一种列车车轮激光数字全息检测装置及检测方法

本发明属于无损检测，涉及一种列车车轮激光数字全息检测装置及检测方法。

背景技术：

1、随着轨道交通行业的快速发展，高速铁路与城市轨道交通客运量不断增加。列车车轮作为支撑列车运行的重要组成部分，直接影响着列车运行的安全，及时准确发现有缺陷的列车车轮，并进行维修或更换处理，是保障列车安全运行的重要前提之一，具有重大意义。

2、由于列车车轮独特的外形特点，普遍采用定期离线人工检测的方式对其进行检测，人工检测列车车轮效率较低，并且考虑到人工检测的劳动强度以及成本等问题，对列车车轮开展人工检测的频率受到限制，使得在两次人工检测之间的时间段内，列车车轮产生缺陷的风险增加。目前也有利用2d图像对列车车轮进行检测的方式，但是2d图像检测不直观，检测结果数据量有限，检测结果精度较差，同时容易受到列车车轮上附着的异物的干燥造成检测结果误差。

3、因此，有必要提供一种列车车轮激光数字全息检测装置及检测方法，基于重新构建列车车轮的三维模型进行检测，增加可通过检测获取的参数，提高检测过程的抗干扰性，从而提高检测结果精度，使针对列车车轮缺陷的判断更加准确。同时代替人工检测，有利于降低工作人员劳动强度，可实现检测频率的增加。

技术实现思路

1、为了克服背景技术中的问题，本发明提供了一种列车车轮激光数字全息检测装置及检测方法，利用激光数字全息检测装置对列车车轮进行全息干涉图的成图及图像采集，并结合检测方法基于全息干涉图进行列车车轮三维模型的构建，再针对三维模型提取相关参数，通过参数直接反应出列车车轮是否存在缺陷以及缺陷的位置和类型。通过本发明对列车车轮进行检测，全息干涉图的信息不仅包含列车车轮表面光场的强度信息，还包含列车车轮表面光场的相位信息，可以获取更多列车车轮相关信息，从而提取更多参数以反应列车车轮实际情况，提高检测结果精度；并且基于三维模型进行检测，其本身对列车车轮实际情况的反应较为全面，所以抗干扰能力较强，可以获得更高精度的检测结果，从而使工作人员对于列车车轮缺陷的判断更加准确。并且仅需工作人员将激光数字全息检测装置放置在合适位置，激光数字全息检测装置即可对列车车轮进行全息干涉图成图并将全息干涉图信号传输至计算机，工作人员通过操作计算机进行列车车轮三维模型构建以及相关参数提取工作即可，降低了工作人员劳动强度，可以根据实际需要增加对列车车轮进行检测的频率。

2、为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种列车车轮激光数字全息检测装置，所述的激光数字全息检测装置包括激光器、分束镜i、光纤耦合器、扩束镜i、透镜i、针孔滤波器i、扩束镜ii、针孔滤波器ii、透镜iv、分束镜ii、透镜ii、透镜iii、图像采集装置、激光滤光窗口、计算机，所述激光器发射出激光光束，所述激光光束射入分束镜i，所述分束镜i将激光光束分为物光束和参考光束。

3、所述物光束依次通过扩束镜i、针孔滤波器i、透镜i射在待测车轮上，所述物光束经过待测车轮的漫反射作用后，依次通过激光滤光窗口、透镜iii、透镜ii到达分束镜ii，并通过分束镜ii的反射作用，将所述物光束反射至图像采集装置的光电转换平面上。

4、所述参考光束依次通过光纤耦合器、扩束镜ii、针孔滤波器ii、透镜iv、分束镜ii达到图像采集装置的光电转换平面上。

5、所述物光束和参考光束在图像采集装置的光电转换平面产生干涉，形成激光全息干涉图，所述图像采集装置采集所述激光全息干涉图。

6、所述图像采集装置与所述计算机电连接。

7、作为优选，所述的激光数字全息检测装置固定安装与不透光外壳内部，并且所述透镜i、激光滤光窗口设置于所述不透光外壳的同一个侧壁上。

8、作为优选，所述的不透光外壳外侧包裹橡胶防震外壳，所述橡胶防震外壳内部可拆卸安装有移动电源，所述橡胶防震外壳放置于手推车上，所述计算机放置于橡胶防震外壳顶部。

9、作为优选，所述的分束镜i的分束比为r:t＝90:10，其中r为反射光束强度，t为投射光束强度，所述分束镜ii的分束比为r:t＝70:30；所述针孔滤波器i、针孔滤波器ii的小孔孔径其中λ为激光光束波长，f为对应扩束镜的焦距，r为对应扩束镜的出瞳半径。

10、作为优选，所述的激光器为he-ne激光器、红宝石激光器、co2激光器、nd：yag激光器、半导体激光器中的一种。

11、作为优选，所述的透镜i、透镜ii、透镜iii、透镜iv为锗透镜、硅透镜、硒化锌透镜或玻璃透镜中的一种。

12、作为优选，所述的扩束镜i、扩束镜ii为锗透镜、硅透镜、硒化锌透镜或玻璃透镜中的一种。

13、作为优选，所述图像采集装置为ccd图像传感器或cmos图像传感器中的一种。

14、所述物光束与参考光束之间的光程差小于所述激光器发射激光的相干长度。

15、本发明另一方面提供了一种列车车轮激光数字全息的检测方法，所述的检测方法依靠安装在计算机中的降噪处理软件、数字再现软件、相位提取软件、相位解包裹软件、三维重建软件、三维图像识别软件、参数量化提取软件实现，所述检测方法包括以下步骤：

16、s1：所述计算机内安装的降噪处理软件通过频率域滤波、维纳滤波、灰度直方图均衡化依次对计算机接收图像采集装置传输的激光全息干涉图进行降噪处理。

17、s2：所述数字再现软件为使用菲涅尔衍射积分公式编写的二次快速傅里叶变换算法模拟衍射再现软件，使用数字再现软件对所述步骤s1中降噪处理后的激光全息干涉图进行全息重现，并计算得到激光全息干涉图各距离的全息重现光场的复振幅。

18、s3：所述相位提取软件对所述步骤s2中计算得到的复振幅进行相位提取，得到全息重现光场中各点的相位信息，通过公式进行转换计算，得到全息重现光场内各点的相位分布，式中：φ为待提取点的相位，a为该点的复振幅大小，im(a)为a的虚部大小，re(a)为a的实部大小。

19、s4：所述相位解包裹软件通过加权最小二乘迭代解包裹算法对所述步骤s3中全息重现光场中各点的相位信息进行解包裹，得到连续相位。

20、s5：所述三维重建软件依照公式编写，式中l为该点在三维空间中的位置，为解包裹处理后的连续相位，λ为激光波长，将所述步骤s4中的连续相位进行换算，将连续相位信息转换为三维坐标中的位置信息，得到列车车轮的全息三维模型。

21、s6：所述三维图像识别软件对所述步骤s5中的列车车轮的全息三维模型进行识别，得到列车车轮的识别结果。三维图像识别软件通过例如神经网络法、结构法等常用图像识别算法完成对列车车轮全息三维模型的识别，工作人员可以根据实际需求自行选择具有相应算法的图像识别软件。

22、s7：所述参数量化提取软件依据所述步骤s6中的识别结果，提取列车车轮的三维尺寸信息，并对三维尺寸信息进行计算后，得到列车车轮形貌信息，完成列车车轮检测。

23、本发明的有益效果

24、1.本发明应用激光数字全息技术对列车车轮开展检测工作，基于重新构建列车车轮的三维模型，通过提取参数表征列车车轮实际状态，可以获取更加丰富的参数以判断列车车轮的实际情况，同时三维模型对列车车轮实际情况的反应更加全面，抗干扰能力较强，可以使得检测结果精确度更高，提升检测结果的可靠程度，提高对列车车轮实际情况判断精准程度。

25、2.本发明使用激光数字全息检测装置收集列车车轮全息干涉图，通过使用计算机对激光数字全息检测装置获取的列车车轮全息干涉图进行三维模型重建、参数提取等处理工作，降低工作人员劳动强度，检测效率高，还有利于增加对列车车轮的检测频率。

26、3.本发明通过使用不透光外壳进行保护，可以有效避免环境可见光的干扰，进一步降低检测干扰因素，提高检测结果精确程度。

27、4.本发明使用激光数字全息检测装置结合检测方法对列车车轮进行检测，可以获得微米量级的高精度检测结果。

28、5.本发明通过激光滤光窗口过滤光线，使穿过激光滤光窗口到达图像采集装置的光线波长与激光器发射的激光波长保持相同，有效降低外界杂散光对检测的干扰，降低了检测过程中的噪声。