（机械电子工程专业论文）基于高速立体影像单元的地铁隧道形变监测.pdf

摘要 摘要 目前我国城市轨道交通发展迅猛，仅北京、上海、广州这三个城市每年就 要分别开工建设4 0 多公旱线路。2 0 1 0 年，上海将建成十一条线、运营里程超过 四百公里的轨道交通基本网络，满足每天五百八十万人次的客流需求，承担全 市公交客流的比例将达到3 5 。地铁的狭小密闭性和人群高密集性，决定了地铁 交通一旦发生安全事故，后果是极其严重的。而作为其中重要一环的地铁隧道， 其安全性和稳定性不言而喻。 本文关注的是地铁隧道纵向的形变监测，介绍了一种基于高速立体影像单 元的隧道监测新方法，这种方法区别于以往传统的监测方法，提出采用分布式智 能图像传感器进行隧道形变测量。 本文首先介绍了课题的研究背景，分析比较了现存的和国外正在应用的地 铁隧道监测系统的区别，并说明了本文研究的必要性和意义；其次，对高速立 体影像系统作了理论性的介绍；然后研究了影像阵列传感器的配置问题，主要 包括影像传感器的网络配置和安放其的自稳定系统；并且在其后的两章罩分别 介绍了图像传感器的选用，镜头的设计等。 文章的结尾总结了本课题研究的成果和不足，就该课题的后续研究内容和 方向进行了简要的探讨。 关键词：隧道监测，自稳定，镜头，c c d ，c o d e v a b s t r a c t a b s t r a c t c u r r e n t l y , t h ed e v e l o p m e n to fu r b a n r a i lt r a n s i to fc h i n ai sr a p i d t h e r ea r em o r e t h a n4 0k i l o m e t e r so ft u b es h o u l db es t a r t e de v e r yy e a ri nt h ec i t i e ss u c ha sb e i j i n g , s h a n g h a ia n dg u a n g z h o u i n2 0 10 t h es u b w a yn e t w o r kt h a ti n c l u d e s1 1l i n e sa n d o p e r a t i n gm i l e a g ei sm o r et h a n4 0 0k i l o m e t e r sw i l lb eb u i l ti ns h a n g h a it om e e tt h e d e m a n do f5 8m i l l i o np a s s e n g e rf l o wa n dh o l dt h ep r o p o r t i o no fu r b a np u b l i c t r a n s p o r tw i l lr e a c h3 5 i fa c c i d e n th a p p e n e d ，t h ec o n s e q u e n c e sw i l lb ee x t r e m e l y s e r i o u sb e c a u s et h ec h a r a c t e r i s t i c so fs u b w a ya r es m a l la i r t i g h ta n dh i g hd e n s i t y c r o w d s a st h ei m p o r t a n t p a r to fs u b w a y , t h es e c u r i t ya n ds t a b i l i t yo ft u b ea r e s e l f - e v i d e n t t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c hl i n e a rd e f o r m a t i o no ft u b ea n di n t r o d u c e dan e w m e t h o do fm o n i t o r i n gt h et u b ed e f o r m a t i o nb a s e do nh i g h s p e e d & s t e r e oi m a g i n g u n i t t h i sm e t h o di sd i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o na n dp r o p o s e st oa d o p tt h ed i s t r i b u t e d i n t e l l i g e n c ei m a g es e n s o rt om e a s u r et h ed e f o r m a t i o no ft u n n e l t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h er e s e a r c hb a c k g r o u n do ft h es u b j e c tf i r s t l y , a n a l y z e d a n dc o m p a r e dt h ed i f f e r e n c e so fs u b w a yt u n n e lm o n i t o r i n gs y s t e mw h i c hi se x i t i n g a n da b r o a da r eb e i n ga p p l i e d ，t h e ni l l u s t r a t et h en e c e s s i t ya n ds i g n i f i c a n c eo ft h i s p a p e r s e c o n d l y , ii n t r o d u c e dt h eh i g h s p e e d & s t e r e oi m a g i n gs y s t e mt h e o r e t i c a l l y t h i r d l y , is t u d i e dt h ep r o b l e mo fh o wt oa r r a yt h ei m a g es e n s o r s ，w h i c hm a i n l y i n c l u d e dt h en e t w o r kc o n f i g u r a t i o no fi m a g es e n s o r sa n dt h es e l f - s t a b i l i t ys y s t e m l a s t ，ii n t r o d u c e dt h ep r o b l e m so fi m a g es e n s o rs e l e c t i n ga n dt h el e n sd e s i g n i n g ，a n d s oo ni nt h ef o l l o w i n gt w oc h a p t e r s a tt h ee n do ft h ep a p e r , ls u m m a r i z e dt h ea c h i e v e m e n ta n dd e f i c i e n c yo ft h i s p a p e ra n dc o n c l u d e dw i t had i s c u s s i o no ff u r t h e rr e s e a r c hc o n t e n t sa n dc o n s i d e r a t i o n k e y w o r d s ： m o n i t o r i n go ft u b e ，s e l fs t a b i l i z a t i o n ，l e n s ，c c d ，c o d ev h 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：够弥 叫年月，l ，日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 日年 月 日 同济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，是本人在导师指导下，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，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学僦文作者繇上帝 卅年弓月i 易e t 第1 章绪论 1 1 选题依据 第1 章绪论 随着经济的迅猛发展，我国正进入城市化快速发展阶段，城市人口的不断增 长，经济活动的日益频繁，给城市交通造成了很大的压力。一些城市交通拥挤、 堵塞的现象非常突出，影响了经济的发展和人民群众的r 常活动。根据国内外的 普遍经验，缓解城市交通最有效的措施就是要大力发展城市轨道交通，构建起方 便、快捷、安全的城市轨道交通网络体系。 目前，我国城市轨道交通发展迅速，已有十几个城市在开工建设，短时间内， 仅北京、上海、广州这三个城市每年就要分别开工建设4 0 多公里线路，这种发展 进度是中国历史上从未有的，也是国际上所罕见的。但是，由于我国城市轨道交 通发展历史比较短、经验也不足，加之，我国尚未建立起独立自主的城市轨道交 通的制造产业，目前除了土建以外，几乎所有城市轨道交通的车辆、通信信号、 控制等系统，以及盾构等设施、设备都是从不同国家引进或所谓的国内组装。这 些标准不一、制式不同的轨道交通系统，有可能给建设和运营管理留下不容忽视 的问题和安全隐患。 地铁是一种在狭小空间内快速载运高度密集人群的复杂系统，空间狭小决定 了其管理措施的难度和复杂性；高速运转更突显了系统多方面协调配合的重要 性，每一个系统每一个细节都可能是影响安全的因素；人口高度密集决定了轨道 交通一旦发生事故就是巨大的危险和灾难；轨道交通的安全与规划、建设、运营 各个阶段密切关联又决定了轨道交通安全管理的系统性和整体性；而且反恐怖要 求也对地铁安全管理工作提出了新的挑战。这些说明了城市轨道交通一旦发生安 全事故，其后果是极其严重的。 盾构隧道施工和地铁运营期间的安全问题主要表现在以下几个方面：隧道下 卧软土层在长期振动荷载作用下软化导致沉降；隧道邻近建筑施工活动引起隧道 变形；区间隧道下卧土层水土流失造成破坏性纵向变形；隧道经过不同土质情况 地区，土体物理力学性质差异导致隧道结构在长期荷载作用下产生不均匀沉降； 软土盾构隧道不均匀沉降引起管片接缝张开、地铁道床与管片剥离开裂，部分位 置出现渗漏水、冒泥和局部破坏，影响隧道的讵常使用和地铁运营。 第l 荦绪论 隧道的健康监测可分为两个阶段：施工阶段和运营阶段。目前，国内外针对 隧道施工阶段的监测技术已比较成熟，但是对隧道运营期问的监测重视程度远远 不够。事实上，运营阶段因时间跨度大、影响因素复杂、灾害社会影响大，隧道 的健康监测更应重视。 隧道健康监测包括隧道结构侵蚀监测、结构变形监测、结构内力监测和环境 情况监测，其中尤其是结构变形监测非常重要，其监测内容主要为隧道的纵向沉 降、横向位移和断面的收敛变形。 对已建地铁隧道的沉降观测资料研究发现，处于软土地层中的隧道在长期的 运营中，一般都会持续增大纵向沉降，该沉降占总沉降量的主要部分。例如，从 1 9 9 5 年至u 1 9 9 9 年间，上海地铁一号线人民广场站到新闸路站区间地铁隧道最大累 计沉降量超过了1 4 5 毫米；黄陂路站一人民广场站区间隧道的差异沉降量接近9 0 毫米。隧道不均匀沉降会使隧道产生弯曲变形影响轨道的平整和乘客的舒适性， 并导致隧道接缝张开，从而进一步加剧渗透，甚至漏泥，对隧道的结构、接头和 正常运营造成威胁。因此必须重视隧道的纵向变形在长期运营中的发展情况，并 从设计、施工、工程防治、周围环境的影响等方面予以综合控制。 德国、日本、美国、中国等国家已建立了隧道养护技术规范，有的己开发了 隧道管理软件和变异诊断专家系统。但一方面，我国隧道管理与养护技术滞后， 养护技术规范还需要完善，在长大隧道方面更需要研究；另一方面，国内虽在多 座隧道中引进了成套隧道营运监控系统的技术，但效果不甚理想，主要原因在于 控制模式不切合实际，且在长大隧道方面还应用的较少。因此研究地铁隧道运营、 养护技术与智能管理系统是极为重要和迫切。 针对隧道断面的收敛变形监测，国外已经研制出一种隧道检测车，专用于地 铁休工期间采集隧道变形状态信息。检测车经过之处相应的信息便被收集起来， 并经由变异诊断专家系统进行分析。我国也在多座隧道中引进了该类设备，进行 隧道断面变形的监控，取得了较好的效果。 对于隧道的纵向沉降和横向位移的检测，传统监测多采用人工定期监测的方 式进行，由于其观测时间长，观测时段和频率受限，故在隧道运营状态下这种方 式不适合。同时，随着分析要求的提高，隧道运营期健康监测系统需具备长期在 线、实时自动监测等功能，由于监测项目多、线路长、测点多、数据量大，现有 的监测方式和手段已不能满足工程需要。 因此，针对轨道空间多传感器网络集成、形变监测、数据管理和预警发布的 轨道交通运营安全等国际前沿问题，首次提出集成高速立体影像和隧道断面扫描 2 第1 章绪论 仪传感器网络实现隧道安全监测新技术，具有非接触、实时、动态、高精度、试 验成本低、获取信息全面的特点，实现隧道的差异沉降、变形和水平位移的监测 和变形信息的发布，弥补传统监测方法的不足。 1 2 项目背景 该项目来源于上海申通地铁集团有限公司。本项目拟研制一套运营隧道形变 灾害检测系统。在本项目中，首次提出以相机影像识别传递基准和隧道断面扫描 仪为主的传感器网络，同时配合隧道红外监测仪进行隧道结构安全监测，这是一 种新的结构无接触安全监测技术，能弥补传统结构监测方法的不足。 该方案具有实时、动态、高精度的特点，能提高局部监测的精度和时空上整 体监测分析的能力。隧道断面扫描仪和隧道红外监测仪主要装配在行使列车上， 高速立体影像系统用于地下定位基准的传递。目前，这种集成立体影像和断面扫 描仪的传感器网络实现隧道结构的安全监测技术和系统在国内外还未见报道。 1 2 1 项目研究内容 采用分布式网络智能图像传感器进行相临断面相对位移检测，通过定位基准 的传递，获得每个监测断面的绝对位移量，通过对位移大小及变化趋势的分析， 进行隧道健康状态的预警。 ( 1 ) 隧道形变监测系统架构如图1 1 所示，由三层网络构成。 中央监测控制 中心二期t ，站问网络( 二期y 图i 1 隧道形变监测系统架构 第l 荦绪论 最上层( 第三层) 为线路级或市级监测控制中心，通过站间网络收集线路各 区间的形变信息，通过数据融合技术对整条线路的状态进行全面评估。 中间层( 第二层) 为站级监测中心，通过网络采集底层智能图像传感器的位 移数据，对数据进行存储分析，将形变和预警信息在网上发布。 最底层( 第一层) 为传感器检测网络，由分布于隧道各检测断面上的智能图 像传感器及其网络系统构成。由智能图像传感器对各断面的相对位移进行检测。 ( 2 ) 项目采取的研究方法和技术路线 技术路线与实施方案 本项目总体技术路线和各研究内容间的关系如图1 2 所示： 图1 2 项目总体技术路线和各研究内容间的关系 4 墨! 里笙堡 课题拟采取的研究方法主要是针对隧道结构形变安全监测的需要，提出采 用分布式智能图像传感器进行隧道形变测量的新方法。采用理论研究、技术开发 和实际应用验证为研究方法。 理论研究方法以摄影测量理论、图像处理技术、数据融合理论和系统控制理 论为基础，构建摄影测量传感器网络，运用图像处理理论获取目标标志点的高精 度二维坐标数据。 技术开发上，攻克智能图像传感器、自稳定系统、传感器网络配置、多传感 器系统同步、海量数据传输存储、数据融合处理、隧道的变形分析与预警发布等 问题，开发出隧道结构安全监测的新技术和实用系统。 实际应用验证上，以上海地铁公司运营隧道中的个区问为实验示范，实现 隧道结构的安全监测，以及形变分析和预警发南。并与设计隧道和常规方法进行 对比和验证，形成隧道结构的安全监测和实用技术。 1 2 2 项目研究创新点和关键问题 ( 1 ) 本项目的主要创新点有： 首次提出基于图像分析的隧道形变监测和定位基准传递。 解决在隧道安全监测中，多传感器监测网络应用的关键难题。 提出传感器网络中多种类型数据的联合处理方法。 在运动载体上集成断面扫描仪和红外检测仪的传感器网络，实现隧道的结 构性安全监测理论和技术系统，为隧道的安全监测提供新的技术手段，弥补传统 监测方法的不足。 ( 2 ) 攻克多传感器网络进行隧道安全结构监测的关键问题主要有： 集成影像定位基准传递、多传感器监测网络构建。 多传感器数据融合的高精度联合处理。 研究根据监测结果确定隧道的沉降( 垂直方向，应剔除大地沉降因素，关 键是差异沉降，如车站附近，预警差异沉降) 、位移( 横向，最危险) 和变形的 数值分析和评估方法。 定量评估复杂的区域性工程活动对隧道安全的不利影响，制定合理的控制 措施，确保盾构隧道长期运营的安全。 1 3 隧道变形监测技术的发展概况 5 第l 章绪论 传统的隧道变形监测技术主要有：采用收敛计对隧道周边进行收敛测量，全 站仪自由三维工作站，三维解析测量和光纤传感测量等。下面做简单介绍： ( 1 ) 采用收敛计对隧道周边进行收敛测量 这种方法有明显的局限性，因为这种方法受限于隧道周边上各点之间的相对 距离，且只能求得一点相对于另一点的位移。在某些情况下，从量测读数中很难 甚至不可能获得明晰的隧道变形特点图。如图1 3 所示，隧道不对称变形和纵向 位移，采用传统的方法就测不出来。 幂耐劈奠移t 内受精 图1 3 传统位移监测方法无法发现的1 1 c 7 ：移 尽管可以将监测边布置成网状，利用杆式伸长计加测部分点的绝对位移，用 数学方法来确定其他点的绝对位移，但这种方法有以下缺陷：伸长计必须在隧道 开挖喷混凝土后埋设，从埋设到可供使用需要较长时间，而这段时间恰恰是隧道 周边变形最快的时段；另外，伸长计不可能完全锚固于隧道丌挖松散区之外，加 上数学模型的近似性，用这种方法求得的绝对位移实际上并不精确，不能真实反 映隧道的实际变形。 ( 2 ) 全站仪自由三维工作站 全站仪的全称为全站型电子速测仪，它由光电测距仪、电子经纬仪和数据处 理系统组成。一台全站仪，除了能自动测距、测角外，还能完成一个测站所需完 成的工作，包括平距、高差、高程、坐标等。它具有多功能、高精度、自动化等 优点，是其他常规仪器所无法比拟的。全站仪采用自由设站三维观测原理，指的 是从任意测站观测若干己知点的方向和距离，通过坐标变换( 或按最小二乘法平 差) 算出该测站上仪器中心的坐标，然后以此测出其余点的新坐标。变形监测的 基本思想是通过对比测点在不同时刻的三维坐标( x ，y ，z ) ，得到该测点在该 时段内的位移( 相对某一初始状态) 。与传统接触式量测方法相比，该方法能够 获取测点更全面的三维位移数据，有利于结合现行的数值计算方法进行监测信息 的反馈工作，但是由于该测量方法所花费用较高，只适用于重点区域短距离的检 测，不适合对于大范围隧道进行测量，也不便于普遍运用。全站仪自由三维观测 如图1 4 所示。 6 第l 章绪论 舅直c 反麓l 片) 翻1 4 全站仪自由三维观测示意图 ( 3 ) 三维解析测量 三维解析测量是以精密测角的空间前方交会原理为基础，由数台电子经纬仪 联合进行解析出变形点的三维位移。但在隧道现场，操作多经纬仪系统明显不便， 同等精度下观测成本也较高；三维解析测量，目前使用已不广泛。 ( 4 ) 光纤传感测量 光纤传感测量技术，是将信号测量技术与信号传输技术合二为一，对沿光纤 传输路径上长达数千米甚至数十千米的信息进行量测与监控。南京大学光电传感 工程监测中心建成了我国第一个针对大型基础工程的b o t d r 分布式光纤应变监测 实验室，并取得了一系列研究成果。但是，由于光纤非常脆弱，即使加了护套的 光纤也会因旎工而损伤，甚至折断，所以如何将光纤无损的埋入岩土中是尚未解 决的难题；岩土工程变形复杂，传感光纤的合理布设是检测成功与否的关键，目 前该技术尚未掌握；另外，目前光纤的分辨率只能达到l 米，这对实际工程来说 是远远不够的。鉴于以上种种原因，采用光纤技术进行健康检测尚未在实际大型 土木工程中得到推广应用。 1 4 本文组织架构 隧道的变形主要有纵向变形和横向变形，本文研究对象为地铁隧道的纵向变 形，主要是硬件方面的研究和配置。具体来说有高速立体相机的研制，包括传感 器的比较与选用；立体影像目标定位与传递；镜头的配置与设计以及自稳定系统 的研制等。 研究内容主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 首先，介绍了选题依据和项目的背景。 7 第l 荦绪论 ( 2 ) 其次，对高速立体影像系统做了概述，主要包括摄影光学基础和实施 方案的设备选型和配置，并且探讨了自稳定系统平台，研究设法消除相机扰动的 方法。 ( 3 ) 再次，研究影像阵列传感器的网络配置，包括相机的布局和影像阵列 传感器的定位基准传递。 ( 4 ) 然后，探讨了影像系统的核心图像传感器的比较与选型。 ( 5 ) 最后，介绍了镜头的基本原理，并在此基础上基于光学设计软件进行 镜头设计与模拟仿真。 本文组织架构如图1 5 所示： 图1 5 本文组织架构 第2 章隧道监测系统方案 2 1 系统总体方案 第2 章隧道监测系统方案 本课题讨论利用多传感器网络分布，每间隔5 0 米在隧道壁上安装一个图像 传感器( c c d ) ，通过每个图像传感器对前方5 0 米处放置的目标物体( 点光源) 进行拍摄，并处理所获得的图像。在对比不同时间所拍摄的图像后，得到隧道相 对变形量。利用定位基准的传递，最终得到隧道纵向变形的绝对量。系统示意图 如图2 1 所示。由于地铁隧道站间距离约为l 公里，故建立站级监测系统，接收、 存储并分析由图像传感器采集并由d s p 处理后得到的隧道变形数据。 图2 1 检测系统示意图 如图2 1 所示，建立图像传感器网络，每个图像传感器装置的间距约为5 0 m 。 其中每个装置上包括图像传感器( c c d ) ，镜头，相机的自稳定装置，数字图像 处理器( d s p ) ，目标光源等设备。每个镜头都对准相对自身前方5 0 m 处装置上 的目标光源，并使其成像于镜头的中部。每隔一定时间进行拍摄，得到的方装置 上目标光源的位置。d s p 处理c c d 拍摄的图像，计算目标光源的位置，并计算 出不同时刻，目标光源位置的偏移量，并将该偏移量数据传输至站级监测上位机。 上位机按照特定的算法对每次传输的数据进行存储、分析对比，并通过定位基准 的传递，得到整段隧道的纵向变形量。 本课题设计在传感器上放置一个点光源。通过后方图像传感器对前方传感器 上所放置的点光源进行拍摄，完成图像采集和图像处理，计算点光源的圆心位置。 如图2 2 所示，上方的圆为前一次拍摄处理后得到的圆心位置，下方的圆为后一 次拍摄处理后得出的圆心位置。d s p 将每次处理后得出的圆心偏移量传输到站级 监测上位机。 9 第2 章隧道监测系统方案 戳 缄 口：鲁叠 霉嬲 y 图2 2 圆心坐标位置对比 由于每个图像传感器都是对相对自身前方5 0 m 处图像传感器上的目标物进 行检测，得到的圆心坐标变化量只是前方相对于本方传感器所在位置的变化，即 相对位置变形量。如图2 3 所示。站级监测上位机则需要通过特定的算法，通过 定位基准传递，将若干个相对量转换成绝对量，从而计算得出隧道纵向变形的数 据。 车站一 j 乡 l i y l 6 柘 岁避! 图2 3 隧道定位基准传递示意图 建立隧道形变数据库，长期实时地分析管理数据从而得到隧道纵向变形的量 及变形趋势，并且对变形进行预警。如图2 4 ，绘制隧道三维空间图形，实时动 态监测隧道，直观地显示出隧道的变形情况，实现快速，高效地维护地铁隧道。 1 0 圈圆圆 鲢藏勰弱蘸黼 第2 章隧道豁测系统方案 图2 4 隧道三维空间图形 c c d 的参数在监测中占有重要地位，不但需要选择合适像素大小的c c d 以 满足隧道监测精度的需求，并且在c c d 配置安装时，需要进行相关操作，使c c d 相机及镜头能够工作在最佳状态下，从而得到准确稳定的数据，为图像处理模块 提供精度保障。图像传感器的配置如图2 5 所示。两个图像传感器之间间隔约为 5 0 m ，选用合适的光学镜头以及目标光源以得到较好的成像效果。例如采用红外 光作为目标光源，使用对红外光较为敏感的镜头滤光片，就能够较稳定清晰地获 取目标物图像。目标光源安装于c c d 相机的后部，供后方c c d 观测。 2 2 系统构架 图2 5 图像传感器配置示意图 通过功能需求分析，本课题采取的方案可通过图2 6 所示的构架来描述。系 统使用的处理芯片有c p l d 和d s p ，其它芯片包括c c d 芯片，图像采集芯片等。 图2 6 系统总体构架 l l 第2 荦隧道腌测系统方榘 本课题选择使用d s p 作为系统的核心处理芯片，具体型号为 t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 。d s p 是芯片是一种具有特殊结构的微处理器，其内部采用程序 存储空问和数据存储空间分离的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流 水线操作，提供特殊的d s p 指令，可以采用快速地实现各种数字信号处理算法。 c 5 4 x d s p 同t i 公司其他的定点d s p 一样，为典型的哈佛结构。其体系结构 由中央处理器、内部总线结构、特殊功能寄存器、数据存储器( r a m ) 、程序 存储器( r o m ) 、i o 端口、串行接口、主机并行接口( h p i ) 、定时器、中断系 统1 0 个部分组成。 c p l d 协调d s p 与c c d 之间的控制。通过c p l d 的控制，将c c d 相机所 拍图像存入中间存储器。并通知d s p 完成一幅图像的拍摄。d s p 则从中间存储 器中读取图像数据并进行相关图像处理操作，将处理结果通过异步串行总线传输 到站级监测上位机。 根据项目功能需要，本系统可以分为三个模块，它们之问的关系如图2 7 所示。 图2 7 隧道检测系统模块化 ( 1 ) 图像采集主要是由c c d 完成，通过c p l d 的控制信号，控制c c d 的拍 摄时序，并将c c d 所拍摄的图像数据传输至存储模块。由于c c d 相机是安装在 隧道壁上，需要考虑到安装细节，例如防止相机的抖动、相机的自稳定、相机的 调试及标定等。 ( 2 ) 图像处理由d s p 模块完成。该模块处理静态图像数据，利用数字图像处 理算法对c c d 所拍摄的图像进行平滑，锐化等抗噪处理，并进行阈值分割、腐蚀 膨胀、边界提取、边界识别等图像后处理，识别出目标图像，最后进行圆心拟合， 计算圆心的位置并比较不同时刻计算出的圆心位置，得出圆心位置偏移量，从而 实现隧道变形量的精确测量。 ( 3 ) 数据的传输由d s p 扩展u a r t ，利用r s 4 8 5 控制电路实现。通信方式采用 主从式，其中主机为站级上位机。 该系统的技术指标如下： 监测区问范围：1 公旱左右的两个车站间的隧道。 布点数量：断面间距5 0 米，每个断面检测点数为一点。 检测频率：定时检测最小时间间隔小于1 分钟，可由站级监测系统启动 1 2 第2 帝隧道髓测系统方案 进行检测。 精度等级：2 - 3 毫米 2 3 系统软件方案 本论文所研究的软件方案主要是数字图像处理算法。该系统中的数字图像处 理主要目的是计算目标光源在图像中的拟合圆心位置坐标。通过对不同时间所拍 摄的图像进行计算处理，比较目标光源圆心的位置变化，得到隧道纵向变形的数 据。该图像处理流程主要如图2 8 所示。 边界提取 土 目标物俸识别t l 圆拟合。 图2 8 图像处理流程 图像预处理的目的是降低图像的噪声，模糊图像中的干扰因子并突出图像中 的有用数据，主要分为图像平滑和图像锐化。图像阂值分割是指选取合适的阈值， 将图像分割为目标和背景，主要目的是为边界提取做准备。边界提取是提取目标 光源边界。提取边界后，需要进行目标光源的边界识别，排除其他边界的干扰。 最后对目标光源边界进行拟合圆处理，计算圆心位置坐标。 2 4 图像采集系统 图像采集系统主要包括图像传感器安装装置及图像采集。图像传感器安装装 置主要为了保证c c d 相机能够稳定安全地工作。图像传感器需要长期监测目标 的位移，当隧道发生相对旋转变形时，将引起安装于其上的图像传感器发生姿态 改变，从而引起较大的测量误差。为防止由于图像传感器基础发生旋转变形带入 1 3 第2 荦隧道峪测系统方案 测量误差，要求能精确保持图像传感器的姿态，因此需要设计一套专门的图像传 感器姿态自稳定装置，该装置应结构简单可靠，安装调整容易，能长期工作于地 铁隧道的地下环境之中，能防止隧道中高速行驶列车带来的干扰。在其上还应设 置作为检测参照物的目标标志和用于初始定位测量用的测量点标志。自稳定系统 如图2 9 所示。 图2 9 相机自稳定装置 图像采集主要由c c d ，s r a m 和c p l d 来完成。图像采集系统的主要构架如 图2 1 0 所示。 1 2 c 总线s c l 线t 一 图2 1 0 图像采集系统构架 图像获取及存储模块工作流程如下：d s p 发开始采集指令，s a a 7 1 1l a 开始 采集，将s a a 7 1 1 1 a 输出的控制、状态信号接入c p l d ，由c p l d 控制将转换后的 数字信号存储到高速大容量s r a m 中，直到一帧图像数据存储完毕。其问，c p l d 产生s r a m 地址、s r a m 读写信号、中断信号、总线切换信号等；之后，c p l d 交出总线控制权，d s p 占用总线并从s r a m 中读出图像数据进行处理。 图像采集的流程图如图2 1 1 所示。 1 4 圆圈璺 第2 章隧道脓测系统方案 2 5 自稳定系统 n 一 一n 场延时计数器耐i - i 礤f 计数 f ：罗 h r e f 高电位采枭圈像 i 奇场果枭结束偶够倮枭开始 w 一 场延时计数器开始计数 上 h r e f 高电位采枭圈像 一 偶场果枭结束 图2 1 l 图像采集流程 智能图像传感器需要长期检测目标的位移，当隧道发生相对旋转变形时，将 引起安装于其上的智能图像传感器发生姿态改变，从而引起较大的测量误差。为 防止由于图像传感器基础发生旋转变形带入测量误差。要求能精确保持图像传感 器的姿态，因此需要设计一套专门的图像传感器姿态自稳定装置，如图2 9 所示。 * 2 # mm 改装置应结构简单可靠，安装调整容易，能长期工作于地铁隧道的地下环境之中， 能防止隧道中高速行驶列车带来的干扰。在其 还麻设置作为检测参照物的日杯 标志和片j 十初始定位测量用的测量点标志。 ( i ) 水平扰动的平衡 保持曰标物的绝对水甲，有两种方案。 利州重锤莺力，保持平面水平。 削2 1 2 利川辱力保持水甲目21 3 利液平面保持水平 ( 2 ) lr 扰动的甲衡 上下扰动的平衡主要考虑运用立撑刃口米保持j ：f 平衡。可考虑利用天平的 原理来实现。如图21 4 和图2l5 所示。 魁。i 烨童 冬藉爰刺 h21 4 天平 ( 3 ) 亢右扰动的平衡 九右扰动是日前川扰课题组的 纠偏，其体实i 见方案如图21 6 所示 。 鞠 ，潜 h2 1 5f k 平支撑目架 个难题。可考虑利用磁力来进行亢 t 扰动的 d d 旃2t m 删晕统疗豪 幽21 6 左扰动甲衔 ( 4 ) 其它需要考虑的问题 由丁地铁隧道环境恶劣，尤其是当列车经过时，会产生强大的气流，对千日机 的、r 衡造成破坏，因此必须要在安放相机的自稳定系统外面，h 一个类似如图 ? i7 所示的玻璃罩柬l i l p b 面环境的扰动。 h2 l7 防护罩 第3 章影像系统概述 3 1 摄影光学基础 第3 章影像系统概述 照相机的工作过程，概略地说是应用光学成像原理，通过照相镜头将被摄物 体成像在感光材料上。下面介绍摄影光学成像原理：主要包括人类对于光的本性 的认识，光线的传播及透镜成像原理。 3 1 1 人类对光的认识 人类对于光的本性认识经历了漫长而又曲折的过程。在整个1 8 世纪中，光的 微粒流理论在光学中仍占优势，人们普遍认为光是微小的粒子组成的，从点光源 发出并以直线向四面八方辐射。1 9 世纪初，以杨氏( y o u n g ) 和菲涅耳( f r e s n e l ) 的著作为代表逐步发展成今天的波动光学体系。 如今对光的本性认识是：光和实物一样，是物质的一种，它同时具有波的性 质和微粒( 量子) 的性质，但从整体来说，它既不是波，也不是微粒，也不是它 们的混合物。从本质上讲，光和一般无线电波并无区别，光和电磁波一样是横波， 即波的振动方向与传播方向垂直。 一个发光体就是电磁波的发射源，发光体发射的电磁波向周围空间传播，和 水波波动产生的波浪向四周传播相似。强度最大或最小的两点距离称为波长，用 入表示。传播一个波长所需的时问称为周期，用t 表示，一个周期就是一个质点 完成一次振动所需要的时间。1 秒内振动的次数称为频率，用v 表示。经过1 s 振 动传播的距离称为速度，用“v 表示。波长、频率、周期和速度之间有如下关 系： v = 入t ，v ：i t ，v = 入v ( 3 1 ) 由此可见，光的波长与频率成反比。实际上光波只占整个电磁波波段的很小 一部分。波长在4 0 0 7 6 0 n m ( 1 n m = 1 0 1 m m ) 的电磁波能够为人眼所感觉，称为 可见光，超过这个范围人眼就感觉不到了。不同颜色光的波长入范围见表2 1 所 示。不同波长的可见光在我们的眼睛中产生不同的颜色感觉，按照波长由长到短， 光的颜色依次是红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等色。不同波长的电磁波在真空中 具有完全相同的传播速度，数值是c = 3 0 0 ，0 0 0 k m s 。 第3 章影像系统概述 表3 1 不同颜色光的波长x 范丽 光的种类 颜色 波长入范围( 单位：纳米r i m ，l n m = 1 0 _ 6 m m ) 不可 红外光大干7 6 0 n m 见光 紫外光小1 - 4 0 0 n m 红色 6 4 0 n m 7 6 0 n m 可 橙色6 4 0 n m 6 1o n m 黄色 6 1o n m 5 3 0 n m 见 绿色 5 0 5 n m , - 5 2 5 n m 青色 4 8 0 n m - - - - 4 9 0 n m 光 蓝色 5 0 5 n m 4 7 0 n m 紫色 4 7 0 n m - - 4 0 0 n m 光既然是电磁波，研究光的传播问题，应该是一个波动传播问题，但是在设 计照相机镜头及其他光学仪器时，并不把光看作是电磁波，而是把光看作是能传 播能量的几何线。光源发光就是向四周发出无数条几何线，称之为光线。这样在 几何光学中研究光的传播问题，就变成了一个几何问题、数学问题，问题相对简 化。 几何光学中，光线的传播有以下几个基本定律： ( 1 ) 光的直线传播定律 光在均匀介质中，是沿着直线传播的，即在均匀介质中光线为一直线。 ( 2 ) 光的独立传播定律 光的传播是独立的，不同光线从不同方向通过介质某一点时，彼此互不影响。 ( 3 ) 光的反射定律 当光传播到两种不同介质的分界面时，就会改变传播方向，发生光的反射 光的反射，在摄影理论中起着相当重要的作用。例如人本身并不发光，但当 光线从各个角度照射到人身上后，光线便可从各个角度有所反射。我们常利用反 射光进行拍照，就是遵循光的反射定律。 3 1 2 相机成像原理 相机之所以能成像，主要用到了上面提到的光线传播的三大基本定律。下面 1 9 第3 荦影像系统概述 距离介绍一下相机的基本成像原理： ( 1 ) 针孔相机： 照相就是将物体的影像投射在感光介质( 底片或c c d ) 上，要达到此目的，并 不一定要靠透镜。在树底下会发现，树叶透过的阳光在地面上常常是一个一个光 亮圆形，那些光亮的圆就是太阳经由树叶缝隙所造成的针孔投影。 图3 1 针孔成像原理 如果在纸上刺上一个针孔，晚上放在另外一张白纸的上方，就会发现头项上 的灯会经由针孔投射在下方的白纸上，这就是针孔成像，原理如图3 1 所示，每 个点的光线经过针孔形成一个倒立的影像。 ( 2 ) 透镜相机 针孔虽然可以拍出照片来，但是实际操作可知，针孔要曝光很久，且成像质 量差。如果要真正能实用的拍照，最简单是使用透镜，将凸透镜对着窗外景物， 会在后方呈现一个倒立的影像，如图2 2 所示。这个影像投射在感光组件上就可 以将影像记录下来。 图3 2 凸透镜成像原理 透镜成像理论中主要用到三个数据：焦距f ，物距u 和像距v 。 物距：物点( 拍摄的对象) 距离透镜的距离称为“物距”。 像距：像点( 透镜的成像) 距离透镜的距离称为“像距。 因为物距与像距的比与物高与像高的比值是一样的，物高即一个已知高度的 拍摄对象，像高即已知成像底片的高度。物距可以量测，像距就可以计算出来， 具体如图3 3 所示。 2 0 第3 章影像系统概述 物l 高l 图3 3 像距计算示意图 像 高 焦距：当物点处于无限远时，此时射到透镜的光线为平行光，经透镜后会聚 一点f ，称为焦点；焦点距离透镜中心点0 的距离称为“焦距”。具体如图3 4 所 不。 图3 4 焦点与焦距 焦距可以用物距与像距来计算， 基础光学计算公式 1l1 一+ 一= 一 uy 厂 ( 3 2 ) 此公式为高斯公式，其中u 为物距，v 为像距，f 为焦距。 对于凸透镜成像而言( 照相机就是凸透镜成像) ，物像关系见表3 2 ： 表3 。2 凸透镜成像物距与像距的关系 物距u像距v 成像应用 u 2 f2 f v f 倒立缩小实像一般照相机 u = 2 fv = 2 f 倒立等大实像微距拍摄 f u 2 fv 2 f 倒立放大的实像幻灯机，电影放映机 u = f v 无穷大不成像无应用 u f v 为负值j 下立放大虚像放大镜 第3 章影像系统概述 除此之外，物距和像距的关系中还存在放大率m 的概念。放大率即放大倍数， 是指被摄物体经过镜头，人眼所看到的最终图像与原物体大小的比值。根据图3 3 所示，物高与像高之比等于物距与像距之比。由此，可以导出放大率公式： 3 2c c d 相机介绍 m = p ，q ( 3 3 ) c c d 卡h 机中的c c d 指的是相机中的图像传感器，即俗称的相机“底片”为c c d 芯片。c c d 是c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ( 电荷耦合器件) 的缩写，它是一种半导体成 像器件，具有灵敏度高、抗强光、畸变小、体积小、寿命长、抗震动等优点。 c c d 相机的工作原理为：被摄物体的图像经过镜头聚焦至c c d 芯片上，c c d 根 据光的强弱积累相应比例的电荷，形成电信号。最后将电信号作为数据记录到内 置存储器和存储卡中。 3 2 1 普通相机 ( 1 ) c c d 相机的基本组成 c c d 相机构成的最重要的部分就是上面提到的图像传感料c d ，它的好坏将 直接决定了相机的档次和成像能力，因此可称之为相机的“心脏”。关于c c d ， 将在第四章作详细介绍。除此之外，还包括以下几个部件： 镜头 镜头是相机成像中除了c c d 外最重要的构件，可称为相机的“灵魂”。通过 它聚集光线，使景物聚焦蛩j c c d 上。关于镜头，将在第五章中作详细介绍。 取景器 为了确定被摄景物的范围和便于进行拍摄构图，照相机都应装有取景器。现 代照相机的取景器还带有测距、对焦功能。 控制曝光的机构快门和光圈 为了适应明暗不同的拍摄对象，以期在底片上获得j 下确的感光量，必须通过 快门控制曝光时问的长短，通过光圈控制进入镜头光线的强弱。 机身 它既是照相机的暗箱，又是照相机各组成部分的结合体。 # 3 # # 做m 概进 ( 2 ) 相机的分炎 相机傲可按其使用技术特征( 画幅大小、取最方式、快门形式、测光方式 等) 束分类，也可按外形和结构束分类。具体分类情况如下： 按传感器画幅尺寸 。f 分为3 5 【i r n 照相机( 常秫1 3 5 照相机) 、1 2 0 照相机、1 1 0 照相机、1 2 6 照相机、 中幅照相机和人幅照相机等。j 托( d 辅机来| 兑，土要按照c c d 芯片的尺寸束分。 按相机豹快门形式 t 叮分为镜头快门照相机( 又称中心快门照相机) 、焦平面快门j ! ( i 相机、程序快 门照相机等。 按相机具有的功能和技术特性 町分为自动调焦照相机，电测光手榨曝光照相机，电测光自动曝光照相机等。 按相机的用途柬分，如步成像照相机，立体照相机；有时也可按镜头的特性 分为变焦或双焦点照；f j 机。 按外型和结构分 町分为平视取景照相机和单镜头反光照相机。此外还有双镜头反光照相机、 折叠式照相机、转机、座机等等。 ( 3 ) 一些常见的相机光学结构 连动测距柑机 ，- l m n i _ 每j # 羹 镌瓣 幽35 迕动删* f 相机外观和测距原理 连动测距相机只有一个镜头，r 方彳丁观景宙以及一个对焦宙。它的外观和连 动测距原理如同35 所示，原耻图中 方为观景宙，内有一片半透镜，可以看到 观测对象；右方有个对焦窗，对焦窗内有反射镜，反射镜可将观删对象的。 部份反射经过础景窗的、# 透镜，l 札比观景宙中可以看到荣物的中央还有个山对 爨 讹 辛# 像系统概述 焦窗反射来的影像。对焦窗的反射镜f 方自连动丰，连动杆与镜头上的对焦环有 曩动关系。当对焦时，会影响连动杆，使反射镜转动，专反射镜中的影像与观景 窗中的影像重合时即为“台焦”。 双镜