交通网络等关键基础设施是现代社会的生命线，极端天气事件可能对铁路轨道、道路、隧道和桥梁造成损坏。弗劳恩霍夫物理测量技术研究所（IPM）开发了一种新型的三维激光扫描仪，可用于密切监测交通基础设施和及时规划维护工作。多光谱传感器系统测量物体表面结构和表面湿度，所有这些都在一个单一的检测过程中完成。
冬季风暴、强降雨和洪水会对铁路网和道路造成严重破坏。检测路面、隧道墙和其他基本基础设施中的裂缝和其他缺陷至关重要，其中一种方法是使用非接触式、高精度移动式激光扫描仪测量车辆，该扫描仪可对周围环境进行三维测绘。弗赖堡弗劳恩霍夫IPM公司的研究人员开发了一种隧道探测系统（TIS），该系统可以使用两种不同的激光波长。除了捕捉隧道、桥梁或其他结构的几何形状外，该系统还以其独特的测量表面湿度的能力而引人注目。因此，作为隧道内部潮湿或干燥的结构线索，可以作为隧道内部的重要线索。与基于摄像机的方法不同，TIS也能在不利的光照条件下工作。除了隧道，扫描仪还可以评估公路和铁路的结构健康状况，它产生的地理参考三维数据可以自动评估。
世界上最快的激光扫描仪
TIS可以检测到小到几毫米的缺陷。”安装在测量车上的扫描器以每小时80公里的速度扫描结构，测量其整体几何结构，并在随后的检查中测量这种几何结构的任何变化，”Fraunhofer IPM的科学家Alexander Reiter教授说。该系统每秒捕获200万个测量点换句话说，测量光束每秒覆盖TIS和被测物体（如墙）之间的距离，每秒200万次。旋转镜用于使测量光束在360度半径内每秒偏转200次，以确保被测物体被覆盖。这使它成为世界上同类扫描仪中速度最快的。它可以测量高达80米的距离，这对于它的用途来说已经足够了。扫描过程的结果是以点云的形式生成环境的三维模型。即使在恶劣的条件下也能工作，TIS具有良好的耐热性和耐寒性，并且可以在-50摄氏度到+50摄氏度的温度下工作。
激光扫描仪的工作原理通常是飞行时间测量。换句话说，他们测量光从发射器到物体再回到探测器所需的时间，并根据光速计算出距离。TIS采用了一种不同的方法，使用了更复杂的相移方法：这涉及到发射信号强度的高频调制。从接收到的信号到目标，需要经过时间和相位的转换。
使用共线发射的两束不同波长（1320nm和1450nm）的激光束测量表面湿度。它们被水吸收到不同程度，但非常具体。测量信号的强度表明了隧道壁表面的水分含量。红外光被水强烈吸收，这种物理效应是我们可以利用的。使用两个非常接近的波长，其中一个被强烈吸收，另一个吸收得不那么强烈。这种差异使我们能够计算出水分含量。
机器学习使分析更有效率
扫描仪产生的高分辨率地理参考数据以数字格式提供。数字测量数据是长期基础设施监测的关键先决条件。随后的分析基于机器学习方法。使用特别开发的算法，系统自动检测出哪些物体在检查区域。这可能是任何东西，从灯杆到墙上的裂缝。然后，系统会为每个数据点指定其所属对象的附加信息。这为自动生成综合地图材质提供了基础。但在算法能够解释测量数据之前，首先需要对其进行培训。弗劳恩霍夫IPM已经为广泛的应用收集了数据，可用于定制和特定应用程序的培训。
结构紧凑，免维护
TIS目前处于原型阶段，已经在瑞士试验隧道中进行了评估，在那里成功地进行了一系列初始测量。研究人员的目标是使最终产品非常紧凑，尺寸仅为30×30×30 cm3。另一个使扫描器独特的地方是整个系统是一个完全封闭的、独立的产品。使激光束偏转的旋转部件装在一个玻璃圆筒中。以这种方式封装系统可以使它健壮、长寿命和免维护。
下一步是在现实条件下在公路和铁路上进行测试。”欧洲大部分交通基础设施都处于糟糕的维修状态。至关重要的是，我们开始更频繁、更详细地监测它。唯一的办法是开发系统，使这种检查更有效。TIS首次为我们提供了一个多模态系统，可以同时测量多个参数，即几何（三维数据）、结构（裂缝）和湿度。这是在成本、速度和效率方面向前迈进的一大步，”这位科学家说。
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