（计算机应用技术专业论文）基于激光图像测量法的桥梁挠度监测系统稳定性研究.pdf

摘要 桥梁作为现代交通的重要组成部分，确保桥梁在运行阶段的安全性，是全世 界桥梁工程界都关注的一个严峻课题。桥梁挠度能够衡量桥梁结构形变是否超出 安全范围，是评价桥梁安全状况的重要依据。 激光图像测量方法作为一种非接触测量方法，具有测量速度快，测量精度高， 图像包含的信息完整等优点，因此基于该技术所开发的桥梁挠度监测系统已经成 功应用于桥梁监测过程中。与此同时，该技术作为一种新兴的挠度测量技术，所 开发的监测系统应用于实际桥梁监测过程中，测量数据时常会出现不稳定的输出 状态。因此，研究影响系统运行的不稳定因素，保证系统受到外界因素干扰下稳 定工作，将成为今后桥梁挠度监测的一个重要研究方向。 本文从桥梁挠度监测系统稳定性分析的实际需要出发，对影响系统稳定性的 多种因素进行了系统而深入的研究，主要工作和成果如下： 1 针对监测系统设备的不稳定，尤其是振动对激光发射器测量结果的影响， 在分析其如何影响系统稳定性的基础上，通过设计相应的桥梁荷载实验和振动实 验来进一步验证。分别采用图表分析和聚类分析的方法研究实验结果，分析振动 产生的异常值与有效值的区别，为判别系统采集到的异常数据是否为测量有效数 据提供了依据。最后针对振动对激光发射器的作用特点，提出相应的改进措施来 提升系统的稳定性。 2 根据监测系统的原理，在分析干扰光线对监测系统稳定性影响的基础上， 通过对比实验分析干扰光线作用前后系统采集数据的变化，从而说明干扰光线对 系统稳定性的影响并分析是如何作用的；研究数字图像处理技术，采用图像处理 的方法解决主要因素对投射光斑的图像识别和中心点定位的影响。在研究常见图 像识别和定点定位算法的基础上，针对本论文应用的实际情况不同，选取相适应 的算法应用到监测系统之中。 3 结合监测系统所应用的实地监测平台，将传统重心算法和圆拟合算法应 用于程序中，分别对实验采集到的图像进行分析，对比分析在不同光照强度下测 得的数据，推出相应的结论，最后对实验过程中产生的误差和影响测量精度的原 因进行分析。 关键词：桥梁挠度；监测系统；稳定性；振动；聚类分析；干扰光线；图像处理 b r i d g ei st h ev e r yi m p o r t a n tc o m p o n e n ti nm o d e mt r a n s p o r t a t i o n t h es e r i o u s t o p i ct h a tw o r l d w i d eb r i d g ee n g i n e e r i n gp a yc l o s ea t t e n t i o nt o ，i sh o w t om a k es u r et h e b r i d g e sa r es e c u r i t yo nb r i d g eo p e r a t i o ns t a g e a st h ei m p o r t a n tb a s i so fe v a l u a t i o no n b r i d g es a f e t ys i t u a t i o n , b r i d g e d e f l e c t i o nc a nm e a s u r ew h e t h e rb r i d g es t r u c t u r e d e f o r m a t i o ni si nt h er a n g eo fb r i d g es a f e t y a so n eo ft h en o n m e a s u r i n gb r i d g ed e f l e c t i o nm e t h o d ，l a s e r & i m a g ed e f l e c t i o n m e t h o dh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g hm e a s u r i n ge f f i c i e n c y , p r e c i s i o na n di m a g e s i n f o r m a t i o ni n t e g r i t y t h u s ，t h ed e f l e c t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mo fb r i d g e sb a s e do nl a s e r & i m a g em e a s u r i n gt e c h n i q u eh a sb e e nc o n s i d e r e dt ob em e a s u r i n gt o o l i nt h e m o n i t o r i n gp r o c e s so fb r i d g ed e f l e c t i o n m e a n w h i l e ，a san e w l ye m e r g i n gd e f l e c t i o n m e a s u r i n gt e c h n i q u e ，t h em e a s u r e m e n td a t as o m e t i m e sh a sb e e ni nu n s t a b l es t a t ew h e n t h es y s t e mi su s e di nt h em o n i t o r i n gp r o c e s so fb r i d g e sd e f l e c t i o n h o wt om a k eb e t t e r r e s e a r c ht h ei n f l u e n c eo fu n s t a b l ef a c t o r so nt h es y s t e m ，a n de n s u r i n gt h es y s t e mi si n t h es t a b l eo p e r a t i o no nt h ei n f l u e n c eo fe x t e r n a lh c t o r s ，i tw i l lb et h ei m p o r t a n tr e s e a r c h d i r e c t i o no nt h ed e t e c t i o no fb r i d g e sd e f l e c t i o n n l ed i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h er e s e a r c ho ft h ei n f l u e n c eo fu n s t a b l ef a c t o r so nt h e s y s t e m ，b a s e do nt h es t a b i l i t ya n a l y s i sf o rm o n i t o r i n gs y s t e mo fb r i d g e sd e f l e c t i o nf r o m a c t u a lc o n d i t i o n s t h em a i nr e s e a r c hc o n c e r n so nt h ef o l l o w i n gl i s t s ： 1 b a s eo na n a l y s i so fi n s t a b i l i t yi nm o n i t o r i n gs y s t e md e v i c e s ，e s p e c i a l l ym a k i n g s t u d i e so nt h ei n f l u e n c eo fm e a s u r i n gd a t ad u et ov i b r a t i o ne f f e c t ，r e l e v a n te x p e r i m e n t s o f b r i d g el o a da n dv i b r a t i o ne f f e c ta r es p e c i a l l yd e s i g n e dt of u r t h e rp r o v e st h ea n a l y s i s r e s u l t s d i f f e r e n c eb e t w e e nn o r m a lv a l u ea n da b n o r m a lv a l u eb yt h ei n f l u e n c eo f v i b r a t i o ne f f e c ta r ea n a l y z e dt h r o u g hc o m p a r i n gt h ee x p e r i m e n tr e s u l t sb a s e do nt h e m e t h o d so fc l u s t e r i n ga n dc h a r ta n a l y s i s i tw i l lp r o v i d ee v i d e n c ef o rm a k i n gt h e j u d g m e n to nw h e t h e ra b n o r m a ld a t ab ys y s t e ma c q u i s i t i o ni sn o r m a ld a t a a tl a s t , a c c o r d i n gt ot h ea c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fl a s e re m i t t e ra l ei n f l u e n c e db yv i b r a t i o ne f f e c t , i m p r o v e m e n ta d v i c e s a r eg i v e nt oi m p r o v et h es y s t e ms t a b i l i t y 2 a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fm o n i t o r i n gs y s t e m , b a s e do n at h e o r e t i c a l a n a l y s i so f t h ei n f l u e n c eo f i n s t a b i l i t yi nm o n i t o r i n gs y s t e md u et oi n t e r f e r e n c el i g h t , t h e c h a n g e so f t h ed a t ab ys y s t e ma c q u i s i t i o np r ea n dp o s tt h ei n f l u e n c eo fi n t e r f e r e n c el i g h t a r ea n a l y z e dt h r o u g hc o m p a r i n gt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s ，t h u se x p l a i n i n gt h ei n f l u e n c eo f s y s t e mi n s t a b i l i t yd u et oi n t e r f e r e n c el i g h ta n dh o wt om a k ei t t h ep a p e rm a k e ss t u d i e s o nd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ，a n dp r e s e n t st h em e t h o d so ft h ei m a g ep r o c e s s i n gt os o l v e t h ep r o b l e m sb yt h ei n f l u e n c eo fm a i nf a c t o r st oi m a g er e c o g n i t i o na n dc e n t e rl o c a t i o n o fl a s e rs p o t b a s e do nm a k i n gt h er e s e a r c ho nc o m m o na l g o r i t h m s i ni m a g e r e c o g n i t i o na n dc e n t e rl o c a t i o n , a c c o r d i n gt od i f f e r e n c ei na c t u a ls i t u a t i o nw h i c ht h e s y s t e mm a yb ea p p l i e dt o ，t h ea d a p t i v ea l g o r i t h m sa l eb ea p p l i e dt ot h em o n i t o r i n g s y s t e m 3 i nc o m b i n a t i o nw i t ht h ep r a c t i c a ls i t u a t i o no fm o n i t o r i n ge n v i r o n m e n tw h i c h t h es y s t e mi sa p p l i e dt o ，t h ep a p e rp u t st h ea l g o r i t h m so fg r a v i t ym e t h o da n dc i r c l e f i t t i n gi n t ot h ep r o g r a mo fs y s t e m ，a n dm a k e st h es t u d i e so nt h o s ei m a g i n e sb ys y s t e m a c q u i s i t i o n t h r o u g hm a k i n gt h ec o m p a r i s o na n da n a l y s i so nt h ee x p e r i m e n t a ld a t ai n t h ed i f f e r e n c eo f l i g h ti n t e n s i t y , t h ec o r r e s p o n d i n gc o n c l u s i o ni sp r e s e n t e d t h er e s u l t s ， e r r o ra n a l y s i sa n dt h er e a s o n so ft h ei n f l u e n c eo fm e a s u r i n ga c c u r a c ya l eg i v e na tl a s t k e yw o r d s ：b r i d g ed e f l e c t i o n ；m o n i t o r i n gs y s t e m ：s t a b i l i t y ；v i b r a t i o n ；c l u s t e r a n a l y s i s ；i n t e r f e r e n c el i g h t ；i m a g ep r o c e s s i n g 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：禹秀雨 日期：纠，年乒月乃日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行 信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留 在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名： 雨露吊 日期：咖年月少日 指导教师签名：0 渺 日期：帕年年月印日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 学位论文作者签名： 商岛雨 日期：加b 年矽月矽日 指导教师签名：q 献 日期：妒f 年华月沙日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 桥梁是交通运输的枢纽。是国民经济的命脉，在国家经济社会建设中有着举 足轻重的作用，关系到人民生命财产的安全。桥梁作为现代交通的重要组成部分， 在现代社会中正发挥着越来越重要的作用。由于工程结构设计、建造、施工和管 理中的不合理；工程地质、水文地质、水位变化、大气温度、气候和地震等自然 因素：以及桥自身的静载、风力和交通活载等，桥梁不可避免要产生各种内部损 伤和外部变形，甚至断裂、垮塌，对人们的生命财产安全构成了威胁。 近五年来，我国桥梁垮塌事件屡见不鲜，公路桥梁垮塌达数十座，造成大量 生命、财产损失，2 0 0 4 年成都温江三渡水大桥垮塌、2 0 0 4 年辽宁盘锦大桥垮塌事 件、2 0 0 6 年4 月广东深汕高速公路桥梁垮塌、2 0 0 6 年5 月甘肃岷县洮河大桥垮塌 等事件引起了社会的广泛关注。 围l1甘肃螺县洮河大桥垮塌班场 f i 9 11t h e c o l l a p s e f i e l d o f y a o h eb r i d g e 桥梁建设对于社会与经济发展意义重大，确保桥粱在运行阶段的安全性，避 免因桥梁事故而造成一系列人身、财产和社会损失，是全世界桥梁工程界都关注 的一个严峻课题，而针对桥梁可靠性的桥梁安全检测是保证桥梁安全的重要环节。 挠度作为桥梁结构的一个重要参数i l l ，能够衡量桥梁结构彤变是否超出安全范围， 是评价桥梁安全状况的重要依据。 当前各个国家都投入了巨大的人力物力，针对桥梁挠度测量技术进行了广泛 的研究。由于桥梁挠度相对于桥的尺寸来说很小，基本上很难用肉跟来识别桥粱 挠度的变化，必须借助一定的仪器来测量。传统的桥粱挠度测量的仪器有标尺经 纬仪、水准仪、百分表、千分表、加速度计和位移计等。常规方法检测时需要专 2第一章绪论 业技术人员，费时、费力，且开销往往也较大，测量过程中人员安全难以保证， 人为误差大，只能对桥梁的静态挠度进行测量，不能实时了解结构挠度变化，也 不能起到长期监测桥梁挠度变化的作用，无法满足桥梁实时安全保障的需求。 近年来，信息技术的蓬勃发展大大带动了桥梁变形测量技术的发展，涌现了 许多新技术和新方法。计算机视觉测量技术是一种7 0 年代后期发展起来的先进的 非接触式测量方法。基本原理是通过图像传感器把被测目标的影像信息记录下来， 并通过一系列的采样过程( 包括空间量化采样和幅度量化采样) ，把图像信息数字 化后送入计算机，利用计算机对图像进行处理，从而得到所需要的测量信息。随 着计算机图形图像技术、模式识别技术、c c d 技术等学科领域的迅速发展，视觉 测量技术以其测量速度快、高度计算机化及广泛的适应能力而得到越来越广泛的 应用。 激光图像测量方法就是在计算机视觉测量技术基础上发展起来的，作为一种 非接触测量方法，激光图像测量具有测量速度快，测量精度高，图像包含的信息 完整，能实现自动远距离复杂环境下的连续测量，同时也可进行异地电脑终端的 遥测，便于与微计算机连接做成智能仪器等优点，近年来被广泛应用到桥梁挠度 测量和工业生产当中。 与此同时，激光图像测量技术仍被认为是一种新兴的桥梁挠度监测技术，其 相应所开发的系统真正用于桥梁挠度监测的时间只不过数年而已，激光图像桥梁 挠度监测系统应用于桥梁挠度监测，其监测效果的好坏及系统的稳定性都是需要 进一步研究分析。因此，针对该系统的稳定性研究有助于提升系统的整体性能， 通过分析影响系统稳定工作的因素，对系统的相关部分进行改进，有利于提高系 统的抗干扰性以及在外界因素影响下的精准度，更有利于系统在桥梁挠度监测中 进一步推广，对于桥梁健康监测具有重大的经济价值和社会意义。 1 2 桥梁挠度监测系统的构成 1 2 1 硬件装置 系统测量原理如图1 2 所示： 该实验所选用的设备为重庆交通大学研制的桥梁挠度监测系统。桥梁挠度监 测的激光图像系统由激光发射器、半反射投影靶、摄像设备和配置视频采集系统 并预装相应软件的计算机组成 2 1 。 光源：采用高收敛性准直半导体点激光发射器。因为常见的点激光发射器发 射光斑在距离较远时扩散现象较严重，形成散乱、环状的大光斑，所以联系光学 结构设计厂家，将半导体激光器和准直点激光发射结构集成，实现了远距离点激 光汇聚投射，即使相距几百米投射的激光仍然是一个光点，从而实现桥梁挠度远 第一章绪论 距离监测。 成像系统：由半反射投影靶和c c d 摄像设备组成。经过特殊设计的投影靶对 于自然光等干扰光线具有反射或吸收作用，且经过事先标记的投影靶能实现快速 有效的标定：c c d 摄像设备具有良好的抗干扰能力，从采集图像到传输图像，都 有电磁屏蔽措施。c c d 拍摄的图像可用多种图像处理方法处理。在此我们采用了 大面积的面阵c c d ，用它采集点激光发射器投射到标靶的投影，并传输到计算机 终端，结台视频采集卡和相应的软件进行图像的处理。 口板 激光发射器 五 = 示发射光 示反射光束 ，兰三 图1 2 点盎光投射识别式挠度传暮矗工作示意围 f i g i2 t h es c h e m e o f l a s e r p r o j e c t i o n d e f l e c t i o n l n s u a a n e n t 1 2 2 工作原理 激光发射器固定在桥梁的待测点，激光发射器发射激光，向投影面板方向投 射，成像在面阵c c d 的光敏面上，c c d 的信号送到图像采集卡，图像采集卡采集 图像，然后将数据传送到计算机中进行图像处理及计算。当待测点发生位移和振 动时，激光发射器随之发生同样的位移和振动，由激光发射器发射的激光信号投 射到半反射投影靶上所形成的光斑也将随之成比例地发生位移和振动，摄像设备 摄取投影靶上的光斑信号并将信号通过计算机接口传入计算机；计算机软件系统 对采集到的光信号进行光斑位置的运算，并与预先设定的零位移点进行比较，计 算出相对零点的位移大小，并加以处理和存储。 1 3 稳定性及其分析方法的研究现状 1 3 1 稳定性的含义 关于系统稳定性含义的解释有多种说法，通常来说是指当系统处于一种平衡 状态时，如果此时受到外力作用的影响，系统运行过程发生一些变化，但经过一 个过渡过程仍然能够回到原来的平衡状态，我们称这个系统就是稳定的，否则称 该系统是不稳定的。 4 第一章绪论 系统在运行过程中总希望系统处于一种平衡稳定状态一直运行下去，但在实 际的应用系统中，由于系统中存在储能元件，并且每个元件都存在惯性。于是当 给定系统输入即是系统受到外界某种因素影响时，输出量一般会在期望的输出值 之间摆动，此时的系统会从外界吸收能量。对于稳定的系统其振荡是减幅的，而 对于不稳定的系统，振荡是增幅的。前者最终会平衡于一种状态，后者却会不断 增大直到系统被损坏。之所以会产生这样两种情况，主要是与系统的输入有关， 但在实际过程中系统的输入通常有两种：一种是由于实验或测试系统稳定性的需 要而进行的人为输入；另一种是由于系统所处的环境状况不同，外界环境与系统 自身设备之间相互作用所产生的影响，该影响所产生的输入往往是研究系统稳定 性的主要方向，稳定性分析方法通常也是针对影响系统稳定性的因素进行研究分 析。 1 3 2 稳定性分析方法应用于不同领域的研究现状 目前由于各个研究领域的研究方向、研究重点以及实验过程等诸多环节的差 异，使得对于稳定性分析方法没有一个固定的分类模式，但对于系统稳定性的分 析，不同领域的专家和学者所进行研究的主要目的仍是保证系统在受到外界因素 干扰下能维持正常的工作，基于这一原因的考虑，不同领域的专家和学者对于稳 定性分析方法的研究，其重点仍是从分析影响系统稳定性的因素入手，分析影响 系统稳定的主要因素、失稳的学科机制及可能的破坏形式等。 由于不同的研究领域所针对的研究内容不同，因此针对不同领域的稳定性的 评价以及影响稳定性因素的分析过程也有很大的差异性。 边坡稳定性分析方法的研究 目前工程界对岩土工程稳定性的分析方法主要有定性分析方法、定量分析方 法和软计算分析方法。 定性分析方法主要是分析影响边坡稳定的主要因素、失稳的力学机制及可能 的破坏形式等。其要点是对影响边坡稳定的诸多因素进行分析，在大量调查研究 的基础上，根据和本边坡地质条件类似的工程的稳定状况，来评价本边坡的稳定 情况，并推测其未来的稳定趋势。 在边坡稳定性的定量分析方法中，常用的方法有刚体极限平衡法、有限元法、 边界元( b e m ) 法【3 】和离散元( d e m ) 法1 4 】等。 软计算方法是国际上最新发展起来的数学优化方法，软计算方法包含了神经 网络、遗传算法与模糊技术。所谓神经网络是指利用工程技术手段模拟人脑神经 网络的结构和功能的一种技术系统，是一种大规模并行的非线性动力学系统。考 虑到边坡稳定性分析中的不确定性和非线性特征，冯夏庭、夏元友等分别提出了 边坡稳定性的神经网络估计和基于神经网络的岩质边坡稳定性评估系统研究1 5 胡。 第一章绪论 电力系统小干扰稳定性分析方法的研究 对电力系统小干扰稳定性进行分析的方法有很多，根据其所依据的数学模型， 这些方法可以划归为四类，即数值仿真法，特征值分析法、频域分析法和非线性 理论分析法 7 1 。 数值仿真法是电力系统暂态稳定分析研究中广泛采用的方法，理论上也可用 于小干扰稳定性问题的研究。它针对特定的扰动，利用数值积分方法，计算出系 统变量完整的时间响应。 特征值分析法研究电力系统小干扰稳定性问题比较成熟的方法，其主要思路 是通过相应的算法求出特征值，得到系统的相应模式，包括全部特征值方法和部 分特征值方法。 频域分析法主要是通过分析系统的输入输出描述而得出系统输入和输出 之间的关系。假定系统的内部结构信息是未知的，在此假定下，可以把系统看作 一个“黑箱”。显然，我们所能做的只是向该“黑箱”施加各种类型的输入，并且测量 与之相应的输出，然后从这些输入输出中获悉有关系统的重要特性。 随着非线性领域研究的深入，一些专家学者开始把分岔、混沌理论引入电力 系统小干扰稳定性分析的研究。一种方法是用分岔理论把特征值和高阶多项式结 合起来，从数学角度更全面地分析电力系统稳定性。另一种方法则是用混沌理论 来分析系统中的非线性问题，这方面的研究还不成熟。 桥梁挠度监测系统稳定性分析方法的研究 针对桥梁挠度监测系统的稳定性，由于激光图像测量技术仍被认为是一种新兴 的桥梁挠度测量技术，其所开发的系统真正应用于实际桥梁监测的时间也比较短， 国内外针对激光桥梁挠度监测系统稳定性的研究相对来说也比较少，因此对于该 系统稳定性分析方法也未形成一种严格意义上的分类模式，但通过综合分析上述 在不同领域内对稳定性分析方法的研究可知，对于桥梁挠度监测系统稳定性的研 究主要针对以下两个方面。 一方面主要是研究激光图像挠度测量方法，找出与测量方法相关的组件，分析 可能对测量方法及其相关组件产生影响的因素，分清主次，对主要影响因素进行 研究，分析其所产生的作用方式和影响程度，找出用于减轻或消除其影响的策略， 将该策略应用实际的检测过程当中，用来验证策略的有效性，从而提升系统的稳 定性。2 0 0 7 年，蓝章礼f 8 】等人即是在对激光图像挠度测量方法研究的基础上，分 析影响系统稳定性的原因，并提出一系列处理激光光斑图像的应对方法，并通过 实验验证得出较为理想的结果。 另一方面是针对系统的各个组件设备的研究分析，采用先进的技术应用到系统 组件设备之中，用于提高组件的性能，提升系统的稳定性。例如通过采用高收敛 6 第一章绪论 性准直半导体点激光发射器，有效克服常见点激光发射器发射光斑在距离较远时 扩散现象较严重的情况，从而能有效实现点激光远距离汇聚投射，即使相距几百 米投射的激光仍然是一个光点。此外为了验证组件性能提升能否真正提升系统的 稳定性，通常采用现场实验的方法将重新组合后的系统应用到实际环境之中进行 稳定性的验证。2 0 0 4 年，董辉、陈伟民【9 】等人在实验室构建出激光图像挠度测量 系统，并进行了室外和室内稳定实验，实验结果表明该测量系统在室内具有较好 的稳定性和可行性，能够用于具有密封粱体的大型刚构桥梁挠度的测量。 1 4 论文研究的主要内容 在充分比较几种桥梁挠度测量方法特点的基础上，分析激光图像挠度测量 方法的优势；总结系统稳定性的含义，并分析不同领域稳定性分析方法的特点来 进一步说明稳定性研究的重要意义。 通过研究激光图像挠度测量方法的原理，分析影响激光图像挠度监测系统 的多种因素；其中包括外界环境因素如大气湍流、雨雾对传输激光的影响，以及 系统组成设备自身性能分析等；重点研究振动和干扰光线对测量系统的影响。 针对监测系统设备的不稳定，尤其是振动对激光发射器测量结果的影响， 在分析其如何影响系统稳定性的基础上，通过相应的桥梁荷载实验和振动实验来 进一步验证。分别采用传统分析和聚类分析的方法研究实验结果，分析振动产生 的异常值与有效值的区别，为判别系统采集到的异常数据是否为测量有效数据提 供了依据。最后针对振动对激光发射器的作用特点，提出相应的改进措施来提升 系统的稳定性。 根据监测系统的原理，在分析干扰光线对监测系统稳定性的影响基础上， 通过对比实验分析干扰光线作用前后系统采集数据的变化，从而说明干扰光线对 系统稳定性的影响并分析是如何作用的；研究数字图像处理技术，采用图像处理 的方法解决主要因素对投射光斑的图像识别和中心点定位的影响，在研究常见图 像识别和定点定位算法的基础上，针对本论文应用的实际情况不同，应用相适应 的算法到监测系统之中。 结合监测系统所应用的实地监测平台，将传统重心算法和圆拟合算法应用 于程序中，分别对实验采集到的图像进行分析，对比分析在不同光照强度下测得 数据，推出相应的结论，最后对实验过程中产生的误差和造成精度影响的原因进 行分析。 第二章激光图像挠度监测系统的稳定性分析 7 第二章激光图像挠度监测系统的稳定性分析 如前所述，监测系统采用由c c d 摄像装置沿投影标靶上点激光运动的移动视 觉测量方法实现投影光斑的有效识别。用高分辨率面阵c c d 成像，通过图像采集 卡采集图像，然后将数据传送到计算机进行图像处理及计算。这样所构成的监测 系统检测速度较快、精度较高，可以有效地实现对桥梁挠度的测量，分析桥梁挠 度的变化，从而保证桥梁的安全运行。系统测量方法示意如图2 1 所示。 图2 1 系统测量方法示意图 f i g2 1 t h es c h e m eo fs y s t e mm e a s u r i n gm e t h o d 前述针对激光图像挠度监测系统的构成和工作原理已经进行了深入分析，认 为监测系统稳定性的研究应主要从系统的组成设备入手，系统构件由于受到外界 因素的影响造成系统运行出现不稳定状态，于是系统的稳定性分析过程主要是分 析外界因素对系统组件造成的影响。 综合分析测量组件和工作原理可知，系统运算的最终结果是程序计算分析摄像 装置采集的数据所得，于是采集数据的精准性直接影响到最终的结果；然而系统 所采集的数据是通过识别投射面板上的激光光斑所得，投射光斑的有效识别即成 为研究监测系统稳定性的主要出发点，因此监测系统稳定性的分析过程即是综合 分析影响投射光斑能否有效识别的多种因素的过程。在下述章节中，分别从以下 两个角度来进一步研究系统的稳定性：一是影响激光束传输的环境因素：二是影 响系统组件的干扰因素，主要针对振动和干扰光线的影响。 2 1 大气湍流对传输激光束的影响 在激光传输、激光通信和激光测距等许多领域中，关于大气湍流的影响是必 须要考虑的问题。当激光在大气湍流中传输时可能会产生光强起伏、光束漂移和 光束扩展等现象，下面就针对这些现象进行分析。 2 1 1 光强起伏【1 0 l 光强起伏( 或称大气闪烁) ，通常定义为激光传播一定距离后，在投影探测面 阵上光密度随空间和时间上的变化。这种信号的起伏是由激光在传播时，沿途温 度变化而引起大气折射率变化的缘故。于是，这种信号的起伏往往使得光束产生 随机的闪烁，影响投射标靶上图像中心点的精确定位。 8 第二章激光图像挠度监测系统的稳定性分析 大气信道各部分就像棱柱和透镜，如果在湍流大气中与光源相距一定距离处 测量光的强度，会出现光强i 随时间围绕平均值 作随机起伏的现象。由于光强 起伏通常是影响作用于大气环境中系统性能的一个重要参量，因此人们希望能够 预测到光强起伏的大小。然而当前光强起伏的理论和实验研究一般主要集中在弱 起伏和强起伏条件下闪烁概率密度的研究上。 激光在湍流大气传播过程中的强度起伏一直是波在随机介质中传播研究的一 个重要问题。研究表明：在弱起伏条件下，强度起伏的概率密度分布服从对数正 态分布( 亦即对数强度服从正态分布) ，在强起伏条件下则服从指数分布。 事实上，人们通常根据概率分布的最大似然性原理就能获得一种简单的分布 形式，它可以方便地从实验数据中拟合出来。然后以正态分布为标准、用实际概 率分布的偏斜度和陡峭度来描述它与正态分布的偏差，就能获得实际概率分布的 较为清晰的图像【l 。 在大量实验数据分析的基础上，发现大部分实验基本上都满足弱起伏条件， 激光对数强度起伏的概率分布一般都接近正态分布。但在某些情况下，对数强度 的概率分布明显偏离了正态分布【1 2 】。这种偏离可通过概率分布的偏斜度和陡峭度 清楚地表现出来。概率分布的偏斜度y l 和陡峭度托分别定义为： yl = 3 u2j z ，托= g j g z 2 3 ；偏斜度反映了概率分布相对于均值的非 对称性。如果概率分布对于均值是对称的( 如正态分布) 则偏斜度为零，反之则 偏斜度不为零。如果偏斜度为负，则意味着，低于均值的事件出现的概率小于高 于均值的事件出现的概率，但低于均值的事件与均值的绝对偏离却要大于高于均 值的事件与均值的绝对偏离；反之亦然。陡峭度反映了概率分布相对于正态分布 的集中程度，如果陡峭度为正则概率分布比正态分布更为集中，反之则比正态分 布发散。 2 1 2 光束漂移 大气湍流不仅能够影响光强的起伏，同时也可以引起光斑漂移和光束扩散， 其中使得光斑漂移的主要原因是由于大尺度涡旋折射率的作用。如图2 2 所示i i 引， 假如取定一个足够短的观察时间进行观察，在接收平面上，我们可以看到一个直 径为麒的被加宽了的光斑被折射而偏离了一个距离凤。 如果观察时间足够长，则由于光斑的随机游动，我们将观察到一个均方直径 为( 见2 ) = ( 成2 ) + ( 成2 ) 的大光斑如图2 3 【1 3 】。我们称( 肛) 为短期平均光斑半径，( 见) 为长期光斑半径，( 成) 为平均束漂移量。“短期”和“长期”的时间判据是z x t = o ，。 d 是光束直径，v 是横向风速。当观察时间小于出时，我们得到短期的观察效果， 而当观察时间大于出时，则得到长期观察效果。& 的量级在0 0 5 秒左右。 扩敬后的光斑 理想光斑 图2 4 光斑扩散示意图 在接黼 i 机谳f 鑫i g 著2 4 嚣t h eschem勰e o f s p o t d 麓i f f i j s i o n 勰蒜 l o 第二章激光图像挠度监测系统的稳定性分析 再十分严重。因此，长曝光像将是模糊了的短曝光像，它们的总直径近似相等。 长期光束扩展满足下述近似规律【1 4 】： l = 南+ a 0 2 ”手) 2 + 6 6 z3 ( 1 一孝) 2 c n 2 ( 孝z 矽孝 o ，。1 3 式( 2 1 ) 上式前两项为真空扩展，而最后一项为湍流扩展。 在弱起伏条件下，光束经大气传播后，光斑等效半径增大，被湍流扩展后的 短时和长时光斑的空间分布仍然服从高斯分布。在强起伏条件下则会出现严重的 光斑破碎现象，通常意义下的扩展概念已不能反映光斑的真实情况，因此强起伏 条件下的短曝光光斑扩展已经不具有什么意义了。 2 2 大气中雾和气体杂质对脉冲激光传输的影响 2 2 1 大气传输的基本特性 对于大气的组成，简言之主要包括洁净的大气、水汽、气溶胶等。电磁辐射 在大气中传输时将与大气发生互相作用，大气的吸收和散射效应将导致辐射衰减， 使得辐射强度、频率、传播方向及偏振状态发生变化。 2 2 2 雾的产生机理【1 5 】 近地面的大气中充满着各种各样的气溶胶粒子，当大气中水汽含量达到过饱 和状态时，水汽就有可能在气溶胶质粒上凝聚成水滴或冰晶，这些漂浮在空气中 的水滴或者冰晶就称为雾。 雾的存在会降低空气的能见度使视力受阻，视野模糊。当能见度在1 1 0 k m 之 间称为轻雾或者霭。如果在空气中有烟、尘等微粒子存在，也能使大气混浊，视 野模糊，能见度恶化。当这种固态微粒所组成的气溶胶体系统，使水平能见度小 于l o k m 时称为攫。霆不同于雾，虽然也使得能见度降低，但空气中水汽的含量小， 主要是尘埃固体颗粒，相对湿度也不大，而雾中的水汽含量基本是饱和的。 2 2 3 大气对脉冲激光的吸收特性 大气对于光信号的能量吸收，主要原因包括两方面，一方面是由于大气中光 信号的能量衰减；另一方面是自身辐射有光的背景干扰。 大气衰减( 消光) 包括分子与气溶胶的吸收和散射。大气吸收与散射是造成光束 能量衰减的主要因素。大气衰减的程度与大气条件、辐射波长和在大气中传播的 距离有关。在干净的大气中，大气衰减取决于空气密度和光通过的大气层厚度。 当大气中有气溶胶粒子以及云雾粒子群时，其衰减作用增强很大。 在紫外、可见光和红外光谱区，水汽、二氧化碳、臭氧和氧气是大气的主要 第二章激光图像挠度监测系统的稳定性分析 l l 吸收气体。此外，大气还含有称为微量成分的、对所讨论的波长区域也有吸收的 气体，如一氧化碳、甲烷和一氧化氮等。水汽主要的吸收带在远紫外区( 波长小于 0 1 8 6 0 p m ) 和红外区以及在o 7 2 p r o 的可见光区。 不同的气体对光的吸收带都不一样，大气透过率高的光谱区称大气窗口，对 于遥感应用和大气能量收支研究来论，窗区和带区同等重要。在激光雷达或者无 线光通信中，要尽量利用窗口区波长的光，减少吸收带来的能量衰减和接受信号 的困难。 2 2 4 大气对脉冲激光的散射特性 当激光在大气中进行传输时，可能会遇到大气中悬浮的固态和液态的气溶胶 粒子，会跟这些粒子产生作用，从而会使光在空间上重新分布，除原来的传输方 向之外，其他方向也会有辐射发出，即也能从其他方向看到光，这种现象即叫做 散射想象。 在大气中传输的激光不仅会受到大气的吸收作用，同样也可能受到大气的散 射作用。散射光的强度主要与入射光的强度、入射波长、散射粒子等的物理性质 有关。通过研究分析可知，大气对激光的散射作用根据波长与散射粒子粒径的大 小关系可分为瑞利散射( 分子散射) 和米氏散射。 在研究大气对脉冲激光的散射作用过程中，逐步形成了单次散射和多次散射 理论。 单次散射理论【1 6 1 1 1 7 】 散射粒子之间距离比较大，光与其中一个粒子作用，可以不用考虑其他粒子 对其作用的影响，这种情况即属于单粒子散射。通常认为，粒子间距3 倍于粒子 直径【1 6 1 。 单散射的过程比较简单，但是有其适用范围。当反照率矾= 1 时( 即粒子是无 吸收) ，光学厚度y z 0 ，则有以下几种类定义【2 6 】。 1 若g 中任意两个元素蜀、g ，之间的距离不大于阈值，即有叱丁，则称g 为类。 2 若g 中的任意一个元素g ；，它与其他元素间的距离均值不大于阈值，即有 1 一 吉。互略丁，则称g 为类。 3 对g 中的任意一个元素舀，总存在另一个元素g j ，它们的距离不大于阈 值，即有d 。，t ，则称g 为类。 从上述定义来看，它们都是定义类的方式都是通过限制元素间的距离，只是方 法有所不同，其中第一条定义要求最高。 3 5 6 主要聚类分析方法 在聚类分析的研究领域内，已经涌现了大量经典或流行的算法。不同的聚类 算法是根据应用所涉及的数据类型、聚类的目的以及具体应用要求而设计的。现 今主要聚类算法大致分为五种 2 7 1 ：划分方法、层次的方法、基于密