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数字散斑相关技术及在结构监测中的应用 中文摘要 数字散斑相关技术及在结构监测中的应用 中文提要 本文针对桥梁、桩基等在役结构监测的霈要，主要研究计算机图像 处理技术在数字散斑测量上的应用，包括激光散斑和自光散斑两个方 面。本文主要内容如下： 1 在白光散斑方法和数字相关方法的基础上，详细分析了远距离斜 光轴成像时，像模糊和成像位置变化对自光数字散斑相关方法的影响， 并给出了像模糊和成像位置变化产生的误差理论公式。提出使用参考测 量技术克服斜光轴成像位置变化带来影响，给出一种新的远距离斜光轴 高精度测量面内位移的方法，并给出该系统的灵敏度、精度。 2 ，提出数字散斑相关技术自动定标的新方法，及测量控制过程。该 方法可以在计算机自动控制下精确的测量光学系统的放大系数。 3 研究激光数字散斑逐点分析法对结构的全场检测，用c c d 直接 采集散斑图并由计算机进行处理，并与数字阵列相关方法互相补充，增 强了逐点法的精确性、实用性。 4 在w i n d o w s 系统下用c + + 和m a t i a b 语言建立一个开放的数字散 斑测量、处理系统，为开展数字散斑测量研究提供了开放式软件平台。 本软件的开放性。可以快速构建散斑测量技术所需的控制程序。 关键词：数字敖斑，图像处理，相关算法，扰度，开放系统 作者：陈大庆 指导教师：顾济华 f 数字散斑相关技术及在结构监测中的应用 英文摘要 d i g i t a ls p e c k l ec o r r e l a t i o nt e c h n i q u e a n di t sa p p l i c a t i o ni nm o n i t o r i n g s t r u c t u r e a b s t r a c t t h i sp a p e rd e s c r i b e dm a i n l yad i g i t a l i m a g ep r o c e s s i n g t e c h n i q u ei na p p l i c a t i o no fd i g i t a l s p e c k l em e a s u r e m e n t ， i n c l u d i n gl a s e rs p e c k l ea n dw h i t eli g h ts p e c k l em e t h o d ，i no r d e r t om o n i t o r i n gs t r u c t u r ei ns e r v i c e - - b r i d g ea n dp il ef o u n d a t i o n ， e t c t h em a i nc o n t e n t so ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s 1 b a s e do nw h i t el i g h ts p e c k l em e t h o da n dd i g i t a ls p e c k l e c o r r e l a t i o nm e t h o d ，t h i st h e s i s i n v e s t i g a t e d i nd e t a i lt h e i n f l u e n c e so fi m a g eb l u r r i n ga n dt h ec h a n g eo fi m a g e sp o s i t i o n o nw h i t e1 i g h td i g i t a ls p e c k l ec o r r e l a t i o nm e t h o di nt h ec a s eo f s l a n to p t i c a la x i s ，a n dt h ef o r m u l ao fe r r o rt h e o r e t i c a lw e r e g i v e n t oe l i m i n a t et h ei n f l u e n c e s o fi m a g eb l u r r i n ga n dt h e c h a n g e o f i m a g e sp o s i t i o n ，t h er e f e r e n c em e a s u r e m e n t w a s i n t r o d u c e da n dan e wh i g hr e s o l u t i o nm e t h o do fm e a s u r i n gi n p l a n e d i s p l a c e m e n ti nt h ec a s eo fs l a n to p t i c a la x i sw a sd e s c r i b e d t h e s e n s i t i v i t ya n dp r e c i s i o no ft h i sp r o c e s s i n gs y s t e mw e r eg i v e n 2 an e wa u t o m a t i ci m a g ec a l i b r a t et e c h n i q u eb a s e do nd i g i t a l i i 数字散斑相关技术及在结构监测中的应用英文摘要 s p e c k l ec o r r e l a t i o na n de x p e r i m e n tp r o c e s sw a se x p o u n d t h i s m e t h o dc a r lm e a s u r ea c c u r a t e l yo p t i c a ls y s t e m sa m p l i f i c a t i o n c o e f f i c i e n tu n d e rt h ea u t o m a t i o nc o n t r o lo fc o m p u t e r s 3 ，aw h o l ef ie l dt e s t i n gt e c h n i q u eb a s eo np o i n t w i s ea n a l y s i s m e t h o do fl a s e rd i g i t a ls p e c k l eh a sb e e np r e s e n t e d s p e c k l ei m a g e w a sg a t h e r e db yc c da n dc a l c u l a t e db yc o m p u t e rd i r e c t l y d i g i t a l s p e c k l ea r r a yc o r r e l a t i o nm e t h o dw a su s e dt oi m p r o v ei t sp r e c i s i o n a n dp r a c t i c a b i l i t y 4 a no p e n e n d e ds y s t e mf o rd i g i t a ls p e c k l em e a s u r e m e n th a s b e e ni m p l e m e n t e du s i n gcp l u sp l u sl a n g u a g ea n dm a t l a bl a n g u a g e u n d e rw i n d o w so p e r a t i o ns y s t e m t h i ss o f t w a r e s u p p l i e d a n o p e n e n d e dp l a t f o r mf o rd i g i t a l s p e c k es t u d y w ec a ng e tt h e s p e c k l em e a s u r e m e n tp r o g r a mr a p i d l yi nt h eo p e n e n d e ds y s t e m k e y w o r d s ：d i g i t a ls p e c k l e ，i m a g ep r o c e s s i n g ， c o r r e l a t i o n a l g o r i t h m ，f l e x i b i l i t y ，o p e n e n d e ds y s t e m i i i w r i t t e nb yc h e nd a q i n g s u p e r v is e db yg uj i h u a v 7 8 1 3 9 4 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提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，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。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。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：圈：厶么日期：醴生：! 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括千u 登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名： 导师签名： 池日期：尘! 垒二兰 日期：2 塑。! ? 数字敞斑相关技术及在结构监测中的应用 第一章引言 第一章引言 1 1 散斑测量技术概述 对于散斑现象，人们是早已熟悉的，但只是在激光问世以后，才有 深入的理解和新颖的应用。当一束激光照射到粗糙面或不均匀媒质而在 粗糙面前方空间形成的随机分布的光强场，这些光强场的亮斑与暗斑的 分布是杂乱的，因此称为散斑“1 。产生散斑有两个必要条件，一是粗糙表 面的深度必须大于波长，二是入射光的相干度要足够高。 由于全息术只能应用在光滑的有规则的表面，后来在分析物面的变 形与振动时，逐渐发展到任意形状的粗糙表面。而全息术要求高分辨率 底片，用二次曝光方法来研究物体变形时，全息方法得出很多不必要的 信息，例如得出了物体的形状与反射率等信息“1 。为克服这些缺点，人们 希望寻找出一种能直接反映测量位移的非全息方法，于是散斑干涉等技 术应运而生，而且迅速发展起来，成为具有实用价值的一种新技术。t 9 ( 8 年，阿其伯德( e a r c h h o l d ) 和尹诺斯( a e e n n o s ) 最先对散斑现象作 出了深入的研究，并最早提出了利用散斑现象测量物体表面位移”h “。散 斑计量术主要有激光散斑照相n 1 、双光束激光散斑干涉术岫1 、部分相干光 散斑干涉术阳h 州和人工散斑( 俗称白光散斑) 计量h “3 等。散斑测量方 法以其设备简单、非接触式、全场测量、高灵敏度等特点，在无损检测、 振动分析、应力测量、位移场测量、断裂力学等工程技术领域得到了广 泛、有效的应用n 3 1 ”。 散斑技术开始时以底片记录信息，记录过程为湿处理过程，信息以 i 数字散斑相关技术及在结构监测中的应用 第一章引言 光学条纹图的形式出现，测量方法难以用于现场实测。为摆脱湿处理过 程，使测量过程实对化，发展了电子敬斑干涉计量术( e s p i ) ，随着光电 子技术、计算机技术、图像处理技术的飞速发展，使与之融合的散斑测 量技术迅速朝着快速、方便、准确和自动化方向迈进“印“，发展为电子 散斑错位干涉术n ( e s s p i ) 、数字散斑干涉计量术心。1 ( d s p i ) 、数字散斑 错位干涉术”( d s s p i ) 和相位调制数字散斑干涉术幻等。光栅大错位数 字散斑干涉术乜钉首次同时实现了实时、防震和明场环境测量。为了消除 散斑噪声的影响和避免繁琐的条纹分析处理，国内外学者对数字散斑相 关测量技术作了大量的研究并取得了广泛、有效的应用懈h ”1 。 1 2 相关课题研究的现状、成果与展望 数字散斑相关法的思想是在八十年代初由日本的山口一郎叫”和 p e t e r ”、r a n s o n 等人同时独立提出的。国外研究人员h a b r u c k 、 s r m c n e i l l 等提出新型的相关迭代法和相关迭代的初值设定法“，国内 学者高建新等致力于该方法的进一步完善凸”，提出了相关分析方法和相 关搜索方法，并在一定的分析基础上，论证了相关分析的可行性，从而 极大地减少了运算量。为进一步提高相关计算精度和相关搜索速度，基 于小波变换相关方法被提出口6 卜“0 1 ， 散斑噪声影响测量精度，肖金标等学者“o 提出实际分辨率远低于 0 0 1 像元的主要原因是噪声，并研究噪声产生的原因、降低噪声的措施。 刘诚等提出了系统抗噪声干扰能力的判据，从理论上给出了提高系统 抗噪声干扰能力的途径。姜锦虎等”研究了数字散斑图的大小、位置分 ， 数字救斑相关技术及在结构监测中的应用第一章引言 布和灰度形貌与系统抗噪声干扰能力的关系，从而给出了制作散斑图的 原则。作者在文献“胡中讨论了光学系统、c c d 、图像卡的调侑传递函数对 测量精度的影响。姜锦虎在文献h 5 卜n 盯分别给出用数字散斑相关方法进 行远距离位移测量的系统和显微相关测量的系统。孟利波对数字散斑相 关测量中亚像素的几种方法进行了综合讨论“，2 0 0 3 年姚学锋“印采用立 体摄影术与数字图像相关技术相结合的方法测量了三维位移场，2 0 0 4 年 黄忠文结合计算机辅助测试和虚拟仪器技术n ”，阐述了数字散斑相关方 法测量刚体位移的理论与过程，使该技术进一步走出实验室，进入工程 现场实测。 2 0 0 2 年，国外学者设计了新的激光散斑测量仪器n 门一m 3 ，可以测量 物体的面内的平动和转动。为实现数字散斑干涉的工程现场应用，2 0 0 4 年庞向阳等钉提出一种新的便携式数字散斑干涉仪的光路安排，它采用 和小功率激光器相适应的光路配置，结构紧凑，体积小巧。y u w e no i n 雎们 和y m h e a 。5 1 采用新的滤波数值算法分析散斑条纹图，d a m b r o s i n i a 啡3 采用自光数字散斑对自然对流进行了研究，e b l i 旧3 提，出动态激光 散斑法测量物体的相对速度，l i n d al a r s s o n a 口们应用数字散斑照相术对 显微三维位移进行测量。邱庆军“们提出亚像元相关技术对光学系统定标 的方法，保证了系统的高精度，但需要制作标志物。这些都表明散斑测 量技术己使近代光测技术走出实验室，逐步进入工程现场实测。总之， 随着抗噪声技术的发展，自动高精度定标方法的研究，散斑测量新技术 的推出和测量装置的仪器化和集成化，散斑测量技术在工程测量中的应 数字散斑相关拄术及在结构监铡中的应用第章引言 用将会越来越广。 1 3 本课题的研究工作 远距离位移和位移场的静载、动载特性测量是一项有诸多工程应用 背景的研究课题，例如桥梁和立交桥的跑车、跳车和刹车等动载荷试验、 高层建筑桩基受载下沉测试等等，以往可以采用的测量方法有位移传感 器测试法、加速度计法和gps 技术等等。gps 技术处于发展中，经 常采用的电测法需要现场架设空中支架，电动千分表固定于桥梁与支架 之间，但是如果桥下是河流或交通要道，空中支架就无法搭建，给测量 带来很大的不便，另一方面由于支架的稳定性和地面沉降的影响使得测 量结果会产生误差。 本文针对这些在役结构监测的需要，主要研究计算机图像处理技术 在数字散斑测量上的应用，提出高精度的自动定标和测量面内位移场的 新技术，把激光散斑照相和数字散斑相关法相结合，提高了逐点分析法 的实用性和准确性，并建立了一套用于数字散斑测量的开放式软件系统， 为开展数字散斑测量研究提供了高效、集成、开放的测量平台，也为数 字散斑测量系统的仪器化提供了软件平台，主要内容如下： 1 以工程环境中远距离位移和位移场的光学测量为研究课题，详细 分析了远距离斜光轴成像时，像模糊和成像位置变化对白光数字散斑相 关方法的影响，并给出了像模糊和成像位置变化产生的误差理论公式， 由公式给出弥散斑的大小和消除影响的方法，使用序列采集和序列图像 相关方法，并内嵌m a n a b 引擎快速给出结构的静载、动载特性测量数据 4 致字散斑相关技术及在结构监铡中的应用第一章引言 和曲线，研究了斜轴数字散斑图像相关的测试技术，从图像采集到处理 逐一说明，并给出该系统的灵敏度、精度。该方法无需共轴光路的测量 环境要求，特别适用于桥梁、高速公路立交桥的静载挠度、动载特性测 量等工程应用，拓展了数字散斑相关方法的应用范围。 2 提出数字散斑相关技术自动定标的新方法，及该方法的测量控制 过程。该方法可以精确的测量系统的放大系数，并且操作方便，为数字 散斑测量技术的自动化和走向工程实测提供了可靠方案。 3 研究激光数字散斑逐点分析法对结构的全场检测，用c c d 直接采 集散斑图并由计算机进行全场检测，并与数字阵列相关方法互相补充， 增强了激光数字散斑的实用性、准确性。 4 在w i n d o w s 操作系统下用c - m - b u i l d e r 和m a t l a b 语言混合编程， 利用m a t l a b 语言的开放性，建立一个开放的数字散斑测量、处理软件系 统。软件界面友好、提供用户自定义功能的管理、提供可视化宏编程语 言、内嵌m a u a b 引擎、该系统提供与m a t l a b 集成环境交换数据的宏语言 等等，为开展数字散斑测量研究提供了极大的便利。实践表明，文中所 述开放系统的设计是成功而高效的。 数字散斑相关技术及在结构监测中的应用第二章数字散斑相关方法的基本原理 第二章数字散斑相关方法的基本原理 数字散斑相关测量技术是在八十年代初日本的iy a m a g u c h i 和 p e t e r 、r a n s o n 口钔等人同时独立提出的，通过对变形前后采集物体表面的 两幅图像进行相关处理，以实现物体变形场的测量。它与散斑干涉计量 相比具有光路简单，测量环境要求较低的优点，光源可以用激光或白光， 当用白光散斑计量呻1 时、对环境的要求大大降低，而且测量的尺度和精 度可以很方便地调节。 数字散斑相关方法是现代数字图像处理技术与光测力学结合的产物， 物体表面自然或人工形成的随机斑点，包括物理的表面微观结构和光学 的表面散斑场，本身就是信息的载体，它们在物体变形过程中发生相应 的变化，因而包含了变形过程的大量信息。数字散斑相关方法正是这样 一种从物体表面的随机分布的斑点或伪随机分布的人工散斑场中直接提 取变形信息的全场、非接触的光测方法。进行数字图像相关运算时假定： 自光光源照明物体时，物体表面反射光强i ( x ，y ) 的分布与物体表面有 一对应关系。据此，可以通过测量物体表面光强的变化来得到物体变 形信息。通过对变形前后图像上的相应子区进行相关搜索运算，获得各 子区中心在x 、y t y 向上的位移u 、v 。 假设某散斑位移场为“( 墨y ) 和”( 五y ) ，那么变形前的散斑图上任一点 ( y ) 的灰度与变形后的散斑图上位于b + 玎以力，y + v j ，) j 的灰度图相对 应，如图( 2 1 ) 所示，即有： 数字散斑相关技术及在结构监测中的应用第二章数字散斑相关方法的基本原理 ，。( 工，y ) = 1 2 x + u ( x ，y ) ，y + v ( x ，”】 ( 2 1 ) ( a ) 变形前 ( b ) 变形后 图2 i图像取样示意图 对变形后的数字散斑场所依附的基坐标作仿射变换， 标( x 1 ，y ) 一= x - - h i ( x ，y ) ，y = y v ( z ，y ) 其中，( x ，y ) 和v ( 墨y ) 是试凑散斑位移函数。 通过上述仿射变换，可以得到新的数字散斑场： ，2 ( x ，y7 ) ) = 臼：【( x + “( 算，y ) ，y + v ( x ，y ) 】 葜中：i j 知，歹) = l z i + “囊，如，y + 妒妊，y ) i 将( 2 。1 ) 式作变换，可得 j 1 i x 一 ( x ，y ) ，y v ( x ，) ，) 】= f 2 ( x ，) 对照( 2 2 ) 和( 2 3 ) 式，可以看出： 得到新的基坐 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) e ( 一，y ) = 石卜+ “7 0 ，y ) 一“( y ) ，y + v o ，力一v ( x ，力】 ( 2 6 ) 上式表明，当试凑位移函数与真实的散斑位移函数相同时，经仿射 数字散斑相关拄术及在结构监测中的应用 第二章数字散斑相关方法的基本原理 交换后得到的数字散斑场就完全恢复到物体变形前的散斑场。 对散斑场作仿射变换，判断物体变形后的散斑场经仿射变换恢复到 变形前对应的散斑场的相似程度的指标就是散斑场之间的相关性。相关 运算的公式可表述如下幽1 ： i d x , ，* ) 一动眨( 五+ 甜，m + d 一云】 c ( u ，v ) = ( 2 ，7 ) 其中 ，奠) 是变形前像的灰度函数，五 + 敬只+ v ) 是变形后像的灰度 函数，i 是u x , ，咒) 的平均值，云是厶( + 虬* + v ) 的平均值，c f u ，功为互相 关系数。 上面通过对变形后物体所依附的基坐标作仿射变换，将位移间接地 引入到相关性中，相关性仅是散斑的数字灰度的显式表达式，因而只是 位移函数的隐式表达式。可以看出，数字散斑相关方法虽然可看成是一 种变分方法，但它的变分函数与变分泛函相关性之间需通过数字散 斑场来沟通，而数字散斑场作为物体变形信息的载体，必须具有统计随 机特性，这就决定了不可能直接对相关性与位移之间的关系作一般的变 分学分析，来导出一般的显式表达式。在仿射变换中，引入试凑散斑位 移，使物体变形前的散斑场与变形后的散斑场( 经仿射变换) 的相关性与 散斑位移场联系起来，相关性成为散斑位移函数的一个泛函，而物体的 变形量可从散斑位移导出。这样，物体变形的测量变为散斑相关值对试 凑散斑位移的数字迭代过程，因而可以直接利用电子计算机来进行相关 数字散斑相关技术及在结构监测中的应用第二章数字散斑相关方法的基本原理 选代的计算，使力学计量与力学计算在图像相关的基础上得到了统一。 相关系数的运算过程实际上是对试凑位移的搜索过程，为了节省运 算时间又能满足精度的要求，常采用先粗后细的粗一细搜索法。方法是先 对整数像素进行试凑位移计算，即变形前散斑图的一个小子区与位移后 变形的散斑图的一小子区进行相关系数的计算，求得相关值最大的u ，v 即是真实位移的第一次逼近。为达到小数的精度，试凑位移在原来的基 础上再加上一小数像素，所加的小数像素值由离散像素值进行插值或拟 合而得到。 一种最简单的方法是双线性插值，表达式为： l ( x ，) = 0 1 0 x + a o l y + a i l x y + a o o 0 工 1 , 0 y 1 ( 2 8 ) 其中 a x o = s ( i + 1 ，j ) 一，( f ，) a o l = i ( i ，j + 1 ) 一，( f ，歹) a jj = i ( i + i ，+ 1 ) 一1 ( i + 1 ，力一i ( i ，+ 1 ) + ，( f ，) ( 2 9 ) a o o = i ( i ，) 其中，球，力为整数像素上采样得到的灰度值。 相关搜索的流程如图( 2 2 ) 所示。通常，双线性插值已能满足一般 精度需求，对c c d 采集的上述灰度图像进行数字散斑相关运算时，如采用 双线性插值进行亚像素提取，可以实现0 0 1 亚像素精度。z h a n gj u n 瞳卅 又研究了改良的亚像素法，可以达到更高的亚像素精度。但由于c c d 摄象 机在将物面光强离散成数字灰度时的离散误差和采样误差以及数值计算 误差等等，数字图像方法的实际位移灵敏度为0 。0 1 0 0 5 像素心“。 9 数字散斑相关技术厦在结构监测中的应用第二章数字散斑相关方法的基_ 本原理 图2 , 2 相关搜索流程图 0 救字般斑相关技术盈在结构监测中的应用第三章辩光轴数字敬斑相关珐位移测量研究 第三章斜光轴数字散斑相关法位移测量研究 3 1l ：i 言 远距离位移和位移场测量是一项有诸多工程应用背景的研究课题， 例如桥梁和立交桥的静载荷、跑车、跳车和刹车等动载荷试验，高层建筑 桩基静载下沉测试等等，以往可以采用的测量方法有位移传感器测试法、 加速度计法、激光干涉仪法、全站仪测试法和gps 技术等等“”“。全 站仪测试法需要昂贵的高精密全站仪才能达到高精度测量要求，gps 技术处于发展中，经常采用的电测法需要现场架设空中支架，电动干分 表固定于桥梁与支架之间，但是如果桥下是河流或交通要道，空中支架 就无法搭建，给测量带来很大的不便，另一方面由于支架的稳定性和地 面沉降的影响使得测量结果会产生误差。光测法中的激光干涉仪法对环 境有一定的要求。激光散斑相关法是同光路干涉，测量面内位移对环境 要求并不象干涉仪那样高，并且激光散斑斑点灰度对比度高，易于进行 运算，但由于激光散斑相关性受位移的影响，只能用于微小位移测量。”。 自光散斑是非相干散斑。测量位移的散斑照相实际上是一葶申强度随机分 布的散斑图的位置相关法“1 ，它并不涉及散斑图的产生方式，物体平移时， 因成像系统是线性空不变系统，散斑颗粒形貌不变，故既适用于小位移 测量，又适用于大位移测量，应用中以非相干散斑作为首选。远距离测 量时，对于较为均匀的被测对象，自光散斑既有利于相关运算，又有利 于适应目光照射的工程测量环境。所以本章采用自光散斑相关法。 由于光学成像时分两种情况：一是被测量物表面的法线与光学系统 ，l 墼兰墼壅塑羞垫查墨壅堕塑些型生的壁旦_第三章斜光轴数字散斑相关法位移测量研究 的主光轴基本重合，或两者夹角较小，称为共轴系统。二是被测量物表 面的法线与光学系统的主光轴夹角较大，称为斜光轴系统。远距离位移 共轴相关测量系统原理简洁，易于实现，已有较多应用研究n 3 。柚，但大桥、 立交桥的静载、动载荷特性测量时，一般工程现场情况难以满足共轴测 量光路条件，因此研究高精度的斜光轴光测法十分必要。本章详细分析 了远距离斜光轴成像时，像模糊和成像位置变化对白光数字散斑相关方 法产生的影响，并给出了这两种影响的误差理论计算公式，结合自光数字 图像相关测量方法，提出使用参考测量技术克服斜光轴成像位置变化带 来影响，实现远距离斜光轴精确测量动态面内位移。特点是图像采集系 统是安置在平稳的地面，测量光路的布置十分方便，对工程现场的环境 要求大大降低。 通过c + 十语言在w i n d o w s 系统下自行开发的相关软件，运用新的图 像序列采集、序列相关运算的方法、使用亚像素提取，检测出相应标志 点心的动态位移信息。在相关测量中再采用在文献 1 4 】中提出的提高相关 a 。 一d i 、r 、殳 彳 图3 1 斜光轴成像原理图 1 2 数字敢斑相关技术及在结构监测中的应用第三章斜光轴数字散斑相关法位移涮量研究 测量精度的方法，再采用在文献 4 4 中提出的相关系统抗噪声的方法， 可稳定地达到o 0 2 亚像素精度，实现高精度的动态位移测量。测得位移 的数据，通过c + + 语言调用m a t l a b 引擎处理后可实时地获得待测物的 动载荷特性曲线。 3 2 测量原理 3 2 1 引言 由共轴条件下物像关系， = 掣f 。 ( 3 1 ) 式中，“为物距，为焦距，l o 幂1t , 分别为物和像的长度。 远距离时取典型值：焦距2 0 0 r a m ，物距1 0 m ，c c d 像元1 0 , u r n ，实测时取测 量精度0 0 2 p i x e l ，由( 3 1 ) 式可得绝对误差为0 0 1 2 5 r a m 。通过调节光学 成像参量，可以控制像元位移在2 p i x e l 以上，则相对误差小于0 6 2 5 9 6 。 因此远距离共轴测量时绝对误差与物距成正比，其相对误差可控制在小 于1 以内。但斜光轴成像同时存在像模糊n 3 1 和成像位置变化的两种影响， 测量精度需要重新分祈。 3 2 2 弥散斑的影晌 斜光轴成象时光路如图( 3 1 ) 所示。其中a c 为待测面，为讨论方便 取为铅垂面。朋为光轴，口为光学系统光轴与水平方向夹角，平面e f 为 过b 点平行于光学系统平面的平面，设光学系统对于e f 平面准确对焦，则 d 。和d ，分别为其物距和象距。 数字敞斑相关技术及在结构监测中的应用第三章斜光轴数字敌斑相关法位移测量研究 根据文献 2 7 ，由于采用斜光轴布置，被测面上的某些区域将不能 准确地成像于c c d 靶面，待测面上a 点的理想几何像位于靶面之前，而待 测面上b 点的理想几何像位于靶面之后，因此a 、c 点在c c d 面上由于像模 糊将产生弥散斑，其y 方向大小为 其中，口。，口。分别为b 点相对于a 、c 两点y 方向距离。即使a 、c 两点相对 于b 点对称分布，也就是口。：口。，在c c d 面上将产生弥散斑大小也不一样， 这将对强度相关测量的精度产生影响。在远距离时取典型值： 吃= 1 0 m ，a = 4 5 。，d 。= 0 2 5 m ，2 r = o 0 5 m ，f ：o ，2 m ，计算得l ：& g a n ，约l p i x e l ， 实际测量时使c c d 面上相关点线度达到l s p i x e l ，则相关点的大小受到1 1 5 的影响，同时必须考虑a 、c 两点弥散斑( 约l p i x e l ) 在c c d 面上长度的 相对误差，由( 3 。2 ) 式得： 2 a f s i n c f 弘茹do a ，, s i n a c o s “ ( 3 3 ) 此时，不同物距下位移的相关运算误差极限最大值为： 。：生! 壁兰2 ：三；墨q 型：兰 ( 3 4 ) 1 0 + 1 5 + 23 0 0 代入上述具体测量参量，弥散斑随物距对相关测量的相对误差影响如图 ( 3 2 ) 所示。图( 3 2 ) 中，点画线和虚线分别对应口；1 5 一和3 0 一的相对误差 一m 一罚 薏乏 厂一 口厂一 口谶裟 旦x 生v = 第8 帧7 个点x 方向搜索范匿：2 0 y 方商搜索范萄：3 插值精度：0 ，t 区域l 3 0 1 ，3 8 2 3 0 4 ，3 8 2 ，3 5 ，3 5 c o r r = 09 9 9 1 9 6 c x = 5 0 6 1 4 5 8 7c y = 0 1 8 5 0 0 区域1c 3 0 t 3 8 2 3 0 4 3 8 2 。3 5 。3 5 c o r r = n9 9 9 0 9 2c x = 1 0 1 8 4 9 0 2 3c y =o 3 6 9 0 0 区域 l 3 0 l ，3 8 2 ，3 0 4 3 8 2 ，3 5 3 5 c o l - r = 0 9 9 9 1 7 8 c x = 1 5 2 52 7 7 4 7c y = 0 5 5 9 0 0 区域1 3 0 i ，3 8 2 ，3 0 4 ，3 8 2 。3 5 ，3 5 c o r r = 0 9 9 8 9 0 4 c x = 2 0 2 99 2 7 0 0c y = 0 7 4 1 0 0 区域l 3 0 1 ，3 8 2 ，3 0 4 ，3 8 2 ，3 5 3 5 】c o r r = 0 9 9 9 4 4 2 c x = 2 5 3 5 4 3 1 6 4c y = 0 9 4 1 0 0 区域 1 3 0 1 ，3 8 2 3 0 4 3 8 2 ，3 5 ，3 5 c o r r = 0 9 9 9 4 3 6 c x = 3 0 4 0 ，9 3 6 2 8c y =1 0 8 8 0 0 区域l 3 0 1 ，3 8 2 。3 d 4 ，3 8 2 ，3 5 ，3 5 c o r r = 。9 9 8 8 8 3 c x = 3 5 4 7 0 8 2 0 3c y =1 2 6 1 0 0 自动定标法测量误差如表( 4 1 ) 所示： 表4 1 自动定标法测量误差( 与干分表对比) 位移( u ) 5 0 01 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 03 0 0 03 5 0 0 实测 第2 帧6 个点x y y 向搜索范围：1 0 ，y 方向搜索范围：1 0 插值精度：0 0 0 1 区域1 5 6 8 ，1 0 0 ，5 6 8 ，i 0 0 ，1 9 ，1 9 c o r r = 0 5 9 2 9 5 8 c x =5 7 8 4 0 0c y 2 0 1 9 0 0 0 区域2 6 1 5 ，1 0 1 ，6 1 5 1 0 1 ，1 9 1 9 】c o r r = 0 5 6 7 4 1 3 c x =一6 2 8 8 0 0 c y = 0 0 6 6 0 0 区域3 6 4 9 ，9 9 6 4 9 9 9 1 9 ，1 9 ) c o r r = 0 ，5 7 7 3 5 4 c x =- 6 1 7 9 0 0 c y = 一0 1 6 2 0 0 区域4 5 6 8 ，1 4 0 ，5 6 8 1 4 0 ，1 9 ，1 9 c o r r = 0 ，5 6 8 9 6 2 c x = 一5 8 7 8 0 0 c y = o 0 0 0 0 0 区域5 5 7 7 ，1 9 0 ，5 7 7 1 9 0 ，1 9 。1 9 】c o r r = 0 ，6 8 1 6 3 9 c x =一5 8 5 6 0 0 c y = 0 】2 4 0 0 数字散斑相关技术及在结构监测中的应用第五章激光数字散斑逐点分析法的全场检测 区域6c 6 1 5 ，2 1 0 ，6 1 5 ，2 1 0 ，1 9 ，1 9 】c o r r = 0 6 1 4 7 1 5c x =一6 2 4 9 0 0 c y = 一0 1 7 0 0 0 区域7 6 8 0 ，1 6 7 ，6 8 0 ，1 6 7 ，1 9 ，1 9 c o r r = 07 7 0 2 2 0 c x = 一6 1 9 4 0 0 c y = 一0 2 2 0 0 0 区域8 6 7 7 ，2 3 8 ，6 7 7 ，2 3 8 ，1 9 ，1 9 c o r r = 0 7 0 4 3 8 9 c x = 一6 3 0 0 0 0 c y = - 0 0 3 5 0 0 上述结果与图( 5 3 ) 相比较，x 方向的位移约为6 个像素，两者结果一 致。相关运算的结果具有小数值，但受激光散斑相关性的影响，数据的 致性不好。 旋转情况下，相关运算的数据量很大，在m a t l a b 下作出位移场曲线， 如图( 5 6 ) 所示，其结果与图( 5 5 相比较，两者运算结果一致。相关 法运算结果数字量，易于后续的进一步数据处理，但其受激光散斑特性 的影响较大，因此将两种方法同时使用，互相作为补充。 5 0 5 2 0 5 0 - 5 2 0 嘶位移 00 u 场等位线 蝴等位线 图5 6 数字散斑阵列相关位移图( 旋转) 禽咖一囊篱咖一囊 1i_ji-lil tlflii_二illlilk 数字散斑相关技术及在结构监测中的应用第五章激光数字散斑逐点分析法的全场检测 5 。5 本章小结 逐点法是双曝光散斑图定量分析中最有用的方法，本章提出采用激 光数字散斑全场的逐点分析技术，无需湿处理过程，可以直观地看出整 个物面发生的面内位移。但具有条纹数目受到衍射晕的影响和测量条纹 数目精度为整数条纹的缺点。本研究将激光数字散斑图进行阵列相关运 算，可以提供较为详细的位移量参考值，两者结合使用提高了激光散斑 测量的准确性。该测量方法简便易行，采用该激