热灵敏度越高， 即物体 的辐射强度越强 ， 对探测越有利 。 2 4 视场 视场指的是红外 戚像仪的观察范围。 视场的确定应充分考虑列车运行的速度和搜索空同。 当列车运行速度为 1 5 0 k m h时， 探测器安装高度距地面距商为 5 m， 视场选 2 0 。 ， 此时系统具 有较宽的观察范围。 3 红外热成像铁路行车安全监控系统性能指标及试验 提高列车运行速度是当前我国铁路运糖技术发展的主要目标之一。 九五 期 间铁道部作 出了在繁忙干线提高旅客列车时速的部署。提高列车运行速度要解决的关键技术之一是在夜 间或低能见度的情 况下保证列车的安全运彳 亍 。 在擂 国铁路运输发生的重大事故中， 除信 号误 导 造成列车 冲突事故外 ， 主要事故原因是车辆 行人和大牲畜 占道 。为有效地防止这些 事故的发 生 ， 除提高乘务员的素质补， 有效的办法之一是刺用高科技组成铁路行车安全监涓系统 。 3 1 红外热成像铁路行车安全监控系统的组成 红卦热成像铁路行车安全监控系统原理框图如附图所示。红外热成像系统是基于一切物 体 只要高 于绝对零度 ， 就会有红外辐射这一特性而工作的。它不需要 照明光源 ， 而是利用目标 景物与周 围环境之间的温度差或 自身辐射差 ， 经过变换产生可见图象。 热成像铁路行车安全监控系统主要由以下部件组成 ； ( 1 )望远系统 ( 2 )光机扫描系统 | ( 3 )信号处理系统| ( 4 )电源 ； ( 5 )计算机图象处理 | ( 6 )报警装置 ( 7 )接口电路。 其 中， 望远系统主要 由光学攮组和调焦组件组成 光机扫描系统主要包括光学成像器、 扫描组 件、 探测器组件、 前置放大嚣、 制冷器 、 控制电路等 。它主要将光学系统接收捌的外界景物信号 经过扫描系统戚像到探测嚣上。 探涮嚣完成光电信号的转换 ， 经前置放大嚣输出放大了的电信 号。 信号处理部件主要包括多路开关选择器、 模拟处理器、 模数转换嚣、 桢存储嚣、 数模转换器、 视额合 成器等。将前置放大输出的电信号 ， 经过一系列的电路处理 ， 生成可供观 察的标准电视 维普资讯 5 4 4 西 南 交 通 大 学 学 报 第 3 2豢 信号。 同时， 将图象 字符混合产生电路输出信号送人计算机图象处理 ， 通过计算机接 口与机车 制动电路相连接。 附圈虹外戚颤铁路斤丰安全监控秉胄 e 原强柱嗣 3 2 红外热成像铁路行车安全监控系统主要指标 红外热成像铰路行车安全监控系统主要性能措标如下； 工作波段 ： 8 l 2呻 视坜 宽 2 0 8 5 ， 窄 8 。 3 4 - 探测距离： 窄视场 2 0 k m， 宽视场 1 5 k m 扫描机构： 帧扫： 平行反射镜 ， 帧频 2 2 2h z ， 场颇 4 4 4l - i z ； 行扫 ： 六面反射转鼓 ， 转速 8 0 0 o r m 扫描线数 1 2 6线 撵测器 ： l 4 元 h s c d t e ， 单元尺寸 5 0i mx5 0岬 ， 元件间隔 1 2 5 i 工作温度 1 7 7k， 焦一 汤节流致冷 i 发光管显示平均亮度： 2 c d m2 信号处理 ： 光电多路传输 ， 光源及传感器实现信号同步 mr t d： o 5 c m r a d 0 1i 1 5 c n 删 0 7 5。 3 3 红外热成像铁路行车安全监控系统试验 将快路行车安全监控系统的 6 t 0 7型红外热成像仪安装在机车控制 室操作 柜上 ， 系统的 望远光学部分安装在控制室中央顶部 ， 臣地面高度约为 5 m。 在津浦线平原地区冬季夜同雾天 情况下， 根据机车运行记录器显示 的运行 速度及 目标臣离， 当机 车运行速度为 b 0 9 5 k m h 时， 试验结果如表 2 裹 z 作用歪膏与目标j 膏 晰童 系统作用距商 d k m 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 维普资讯 第 5期 尹仕任等： 缸外熟成像在姨路行 车安全监控 系统中的应用探讨 5 4 5 4 结 论 讨论了红外戚像技术的种类及应用 ， 对红外热成像铁路行车安全监测系统的工作原理 、 参 数确定和主要指标作了分析论述 。 红外热成像技术属高科技 ， 应用于铁路行车安全的研究处于 起 步 阶段 ， 在夸 后 的一段 时 间里 ， 必须 对 以下 问题进 行研 究 ： ( 1 )采用何种热成像装置最经济、 实用l ( 2 )红外热成像对人 、 畜 、 车辆等铁道上的障 碍物的有效探潮方法 l ( 3 )既有铁路最小半径下障碍物的探测方法 ( d )计算机图象处理的关健 技术 ( 5 )夜间及低能见度条件下障碍物 的锁定及报警 ( 6 ) 红外热成像系统与机车制动系统的接口。 考支慧 黄国庆 红外诱饵弹系统述评 光电与拉制 ， 1 9 9 6 1 6 4 ( 4 ) ： 2 9 3 5 付伟 定向红外对抗技术发展综述 光电对抗与无源干扰， 1 9 9 6 ； ) 1 7 2 o 荣百炼， 黄彦 红外热成像技术在机车电器设备噩式试验中的应用 红外技术， 1 9 9 7 1 9 ( 1 ) ： 4 2 -4 4 艾利 国外红外探涮器的发展及其在制导武器中的应用 红外技术， 1 9 9 6 ； 1 8 ( 3 ) 5 1 o 施荐恒， 许启富 ， 黄宜军 红外警戒系统的现状与发展趋势- 红外技术， 1 9 9 6 1 8 ( 8 ) ： 1 4 王释和 舰用红外跟踪仪的地位、 作用及其应用近况- 红外技术， 1 9 8 6 ； 8 ( 4 ) t 1 7 张幼文 红外光学工程 上海： 上海科学出版社， 1 9 8 2 4 8 9 7 阵玻若 红外系统 北京l 兵器工业出版社， 1 9 9 5= 2 4 8 -2 7 1 卢春生 光电探测技术及应用 北京t 机械工业出版社 ， 1 9 9 2 t 2 5 1 -2 5 4 张蛙力， 束广札 热疵慷 北京： 新时代出版社， 1 9 8 8 t l 一7 4 ， l o 3 1 2 9 张赛盘目标探测、 识剐和跟踪的传摩嚣数据融合 红外与激光工程， 1 9 9 6 2 5 ( 2 ) ； 2 1 2 6 左明， 李栩辉， 戚建中 扫描式热成像系统的研制 皂光与拉制， 1 9 9 6 ； 6 4 ( 4 ) 3 6 3 8 刘永昌 红外成像翩导仿真技术分析研究( 一1 红外技术， 1 9 9 6 , 1 8 ( 1 ) ； 9 -1 2 陈立学， 杨斌 热成像系统测试技术 红外与毫米波学报， 1 9 9 6 i 1 6 ( 8 ) 4 5 5 -4 5 9 汤讳亚 超导红外技术的发展概况及应用前景 红外技术， 1 9 9 6 1 8 ( 1 ) ； 1 9 2 3 ap p n c a tio n o f i n b re d inmg t o mo n i t o r s y s t e ms f o rdr i v i n gs a f e t y i n ra i l wa y s y m z 强 z 唧 咖 ( s c b o o f s ， s o u fl l w t j i a o t o n bud 、 啪 姆 。 a雌嚼 q 6 1 0 0 3 1 ， c mr ) 【 k e y