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

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1、 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

2、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

3、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

4、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 http:/ 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

5、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：

6、(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

7、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

8、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 http:/ 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

9、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

10、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

11、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 http:/ 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

12、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

13、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，

14、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

15、、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 http:/ 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

16、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

17、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 http:/ 第 5期 尹仕任等：缸外熟成像

18、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

19、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

20、：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

21、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。

22、a雌嚼 q 6 1 0 0 3 1，C mr )【K e y w o l d 摹】I n o r d e rt。r a i s e s p e e d o ff a i r wa y t r a i n s，o ne o ft h ei me s h o w t o 啪I d o。1 I i 8 i o n Wi th o b s t a c l e s Q n the l i ne s i n p o o r v b i l i 诤 c o n d o n s In t h i s p a p e r,v e r a l me t h o d s o f i n f r a r e d(I

23、R)咖m Int r o d u c e d a n d c o mp a 例 Th e po b m f o s c an n i n g I N 捌 i n g to b e e mp l o y e d i n mo n i t o r i n g s y s t e ms如 f d r i v i n g m f e 可i n r a i l wa i s a na l y s e d，wi th the a i m o f e n s ur i n gt h e d r i v i n g f e t y o fa i n s a tthe r a i s e d 8 p d a n d 1】n d p o o r v i s i b i l i t y c o n d i tio ns i n f r a r e d i ma g i n sd r i v i n g s a f e t yl i ma 8 e i d 船缸 母 r a i l wa y印e e d 一 瑚蠲 n g 2 3 4 5 6 7 8 9 儿 协“坫 维普资讯 http:/