（光学工程专业论文）大跨度桥梁变形自标定图像测量技术研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 变形是评价桥梁安全和健康状况最直观、最常用的参数之一，因此桥梁变形 测量是桥梁健康监测的重要内容之一。大跨度桥梁跨度大，变形可达米级，常规 技术不易满足大变形测量的要求。而图像测量技术测量范围大，成本低，能够用 来测量大跨度桥梁的变形。因此，研究大跨度桥梁变形图像测量技术具有重要的 实用价值和现实意义。 首先介绍了目前桥梁变形测量的主流技术，分析了几种新技术。图像测量技 术因其独特的特性而最有可能在大跨度桥梁变形测量中得到普及。综述了国内外 桥梁变形图像测量技术的研究现状，提出了本论文的研究目的和主要研究内容。 根据理想光学系统的成像原理，阐述了大跨度桥梁变形图像测量系统的工作 原理，进而提出了新的标定方法自标定。自标定技术有效解决了工程应用中 由于外界环境影响而造成的放大倍率不能准确测量的问题，提高了系统的抗干扰 能力，并且简单、准确、省时、省力。另外为了分析系统各部分对成像质量的影 响，给出了系统的调制传递函数。 探讨了大跨度桥梁自标定图像测量系统的设计原则，以指导设计性价比较高 的硬件系统。并根据一具体设计目标，构建了测量系统的硬件部分。 鲁棒性好和精度高的识别定位算法是图像处理的核心。大桥梁变形测量多是在 野外进行的，场景非常复杂，环境光变化剧烈。光标几何形状特征变化较大，因 此不宜采用基于特征的模式识别法识别光标区域。提出了模板匹配和灰度重心法 相结合的识别定位算法，实现了光标像斑的亚像素定位。 在w i n d o w s2 0 0 0 环境下，基于m a t r o xm i l - l i t e7 5 软件包，采用v i s u a lc + + 6 0 开发了大跨度桥梁变形自标定图像测量软件，可实现二维位移的静态、动态测量。 根据大跨度桥梁变形的特点，缩小了模板匹配的搜索区域，提高了搜索速度：采 用双缓存异步图像采集方法，增强了动态测量的实时性。 搭建了实验平台，进行了静态测量实验和长期漂移实验。结果表明该系统精 度高，漂移小，量程可达1 米，能够满足大变形测量的要求。不仅可用于大跨度 桥梁变形测量，亦可用于大坝、建筑等大型土木结构的变形测量，成本低廉，具 有较强的推广价值。 关键词：变形，自标定，图像，测量，大跨度桥梁 本研究受2 0 0 2 年国家科技攻关引导项目( 2 0 0 2 b a l 0 5 c ) 资助。 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t d e f o r m a t i o ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r a m e t e r sd e s c r i b i n gb r i d g e ss a f e t ya n d h e a l t h s od e f o r m a t i o nm e a s u r e m e i l ti st h ek e yo f b r i d g e ss a f e t ya n dh e a l t hm o n i t o r i n g l a r g ed e f o r m a t i o no fl o n gs p a nb r i d g e sd e m a n d s m e a s a e m e n tt e c h n o l o g yw i t hl a r g e r a n g e g p s ( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) t e c h n o l o g y , t o t a ls t a t i o nt e c h n o l o g ya n di m a g e t e c h n o l o g yc a r lb eu s e dt oa u t o m a t i c a l l ym e a s u r et h el a r g ed e f o r m a t i o no fl o n gs p a n b r i d g e s b u ti m a g et e c h n o l o g y w i t hl o wc o s ti st h em o s te c o n o m i c a lm e t h o d i nt h i sd i s s e r t a t i o nt h ei m p o r t a n c eo fd e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n ti sa n a l y z e d t h e p r i n c i p l e o fd e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n to f1 0 n g s p a nb r i d g ei m a g et e c h n o l o g y i s e x p l a i n e d a n o v e ls e l f - c a l i b r a t i o nm e t h o di sp r o p o s e d i nc o m p l e x b a c k g r o u n d ，o b j e e tr e c o g n i t i o na n d l o c a t i o na l g o r i t h mw i t h h i 曲s t a b i l i t y a n d h i 曲a c c u r a c y i st h e k e y o fd e f o r m a t i o n m e a s u r e m e n t s u b - p i x e l l o c a t i o n t e c h n o l o g y i sr e s e a r c h m o d e r e c o g n i t i o n c a r l tb eu s e dt or e c o g n i z eb e c a u s eo f u n s t a b l e s h a p ep a r a m e t e r s t h er e c o g n i t i o na n dl o c a t i o na l g o r i t h m si n t e g r a t i n gg r a yg r a v i t y c e n t e rw i t h t e m p l a t e m a t c hi sp r o p o s e d t h es o f t w a r eo fd e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e mi s d e v e l o p e dt om e e td i f f e r e n t d e m a n d s f u n c t i o ns y s t e mi s d e s i g n e d m a i nf u n c t i o nm o d u l ea n dc h i l d f i m c t i o n m o d u l ei si n 付o d u c e d ，b a s e do nd i r e c tm e m o r ya c c e s sa n da s y n c h r o n o u sb u f f e r i n g m e t h o do f m a t r o x i m a g i n gc a r d ，r e a l t i m eg r a b b i n ga n dp r o c e s s i n g a r er e a l i z e d t ot e s ta n dv 商f yt h ef e a s i b i l i t ya n dp e r f o r m a n c eo fd e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n t s y s t e mw i ms e l f - c a l i b r a t i o ni m a g e s t a t i ce x p e r i m e n ta n dz e r od r i f te x p e r i m e n ta r e c a r r i e do u ti n d o o ra n do u t d o o r e r r o rs o u r c ei s a n a l y z e d d a t aa r ep r o c e s s e d r e s u l t s s h o wt h a ts y s t e mc a l ld y n a m i c a l l ym e a s u r et h el a r g ed e f o r m a t i o no f l o n gs p a nb r i d g e s i nl o wc o s t t h es y s t e mc a l lb eu s e dt om e a s u r e m e n tn o to n l yb r i d g e sd e f o r m a t i o nb u t a l s ol a r g es t r u c t u r e s d e f o r m a t i o n k e y w o r d s ：d e f o r m a t i o n ，s e l f - c a l i b r a t i o n ，i m a g e ，m e a s u r e m e n t ，l o n g - s p a nb r i d g e s e r t h ep a p e ri sf i n a n c i a l l ys u p p o r t e db yt h eg u i d i n gp r o j e c to fc h i n as c i e n c e t e c h n o l o g ym i n i s t r y ( n o 2 0 0 2 b a l0 5 c ) 重庆大学硕士学位论文i 绪论 1绪论 1 1 桥梁变形测量的重要性和现有技术 1 1 1 桥梁变形测量的重要性 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，关系人民生命财产的安全。普查显示，到2 0 0 1 年底，全国共有公路 桥梁2 8 4 万座，其中特大桥1 5 8 0 座，长江上已修建有公路桥梁4 5 座，黄河上有 6 8 座川。由于桥梁设计、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e ”。另外，桥梁结构设计越来越新颖，跨度越来越大；采用 新材料，桥将越来越轻越柔：经济的发展，使桥梁的负载越来越重。目前世界上 跨度在1 0 0 0 m 以上的悬索桥和跨度为4 5 0 m 的斜拉桥各有1 5 座【3 ，并且这一记录 不断刷新。因此，桥梁的安全性、耐久性已成为人们日益关心的话题，特别是柔 性很强、投资巨大的大跨度桥梁。桥梁健康监测的参量主要有变形( 位移) 、温度、 振动、应变、索力等。桥梁变形分为水平位移和垂直位移。水平位移是指桥梁在 上下游方向的水平位移，也就是横向水平位移。垂直位移即桥梁挠度，桥梁上某一 横截面处形心在垂直于轴的方向发生的纵向线位移的大小【4 】。各种因素对桥梁性 能的影响最终要体现在桥梁变形上，一般桥梁的变形曲线为抛物线或抛物线的叠 加，只需要某些点的变形就可近似得到桥梁的整体变形曲线，因此桥梁外部变形 ( 位移) 是评价桥梁安全和健康的最直观、最重要、最常用的指标之一。 1 1 2 主要测量技术分析 桥梁变形测量包括沉降测量，倾斜测量和位移测量。按变形的大小和时间，分 为静态测量和动态测量。静态测量是测量地基下陷，倾斜和应力松弛等变化很慢 的变形。动态测量是测量由于风、温度、地震及交通负载引起的短期变形。按测 量范围分为整体变形测量和局部变形测量。局部变形监测是为了监测桥梁内部的 材料特性。整体变形监测是监测桥梁的整体( 桥面、索塔) 变形状况和趋势。 各个国家都投入了很大的人力物力，进行桥梁变形测量技术的研究。从桥梁的 诞生到知识大爆炸的今天，涌现了许多用于桥梁位移挠度测量的方法和仪器。传 统的桥梁变形检测的仪器有百分表、千分表、加速计、水准仪、经纬仪等。目前， 这些仪器在桥梁验收、定期检测中仍然广泛使用，但是需要专业技术人员，费时、 费力，人为误差大，远远不能实现在线、实时、自动、智能测量。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 重庆大学硕士学位论文1 绪论 法，如表1 1 所示。然而，大跨度桥梁多为斜拉桥和悬索桥，跨度可达2 0 0 0 m ，其 垂直位移可达米级，要求测量的精度在厘米级。虽然能连通管、激光挠度仪和倾 角仪能实现亚毫米的位移测量，但是量程仅能达到2 0 c m ，不能用于大跨度桥梁大变 形的测量。全站仪，能实现桥梁多点三维位移的高精度测量，广泛应用于旌工测 量和定期检测。但是各个测点测量不同步，价格很高，如果对监测桥梁整体变形， 就需要很多台全站仪，费用很高。随着g p s ( g l o b a l p o s i t i o ns y s t e m ) 技术的发展和 精度的不断提高，近年来在国内外的某些大跨桥桥梁上采用g p s 技术实现了桥梁 整体变形测量，如香港青马大桥、汲水门大桥和汀九大桥陋j 等。但是g p s 高昂的 价格和厘米级的精度大大限制它的桥梁变形监测中的应用。总之尽管g p s 和全站 仪能实时、在线、自动地测量大跨度桥梁的大变形，但是其高昂的费用，大大限 制了它们的应用。 表1 1 新型桥梁变形测量技术比较 t a b l e1 1 c o m p a r i s o no f s e v e r a ln e w m e t h o do f d e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n t o f b r i d g e s r 性能 精度 量程动态采维数环境影响单点 1 力纭 样频率费用 液位连 0 1 m m高达2 1 6 m m 丘 其中f = d 埘，d 为通光口径，z 为非相干光波长，f 为像距。桥梁变形监 测中，由于待测点和基准点距离较远，达上百米，甚至数公里，要达到很高的分辨 率，需采用长焦镜头。 2 5 3 摄像机的调制传递函数 c c d 传感器是由像素矩阵与相应转移部分组成的。固态的像素尽管已做得很 小，并且其间隔也很微小，但是，这仍然是识别微小图像或再现图像细节细微部 分的主要障碍。图像传感器的m t f 。由3 部分组成：1 ) 由光敏元尺寸引起的光积 分m t f i ；2 ) 由于转移效率引起的m t f 。；3 ) 相邻光敏元之间的光学串扰引起的 m t f d 。其计算表达式可通过解析式求得 2 4 。一般c c d 摄像机说明书只给出光敏 元大小、光敏元间距和转移效率等参数，c c d 的硅衬底底扩散距离和势阱深度很 难知道，认为m t f d = 1 。则摄像机的调制传递函数为 肘7 e = 崛肘7 e( 2 2 0 ) 本章小结 本章首先简单介绍了理想光学系统成像原理，阐述了大跨度桥梁变形图像测 量技术的工作原理，提出了自标定技术。自标定技术有效解决了工程应用中由于 外界环境影响而造成的放大倍率而不能准确测量的问题，提高了系统的抗干扰能 力，简单、准确、省时、省力。讨论了影响系统分辨率和测量范围的主要因素。 为了分析系统整体的分辨率，给出了系统的调制传递函数。 1 4 重庆大学硕士学位论文3 大跨度桥梁变形自标定图像测量系统硬件设计 3 大跨度桥梁变形自标定图像测量系统硬件设计 3 1 设计指标 大跨度桥梁多为悬索桥和斜拉桥，跨度大，可达千米；柔性好，变形范围可 达米级。因而，为了满足大跨度桥梁变形测量的实际要求，测量系统要达到如下 目标：在测量距离为2 0 0 m 时，测量范围l 米：分辨率优于l c m ；动态测量频率 达1 0 h z ；安装方便，成本相对低廉。 3 2 硬件设计的原则 3 2 1 照度匹配 2 5 】 变形测量系统是成像测量系统。首先光标通过光学系统成像在图像传感器的 芯片上。因 此光标靶光源的照度要和图像传感器的感光特性匹配。图像传感器是积分器件， 其输出电流信号即和图像在光敏面上的照度有关，也和积分时间有关。若以，代表 其输出电流，e 代表光敏面的照度，f 为时问间隔，则在正常工作范围内有： ，= k e t ( 3 i ) 其中，k 为比例常数；q = e t 称为曝光量，其单位为l x s 。 对于既定元件，其曝光量应限制在一定范围之内，其上限为饱和曝光量。而 桥梁变形测量系统是以光度测量为基础的，因此光敏面上任何光敏单元的曝光量 均应大于q 。否则，将产生画面亮度失真，或产生较大的测量误差。 因为q = e t ，所以可通过适当选择合适的发光物体和曝光时间，来达到q q 。 因此要求光敏面上任何点的照度应满足 e 坠 r 3 2 、 f 发光特性接近余弦辐射体的物体经光学系统成像，其轴上像点的照度反。轴 外像点照度e 可以用下列两式表示： 反= ( 兰) 2 k z r l s i n 2 u ( 3 3 ) 仃 e = e j c o s 4 ( 3 4 ) 式中，n ，行分别为光学系统的像方和物方介质的折射率；丘为光学系统的 透过率；l 为光标靶光源的照度；v 为像方孔径角；6 0 为所考虑点的视场角。对 重庆大学硕士学位论文3 大跨度桥梁变形自标定图像测量系统硬件设计 于大跨度桥梁变形测量系统，测量距离远，要达到很高的分辨率，必须使用长焦 镜头，可以认为s i n u z d 2 f ，则轴上像点的照度为 反= 等( 封 n s ， 式中d 是光学系统的通光口径，厂是光学系统的焦距，镜头的光圈f = 冬。 另外如果照度太低，光电转换的光电流就会太低而无法测出。因此，光标像 斑在摄像机像面上的照度必须要大于光敏面的灵敏阈。假如光标光源的亮度上，摄 像机的灵敏阈晶，饱和曝光量如：和镜头的光圈f 应满足下式 吣筹 - i 0 0 0 则，8 9 8 6 m m 翱星巨l = 2 0 0 m ( 3 7 ) 如图3 2 所示，可见焦距越 图3 2 垂直方向视场大小和焦距之间的关系 f i g3 2t h e r e l a t i o nb e t w e e nv e r t i c a lv i e wf i e l da n df o c u sl e n g t h ( 3 8 ) 因此由3 1 4 式和3 1 5 式知，焦距必须在1 5 6 r a m f 8 9 8 6 r a m 取。在满足量 程要求的前提下，尽可能提高分辨率，最终采用mc 3m 一5ca 5 0 0 f 8 反射镜 头。该镜头后面加一负透镜，把镜头的主平面前移，便可用较短的镜体获得镜体 获得长焦距的效果，使镜头的重量大大降低，其主要参数如表3 2 所示。 表3 2 mc3 m 一5 ca 主要技术参数 t a b l e3 2m c3 m - 5 c ak e yf e a t l 2 r e s f o c a ll e n g t h ( m m )5 0 0 m a x i m u m a p e r t u r e 1 ：8 a n g l eo f v i e w , d e g 5 m i n i m u m f o c u s i n gr a n g e ( m ) 4 w o r l n gd i s t a n c e ( m m ) 4 5 5 c a m e r am o u n tt h r e a dm 4 2 1 o v e r a l ld i m e n s l o r t s ( m m )0 8 3 m a s sk g ( m a x )0 6 2 2 0 重庆大学硕士学位论文3 大跨度桥梁变形自标定图像测量系统硬件设计 3 r 3