[发明专利]一种准分布式结构位移光学测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学、图像处理技术和结构参数识别技术，具体涉及到使用相机进行结构的准分布式动态位移测量。

背景技术

桥梁变形测量是对被测桥梁结构的位移进行跟踪识别，以确定其空间位置随时间的变化特征。桥梁变形测量利用工程测量原理、方法以及精密量测技术，测量桥梁变位控制点的坐标，通过对各次测量所得的桥梁变位控制点坐标进行比较和结构计算分析，绘制相应的位移变形影响线(面)，结合荷载、抗力等基本结构指标，可以宏观判断桥梁结构的安全性能，从而提出相应的处理措施或荷载控制建议，进而达到结构安全预警的目的。

对于大型桥梁，虽然结构的位移已成为其安全监测的一个重要指标，但有效的位移测量方法以及稳定的动态位移测量手段对于科研工作者与工程技术人员仍然是一个很大的挑战。目前的位移测量方法主要有接触式传感器位移测量系统和非接触式传感器位移测量系统两大类。以下针对其分类进行相关评述。

1、基于加速度传感器的接触式位移测量系统。该系统位移测量思路是将加速度传感器安装到桥梁结构的被测位置处，采集被测点处的加速度，通过对加速度信号进行二次积分得到相应的位移。但是在这种对时域进行多重积分的数字信号处理过程中，存在失真的可能从而导致潜在的误差。

2、基于线性可变差分变压器的接触式位移测量系统。线性可变差分变压器对结构的位移测量是在被测结构上选取某一点，利用连通管的原理进行液位测量进而换算出相应的位移变化。尽管能满足结构位移测量的分辨率，但这种传感器要求一个静态平台作为测量参考点，而且这个平台必须和被测结构相对较近，如果遇到跨海或跨河大桥要建立这种平台将十分困难和成本昂贵。并且由于液体压强与液体的液柱高度较大关系。而在结构位移发生变化的过程中，由于液体内部粘滞阻力及液体与管壁的摩阻等原因，液柱的变化相对迟缓，从而出现位移滞后现象，从而不能完成可靠的动态测量。

3、基于倾角测试的接触式位移测量系统。将倾角测试装置安装在被测点处，测量出所在位置的倾角变化。根据位移与倾角的关系计算出被测点处的位移。这种测试系统的弊端跟基于加速度的位移测量类似，在从倾角到位移的换算过程中需要积分，由此将造成累积误差。并且在从倾角到位移的换算过程中会有一些力学假定的加入，这些假定必然会带来额外的误差，影响测量精度。

4、激光多普勒振动计非接触式位移测量系统。激光多普勒振动计作为一种非接触式无损测量工具为桥梁的振动和变形测量提供精确的位移测量结果，但其测量成本非常高，较难大规模推广应用。并且是基于单目标的位移动态测量方法，若要进行多个目标点的位移测量，则需多台激光仪，成本必然随着位移目标测点的数量的增多不断增加。

5、GPS非接触式位移测量系统。GPS对于复杂大型结构的位移测量拥有众多优点，如毫米级的定位精度、较高的测量频率、实时性和远程测量。但其固有的弱点也决定了它应用的局限性，如GPS易受电磁噪声干扰，对于恶劣的天气等也没有很强的抵抗力，较高的精度和采样率则要求非常昂贵的费用。由于受到成本效益的限制，GPS桥梁位移测量系统的测点一般也不会太多，而要用这些有限的测点数据来做结构的整体或者局部力学分析则相当困难。

6、利用相机进行拍摄的非接触式位移测量系统。这种位移测量方法是利用光学成像原理，对相机拍摄到的目标点进行数字图像处理，制定模板，并以此为基准对目标点进行跟踪模板匹配，通过标定得到实际位移与模板移动像素的关系，从而进行被测点位移的测量。

对利用相机进行拍摄的位移测量系统目前尚处研究当中。这些研究机构主要集中在：澳大利亚Curtin大学、东京城市大学、韩国世宗大学、美国南加利福尼亚大学、香港科技大学、香港理工大学、天津大学、清华大学、苏州大学和浙江大学等。目前国内外对于此方法的研究多集中在单个相机对单个测点进行位移测量。也就是说，使用一套系统仅能够对桥梁结构的一个目标位移测点进行跟踪测量。并且需要在被测构件位置处安装能提供光源设施，将人工安装的光源作为测量的标识物。由于模板的建立对光源的依赖性较强，模板匹配则完全依赖于有光源的模板。当遇到大雾、下雨或者其他的恶劣天气时，该系统的测量精度将难以保证。由于需要在被测处人为安装光源，测量过程将出现众多弊端。比如人们不方便触及到的地方就很难去人为安装光源，测量过程会变得相当麻烦。而且如果要进行多个目标点的位移测量，则需要同时布置多台测量系统(相机、采集控制系统、计算机和光源等)。另一方面，目前的研究多集中在近距离的位移测量，对远距离(1km以外)的位移测量的研究则相对较少。