一種基于視頻監(jiān)控的橋梁振動(dòng)測(cè)試與動(dòng)力特性識(shí)別方法
【專利摘要】一種基于視頻監(jiān)控的橋梁振動(dòng)測(cè)試與動(dòng)力特性識(shí)別方法，實(shí)施流程如下：A.系統(tǒng)搭建、初始配置與位移獲??；B.多點(diǎn)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)位移獲取、連續(xù)采集與存儲(chǔ)；C.對(duì)位移時(shí)程數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；D.對(duì)自由振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)處理獲得模態(tài)參數(shù)。
【專利說(shuō)明】
一種基于視頻監(jiān)控的橋梁振動(dòng)測(cè)試與動(dòng)力特性識(shí)別方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及到使用視頻監(jiān)控裝置對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試并運(yùn)用獲取的時(shí)程信號(hào)進(jìn)行動(dòng)力特性識(shí)別的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]橋梁的安全性至關(guān)重要，因而對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試非常必要。橋梁振動(dòng)測(cè)試和動(dòng)力特性識(shí)別是利用工程測(cè)量原理、方法以及精密測(cè)量技術(shù)，測(cè)量橋梁目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，通過(guò)對(duì)各次測(cè)量所得的橋梁目標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模態(tài)分析，與初期設(shè)計(jì)值及該橋以往的同一參數(shù)值相比較，對(duì)橋的運(yùn)行狀況做出科學(xué)評(píng)價(jià)，從而提出相應(yīng)的處理措施或振動(dòng)控制建議，進(jìn)而達(dá)到橋梁結(jié)構(gòu)安全預(yù)警的目的。
[0003]對(duì)于大型橋梁，雖然結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性已成為其安全監(jiān)測(cè)的一個(gè)重要指標(biāo)，但有效的振動(dòng)測(cè)試方法以及穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量手段對(duì)于技術(shù)人員仍然是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性識(shí)別，傳統(tǒng)的方法主要是利用加速度傳感器、速度傳感器或者位移傳感器，測(cè)量結(jié)構(gòu)在人為或環(huán)境激勵(lì)下的動(dòng)態(tài)加速度、速度或者位移，然后通過(guò)時(shí)域或頻域分析相關(guān)理論計(jì)算出結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率、幅值、阻尼比、模態(tài)及其他動(dòng)力特性參數(shù)。振動(dòng)測(cè)試方法當(dāng)中主要分為接觸式傳感器和非接觸式傳感器兩種，其中接觸式測(cè)量方法包括加速度傳感器方法和線性可變差分變壓器方法等，非接觸式測(cè)量方法包括激光多普勒測(cè)振儀方法、GPS方法和基于機(jī)器視覺(jué)的方法等。這些測(cè)量方法中接觸式測(cè)量方法因?yàn)樾枰诒粶y(cè)橋梁結(jié)構(gòu)上布置傳感器、傳輸線路和架設(shè)固定參考點(diǎn)等，不僅測(cè)量不方便而且直接影響結(jié)構(gòu)自身動(dòng)力特性，并且在測(cè)試過(guò)程中會(huì)對(duì)橋上交通產(chǎn)生一定影響，社會(huì)效益不佳。非接觸式測(cè)量方法大多是針對(duì)單目標(biāo)測(cè)點(diǎn)，如果需要多點(diǎn)測(cè)量，成本將大大提高，經(jīng)濟(jì)效益不佳，同時(shí)易受天氣環(huán)境干擾。
[0004]動(dòng)力特性識(shí)別主要分為頻域分析法和時(shí)域分析法兩種，以下針對(duì)其分類(lèi)進(jìn)行相關(guān)評(píng)述:
[0005]1、頻域分析法
[0006]這種方法是基于結(jié)構(gòu)的各階模態(tài)相互獨(dú)立，并構(gòu)成一個(gè)正交函數(shù)系的屬性，將結(jié)構(gòu)振動(dòng)分解為結(jié)構(gòu)模態(tài)分量的疊加，通過(guò)傅立葉變換，得出功率譜和頻響函數(shù)等。頻域識(shí)別方法的基本手段是傅立葉變換。
[0007]1.1峰值拾取法
[0008]頻域分析中較為簡(jiǎn)便的是峰值拾取法。峰值拾取法是根據(jù)頻響函數(shù)在固有頻率附近出現(xiàn)峰值的原理，用隨機(jī)響應(yīng)信號(hào)的功率譜代替頻響函數(shù)。假定響應(yīng)的功率譜峰值僅由一個(gè)模態(tài)確定，這樣系統(tǒng)的固有頻率由功率譜的峰值得到，用工作撓度曲線替代系統(tǒng)模態(tài)振型，但該方法不能識(shí)別密集模態(tài)。
[0009]1.2頻域分解法
[0010]頻域分解法是峰值拾取法的延伸，克服了峰值拾取法的缺點(diǎn)，其主要思想是:對(duì)響應(yīng)的功率譜進(jìn)行奇異值分解，將功率譜分解為對(duì)應(yīng)多模態(tài)的一組單自由度系統(tǒng)功率譜。頻域分解法識(shí)別精度高，有一定的抗干擾能力。
[0011]1.3時(shí)間序列法
[0012]時(shí)間序列法是一種利用參數(shù)模型對(duì)有序的隨機(jī)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)而求取模態(tài)參數(shù)的方法。通過(guò)對(duì)輸出的有序離散隨機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提取蘊(yùn)含在輸出數(shù)據(jù)中的系統(tǒng)固有特性，系統(tǒng)與激勵(lì)間的相互關(guān)系，以及輸入激勵(lì)的能量信息。這種方法適用于產(chǎn)生觀測(cè)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)沒(méi)有明確的定義或者系統(tǒng)的輸入不可觀測(cè)，或輸入雖可觀測(cè)但系統(tǒng)處于嚴(yán)重而不可觀測(cè)的噪聲干擾下的系統(tǒng)的特性估計(jì)。利用這種方法識(shí)別參數(shù)無(wú)能量泄漏，分辨率高，但定階問(wèn)題沒(méi)有很好的解決。
[0013]頻域識(shí)別法的優(yōu)點(diǎn)是物理概念清楚、直觀，數(shù)據(jù)處理工作量較小，測(cè)量精度要求不高，數(shù)據(jù)分析處理快速準(zhǔn)確，結(jié)果也較準(zhǔn)確，而且操作簡(jiǎn)便，適合實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理。但是頻域分析法成果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵是實(shí)測(cè)頻響函數(shù)質(zhì)量的好壞。當(dāng)原始數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性得不到保證時(shí)，頻域分析法的結(jié)果將出現(xiàn)偏差，在進(jìn)行傅立葉變換過(guò)程中也存在信息泄露缺失的可能性，而不準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)對(duì)于橋梁健康監(jiān)測(cè)無(wú)疑是毫無(wú)意義的。同時(shí)，頻域分析法往往需要知道輸入激勵(lì)信號(hào)的準(zhǔn)確表達(dá)形式，這就需要在實(shí)測(cè)時(shí)對(duì)橋梁人為施加激勵(lì)，在這一過(guò)程中將會(huì)對(duì)橋上交通產(chǎn)生不利影響。
[0014]2、時(shí)域分析法
[0015]時(shí)域分析法是直接對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的方法。它無(wú)需將所測(cè)得響應(yīng)與激勵(lì)的時(shí)程信號(hào)變換到頻域中去，而是直接在時(shí)域中進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)。時(shí)域法所采用的原始數(shù)據(jù)主要為結(jié)構(gòu)的自由振動(dòng)響應(yīng)，有的也采用結(jié)構(gòu)的脈沖響應(yīng)和強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)，這樣可以無(wú)需知道激勵(lì)就可單獨(dú)從響應(yīng)數(shù)據(jù)中辨識(shí)模態(tài)參數(shù)，這就為車(chē)輛或環(huán)境激勵(lì)下的橋梁動(dòng)力特性識(shí)別提供了可能性。時(shí)域識(shí)別方法有隨機(jī)減量法、特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法、隨機(jī)子空間方法和ITD方法等。
[0016]2.1隨機(jī)減量法
[0017]隨機(jī)減量法根據(jù)實(shí)測(cè)的隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)得到結(jié)構(gòu)的隨機(jī)減量特征，然后從隨機(jī)減量特征識(shí)別結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù):自振頻率、阻尼系數(shù)和振型。該方法利用時(shí)域的自由衰減響應(yīng)來(lái)識(shí)別模態(tài)參數(shù)。該方法對(duì)激勵(lì)的要求容易滿足，但在實(shí)測(cè)中要求在外激勵(lì)相對(duì)系統(tǒng)的最低固有頻率來(lái)說(shuō)比較平穩(wěn)的條件下記錄結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)。
[0018]2.2特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)法
[0019]特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)法是多輸入多輸出的時(shí)域模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法。它只需很短的自由響應(yīng)數(shù)據(jù)來(lái)識(shí)別參數(shù)，并且識(shí)別速度快，對(duì)低頻、密頻、重頻有很強(qiáng)的識(shí)別能力，更重要的是能得到系統(tǒng)的最小實(shí)現(xiàn)便于控制應(yīng)用，因而該方法得到廣泛的應(yīng)用。該方法能夠有效的識(shí)別模態(tài)參數(shù)，但這種算法也同樣存在著去噪，識(shí)別虛假模態(tài)和正確定階等問(wèn)題。
[0020]2.3隨機(jī)子空間法
[0021]隨機(jī)子空間法是基于線性系統(tǒng)離散狀態(tài)空間方程的識(shí)別方法，適用于平穩(wěn)激勵(lì)。同經(jīng)典的識(shí)別方法相比，子空間法不需要對(duì)模型預(yù)先參數(shù)化，避免了傳統(tǒng)方法因非線性迭代引起的數(shù)值的“病態(tài)”，尤其處理高階多變量系統(tǒng)能像處理單入單出系統(tǒng)一樣的簡(jiǎn)單。從信號(hào)處理的角度來(lái)看，子空間方法相當(dāng)于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了一次濾波處理，剔除了與輸入輸出無(wú)關(guān)的隨機(jī)噪聲，從而使其識(shí)別具有一定的抗干擾能力。
[0022]時(shí)域法可以克服頻域法的一些缺陷，特別是對(duì)大型復(fù)雜構(gòu)件，如海洋平臺(tái)、建筑物及水工結(jié)構(gòu)等受到風(fēng)、浪及大地脈動(dòng)的作用。它們?cè)诠ぷ髦谐惺艿妮d荷很難測(cè)量，但響應(yīng)信號(hào)容易測(cè)得，直接利用響應(yīng)的域信號(hào)進(jìn)行參數(shù)識(shí)別具有重要的意義。這種方法可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)識(shí)別，即可以通過(guò)連續(xù)運(yùn)行的設(shè)備在線參數(shù)識(shí)別。但是該方法成功的關(guān)鍵在于對(duì)噪聲模態(tài)的剔除，若無(wú)法依靠一定手段剔除噪聲的影響，結(jié)果將產(chǎn)生很大偏差。
[0023]以上幾種方法因?yàn)楦髯缘娜毕莶荒苡行Э煽康赜糜跇蛄航Y(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試與動(dòng)力特性識(shí)別。為了保證橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的準(zhǔn)確識(shí)別，確保橋梁的正常運(yùn)行，一種可靠有效的橋梁振動(dòng)測(cè)試與動(dòng)力特性識(shí)別方法至關(guān)重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0024]本發(fā)明要克服傳統(tǒng)橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試和動(dòng)力特性識(shí)別方法的不足，提出了一種基于視頻監(jiān)控的橋梁振動(dòng)測(cè)試與動(dòng)力特性識(shí)別方法。測(cè)量方法采用一種基于監(jiān)控相機(jī)的機(jī)器視覺(jué)動(dòng)態(tài)追蹤方法。測(cè)量裝置包括高速相機(jī)和計(jì)算機(jī)。
[0025]本發(fā)明要解決以下幾個(gè)方面的問(wèn)題:
[0026]—是解決傳統(tǒng)橋梁動(dòng)力特性識(shí)別方法中需要人為對(duì)橋梁施加激勵(lì)的弊端，改為使用車(chē)輛等環(huán)境激勵(lì)下的橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)測(cè)量與動(dòng)力特性識(shí)別。
[0027]二是解決傳統(tǒng)橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試方法因?yàn)閭鞲衅髋c被測(cè)結(jié)構(gòu)直接連接、現(xiàn)場(chǎng)布線、二次積分等帶來(lái)的測(cè)試誤差問(wèn)題，這里將監(jiān)控?cái)z像頭作為測(cè)量裝置，從而實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行遠(yuǎn)距離非接觸式動(dòng)態(tài)位移監(jiān)測(cè)。
[0028]三是解決由于天氣原因帶來(lái)造成的測(cè)量失準(zhǔn)問(wèn)題，比如大霧、下雨或者其他光線變化會(huì)造成相機(jī)無(wú)法有效可靠地對(duì)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別。
[0029]四是解決傳統(tǒng)基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的測(cè)試方法中需要在被測(cè)結(jié)構(gòu)上布置額外特征點(diǎn)的問(wèn)題，直接利用被測(cè)結(jié)構(gòu)表面的光學(xué)特征，比如特殊的紋理、圖案背景等作為測(cè)量目標(biāo)，使實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單方便。
[0030]本發(fā)明所述的一種基于視頻監(jiān)控的橋梁振動(dòng)測(cè)試與動(dòng)力特性識(shí)別方法，具體實(shí)施步驟如下:
[0031]A.系統(tǒng)搭建、初始配置與位移獲??；
[0032]Al.確定橋梁上結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)位移測(cè)點(diǎn)數(shù)量及位移采集的采樣頻率，并確定相機(jī)型號(hào)、鏡頭參數(shù)以及相機(jī)架設(shè)位置；
[0033]A2.架設(shè)相機(jī)并連接計(jì)算機(jī)等設(shè)備，調(diào)整相機(jī)鏡頭使得所有位移測(cè)點(diǎn)目標(biāo)均出現(xiàn)在相機(jī)視野當(dāng)中；
[0034]A3.反復(fù)調(diào)整相機(jī)曝光時(shí)間和增益值、鏡頭焦距等用以得到位移測(cè)點(diǎn)目標(biāo)的清晰圖像；
[0035]A4.提取位移測(cè)點(diǎn)的目標(biāo)在第一幀圖像(初始時(shí)刻)中的相關(guān)區(qū)域作為模板，并記錄下此時(shí)模板在圖像中的初始坐標(biāo)；
[0036]A5.用實(shí)際橋梁中兩點(diǎn)的距離除以其在圖像中對(duì)應(yīng)兩點(diǎn)的距離得到尺度轉(zhuǎn)換系數(shù)；
[0037]B.多點(diǎn)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)位移獲取、連續(xù)采集與存儲(chǔ)；
[0038]B1.用提取出的模板在相機(jī)后續(xù)拍攝到的圖像中進(jìn)行模板匹配任務(wù)，找到模板在當(dāng)前圖像中(t時(shí)刻)的匹配目標(biāo)并確定其坐標(biāo)，用尺度轉(zhuǎn)換系數(shù)乘以當(dāng)前圖像中目標(biāo)與初始圖像中目標(biāo)坐標(biāo)變化的差值即可得到目標(biāo)在t時(shí)刻的位移；
[0039]B2.制定動(dòng)態(tài)位移的連續(xù)采集及存儲(chǔ)策略，確定采樣頻率及采集時(shí)間；
[0040]B3.對(duì)橋梁上多個(gè)點(diǎn)的位移進(jìn)行連續(xù)位移采集，重復(fù)B3，直至滿足B2中制定的采集和存儲(chǔ)要求；
[0041 ] C.對(duì)位移時(shí)程數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；
[0042]Cl.提取各個(gè)測(cè)點(diǎn)的位移序列與時(shí)間序列得到測(cè)量時(shí)間內(nèi)的各個(gè)測(cè)點(diǎn)在環(huán)境激勵(lì)下的位移時(shí)程曲線；
[0043]C2.選取一個(gè)適當(dāng)?shù)某?shù)去截取振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，獲得一系列不同交點(diǎn)時(shí)刻開(kāi)始的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)并將其時(shí)間起始點(diǎn)移至坐標(biāo)原點(diǎn)；
[0044]C3.對(duì)一系列振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行疊加并平均處理，獲得初始位移為上一步中的常數(shù)、初始速度為O的自由振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，重復(fù)C3，直到獲得所有實(shí)際測(cè)點(diǎn)的自由振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)；
[0045]D.對(duì)自由振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)處理獲得模態(tài)參數(shù)；
[0046]Dl.根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)多自由度系統(tǒng)模態(tài)階數(shù)；
[0047]D2.根據(jù)任一測(cè)點(diǎn)的自由振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，采用延時(shí)方法構(gòu)造出包括實(shí)際測(cè)點(diǎn)和虛擬測(cè)點(diǎn)的自由振動(dòng)響應(yīng)矩陣；
[0048]D3.對(duì)D2中的實(shí)際測(cè)點(diǎn)和虛擬測(cè)點(diǎn)再次采用延時(shí)辦法獲得自由振動(dòng)延時(shí)響應(yīng)矩陣，根據(jù)響應(yīng)與特征值之間的復(fù)指數(shù)關(guān)系對(duì)兩個(gè)響應(yīng)矩陣建立特征矩陣的數(shù)學(xué)模型；
[0049]D4.根據(jù)自由振動(dòng)響應(yīng)矩陣和自由振動(dòng)延時(shí)響應(yīng)矩陣之間存在的關(guān)系構(gòu)造出一個(gè)僅有一列未知元素的Hessenberg矩陣，并用最小二乘法求解，根據(jù)特征矩陣的數(shù)學(xué)模型和Hessenberg矩陣計(jì)算出模態(tài)參數(shù)，重復(fù)D3和D4直到測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)全部處理；
[0050]D5.對(duì)每個(gè)實(shí)際測(cè)點(diǎn)所得的模態(tài)參數(shù)進(jìn)行算術(shù)平均或加權(quán)平均得到總體模態(tài)參數(shù)，Dl到D5運(yùn)用存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的模態(tài)處理程序進(jìn)行處理。
[0051]上述步驟中所提到的相機(jī)將采集到的視頻信息利用千兆以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸，保存在計(jì)算機(jī)硬盤(pán)當(dāng)中并即時(shí)進(jìn)行動(dòng)力特性識(shí)別處理。
[0052]在像素標(biāo)定中，運(yùn)用其他測(cè)量手段確定出各個(gè)測(cè)區(qū)的幾個(gè)標(biāo)識(shí)物與其在拍攝到圖像當(dāng)中對(duì)應(yīng)像素區(qū)域的關(guān)系，即確定出圖像中的一個(gè)像素代表實(shí)際的距離，標(biāo)定過(guò)程中的實(shí)際距離的確定考慮了相機(jī)鏡頭的朝向與仰角問(wèn)題。
[0053]模板匹配是指從初始拍攝圖像中找出要跟蹤的圖像區(qū)塊，以此時(shí)的圖像區(qū)塊信息作為基本信息，也就是模板基本信息，在后期跟蹤過(guò)程中，與拍攝到的圖像進(jìn)行相關(guān)匹配計(jì)算。相關(guān)匹配計(jì)算的主旨是為了找出后期跟蹤拍攝到的圖像中，哪一塊區(qū)域與模板最為相似，用數(shù)學(xué)的語(yǔ)言來(lái)講是哪一塊區(qū)域的基本信息與模板基本信息相關(guān)性大于閾值。在自適應(yīng)優(yōu)化算法中加入閾值自動(dòng)調(diào)整算法，即根據(jù)天氣等光線的變化調(diào)整閾值，使得模板匹配具有自適應(yīng)性。
[0054]本發(fā)明中除了前述提到的高速監(jiān)控?cái)z像頭和計(jì)算機(jī)等，還提供了一套存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)當(dāng)中的基于模板匹配算法的用于橋梁振動(dòng)測(cè)試與動(dòng)力特性識(shí)別的非接觸式結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)軟件平臺(tái)。
[0055]與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本技術(shù)有幾下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):
[0056]1、采用自然激勵(lì)下的時(shí)域分析法，監(jiān)測(cè)過(guò)程中無(wú)需對(duì)橋上交通進(jìn)行管制處理，不會(huì)對(duì)橋梁產(chǎn)生不利影響；
[0057]2、實(shí)現(xiàn)使用一臺(tái)攝像頭就能完成橋梁結(jié)構(gòu)的多點(diǎn)振動(dòng)測(cè)試，實(shí)現(xiàn)位移測(cè)點(diǎn)的準(zhǔn)分布式布置；
[0058]3、解決了傳統(tǒng)橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試方法中因?yàn)榧铀俣葌鞲衅鞯扰c被測(cè)結(jié)構(gòu)直接連接、現(xiàn)場(chǎng)布線、遠(yuǎn)距離傳輸、電磁干擾等帶來(lái)的測(cè)試誤差問(wèn)題，這里將相機(jī)作為測(cè)量裝置，從而實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行遠(yuǎn)距離非接觸式動(dòng)態(tài)位移監(jiān)測(cè)；
[0059]4、解決了由于天氣原因帶來(lái)造成的測(cè)量失準(zhǔn)問(wèn)題，比如大霧、下雨或者其他光線變化會(huì)造成相機(jī)無(wú)法有效可靠地對(duì)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別；
[0060]5、解決了傳統(tǒng)基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的測(cè)試方法中需要在被測(cè)結(jié)構(gòu)上布置額外特征點(diǎn)的問(wèn)題，直接利用被測(cè)結(jié)構(gòu)目標(biāo)表面的紋理、圖案背景等作為測(cè)量區(qū)域，使實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單方便；
[0061]6、高速相機(jī)的采樣頻率比傳統(tǒng)的加速度傳感器、GPS等高很多，完全能夠?qū)崿F(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)多點(diǎn)動(dòng)態(tài)位移測(cè)量以及進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性識(shí)別分析；
[0062]7、相較于其他測(cè)量方法，測(cè)量同樣的測(cè)點(diǎn)精度高、成本低、操作簡(jiǎn)單、攜帶方便。
【附圖說(shuō)明】
[0063]圖1本發(fā)明的測(cè)量案例，
[0064]圖2本發(fā)明的測(cè)量流程圖。
[0065]圖例說(shuō)明:圖1中的代號(hào)分別表不:
[0066]I—懸索橋
[0067]2—相機(jī)
[0068]3—鏡頭
[0069]4 一計(jì)算機(jī)
[0070]5—位移測(cè)量目標(biāo)[0071 ] 6—相機(jī)視野
[0072]7—位移測(cè)量目標(biāo)在相機(jī)拍攝到的圖像中的區(qū)域
[0073]8一位移時(shí)程曲線
[0074]9 一模態(tài)處理程序
【具體實(shí)施方式】
[0075]以下結(jié)合圖1中所示的案例和圖2中所示的工作流程進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
[0076]參見(jiàn)圖1和圖2，本發(fā)明中所舉案例為利用一種基于視頻監(jiān)控的橋梁振動(dòng)測(cè)試與動(dòng)力特性識(shí)別方法觀測(cè)一座懸索橋，對(duì)其實(shí)現(xiàn)多測(cè)點(diǎn)動(dòng)態(tài)振動(dòng)位移測(cè)量，以進(jìn)而完成對(duì)其的動(dòng)力特性識(shí)別，具體的實(shí)施步驟如下:
[0077]A.系統(tǒng)搭建、初始配置與位移獲?。?br>[0078]Al.確定懸索橋(I)上結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)位移測(cè)點(diǎn)數(shù)量及位移采集的采樣頻率，并確定相機(jī)
(2)型號(hào)、鏡頭(3)參數(shù)以及相機(jī)架設(shè)位置；
[0079]A2.架設(shè)相機(jī)并連接計(jì)算機(jī)(4)等設(shè)備，調(diào)整相機(jī)鏡頭使得所有位移測(cè)點(diǎn)目標(biāo)(5)均出現(xiàn)在相機(jī)視野(6)當(dāng)中；
[0080]A3.反復(fù)調(diào)整相機(jī)曝光時(shí)間和增益值、鏡頭焦距等用以得到位移測(cè)點(diǎn)目標(biāo)的清晰圖像(7);
[0081]A4.提取位移測(cè)點(diǎn)的目標(biāo)在第一幀圖像(初始時(shí)刻)中的相關(guān)區(qū)域作為模板，并記錄下此時(shí)模板在圖像中的初始坐標(biāo)；
[0082]A5.用實(shí)際橋梁中兩點(diǎn)的距離除以其在圖像中對(duì)應(yīng)兩點(diǎn)的距離得到尺度轉(zhuǎn)換系數(shù)；
[0083]B.多點(diǎn)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)位移獲取、連續(xù)采集與存儲(chǔ)；
[0084]B1.用提取出的模板在相機(jī)后續(xù)拍攝到的圖像中進(jìn)行模板匹配任務(wù)，找到模板在當(dāng)前圖像中(t時(shí)刻)的匹配目標(biāo)并確定其坐標(biāo)，用尺度轉(zhuǎn)換系數(shù)乘以當(dāng)前圖像中目標(biāo)與初始圖像中目標(biāo)坐標(biāo)變化的差值即可得到目標(biāo)在t時(shí)刻的位移；
[0085]B2.制定動(dòng)態(tài)位移的連續(xù)采集及存儲(chǔ)策略，確定采樣頻率及采集時(shí)間；
[0086]B3.對(duì)橋梁上多個(gè)點(diǎn)的位移進(jìn)行連續(xù)位移采集，重復(fù)B3，直至滿足B2中制定的采集和存儲(chǔ)要求；
[0087]C.對(duì)位移時(shí)程數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；
[0088]Cl.提取各個(gè)測(cè)點(diǎn)的位移序列與時(shí)間序列得到測(cè)量時(shí)間內(nèi)的各個(gè)測(cè)點(diǎn)在環(huán)境激勵(lì)下的位移時(shí)程曲線(8);
[0089]C2.選取一個(gè)適當(dāng)?shù)某?shù)去截取振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，獲得一系列不同交點(diǎn)時(shí)刻開(kāi)始的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)并將其時(shí)間起始點(diǎn)移至坐標(biāo)原點(diǎn)；
[0090]C3.對(duì)一系列振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行疊加并平均處理，獲得初始位移為上一步中的常數(shù)、初始速度為O的自由振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，重復(fù)C3，直到獲得所有實(shí)際測(cè)點(diǎn)的自由振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)；
[0091]D.對(duì)自由振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)處理獲得模態(tài)參數(shù)；
[0092]Dl.根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)多自由度系統(tǒng)模態(tài)階數(shù)；
[0093]D2.根據(jù)任一測(cè)點(diǎn)的自由振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，采用延時(shí)方法構(gòu)造出包括實(shí)際測(cè)點(diǎn)和虛擬測(cè)點(diǎn)的自由振動(dòng)響應(yīng)矩陣；
[0094]D3.對(duì)D2中的實(shí)際測(cè)點(diǎn)和虛擬測(cè)點(diǎn)再次采用延時(shí)辦法獲得自由振動(dòng)延時(shí)響應(yīng)矩陣，根據(jù)響應(yīng)與特征值之間的復(fù)指數(shù)關(guān)系對(duì)兩個(gè)響應(yīng)矩陣建立特征矩陣的數(shù)學(xué)模型；
[0095]D4.根據(jù)自由振動(dòng)響應(yīng)矩陣和自由振動(dòng)延時(shí)響應(yīng)矩陣之間存在的關(guān)系構(gòu)造出一個(gè)僅有一列未知元素的Hessenberg矩陣，并用最小二乘法求解，根據(jù)特征矩陣的數(shù)學(xué)模型和Hessenberg矩陣計(jì)算出模態(tài)參數(shù)，重復(fù)D3和D4直到測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)全部處理；
[0096]D5.對(duì)每個(gè)實(shí)際測(cè)點(diǎn)所得的模態(tài)參數(shù)進(jìn)行算術(shù)平均或加權(quán)平均得到總體模態(tài)參數(shù)，Dl到D5運(yùn)用存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的模態(tài)處理程序(9)進(jìn)行處理。
[0097]上述步驟中所提到的監(jiān)控?cái)z像機(jī)機(jī)將采集到的視頻信息利用千兆以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸，保存在計(jì)算機(jī)硬盤(pán)當(dāng)中并即時(shí)進(jìn)行動(dòng)力特性識(shí)別處理。
[0098]在像素標(biāo)定中，運(yùn)用其他測(cè)量手段確定出各個(gè)測(cè)區(qū)的幾個(gè)標(biāo)識(shí)物與其在拍攝到圖像當(dāng)中對(duì)應(yīng)像素區(qū)域的關(guān)系，即確定出圖像中的一個(gè)像素代表實(shí)際的距離，標(biāo)定過(guò)程中的實(shí)際距離的確定考慮了相機(jī)鏡頭的朝向與仰角問(wèn)題。
[0099]模板匹配是指從初始拍攝圖像中找出要跟蹤的圖像區(qū)塊，以此時(shí)的圖像區(qū)塊信息作為基本信息，也就是模板基本信息，在后期跟蹤過(guò)程中，與拍攝到的圖像進(jìn)行相關(guān)匹配計(jì)算。相關(guān)匹配計(jì)算的主旨是為了找出后期跟蹤拍攝到的圖像中，哪一塊區(qū)域與模板最為相似，用數(shù)學(xué)的語(yǔ)言來(lái)講是哪一塊區(qū)域的基本信息與模板基本信息相關(guān)性大于閾值。在自適應(yīng)優(yōu)化算法中加入閾值自動(dòng)調(diào)整算法，即根據(jù)天氣等光線的變化調(diào)整閾值，使得模板匹配具有自適應(yīng)性。
[0100]本發(fā)明中除了前述提到的高速監(jiān)控?cái)z像頭和計(jì)算機(jī)等，還提供了一套存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)當(dāng)中的基于模板匹配算法的用于橋梁振動(dòng)測(cè)試與動(dòng)力特性識(shí)別的非接觸式結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)軟件平臺(tái)。
[0101]本說(shuō)明書(shū)實(shí)施案例所述的內(nèi)容僅僅是對(duì)發(fā)明構(gòu)思的實(shí)現(xiàn)形式的列舉，本發(fā)明的保護(hù)范圍不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于實(shí)施案例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護(hù)范圍也及于本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于視頻監(jiān)控的橋梁振動(dòng)測(cè)試與動(dòng)力特性識(shí)別方法，具體實(shí)施步驟如下: A.系統(tǒng)搭建、初始配置與位移獲??； Al.確定橋梁上結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)位移測(cè)點(diǎn)數(shù)量及位移采集的采樣頻率，并確定相機(jī)型號(hào)、鏡頭參數(shù)以及相機(jī)架設(shè)位置； A2.架設(shè)相機(jī)并連接計(jì)算機(jī)等設(shè)備，調(diào)整相機(jī)鏡頭使得所有位移測(cè)點(diǎn)目標(biāo)均出現(xiàn)在相機(jī)視野當(dāng)中； A3.反復(fù)調(diào)整相機(jī)曝光時(shí)間和增益值、鏡頭焦距等用以得到位移測(cè)點(diǎn)目標(biāo)的清晰圖像；A4.提取位移測(cè)點(diǎn)的目標(biāo)在第一幀圖像(初始時(shí)刻)中的相關(guān)區(qū)域作為模板，并記錄下此時(shí)模板在圖像中的初始坐標(biāo)； A5.用實(shí)際橋梁中兩點(diǎn)的距離除以其在圖像中對(duì)應(yīng)兩點(diǎn)的距離得到尺度轉(zhuǎn)換系數(shù)； B.多點(diǎn)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)位移獲取、連續(xù)采集與存儲(chǔ)； B1.用提取出的模板在相機(jī)后續(xù)拍攝到的圖像中進(jìn)行模板匹配任務(wù)，找到模板在當(dāng)前圖像中(t時(shí)刻)的匹配目標(biāo)并確定其坐標(biāo)，用尺度轉(zhuǎn)換系數(shù)乘以當(dāng)前圖像中目標(biāo)與初始圖像中目標(biāo)坐標(biāo)變化的差值即可得到目標(biāo)在t時(shí)刻的位移； B2.制定動(dòng)態(tài)位移的連續(xù)采集及存儲(chǔ)策略，確定采樣頻率及采集時(shí)間； B3.對(duì)橋梁上多個(gè)點(diǎn)的位移進(jìn)行連續(xù)位移采集，重復(fù)B3，直至滿足B2中制定的采集和存儲(chǔ)要求； C.對(duì)位移時(shí)程數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理； Cl.提取各個(gè)測(cè)點(diǎn)的位移序列與時(shí)間序列得到測(cè)量時(shí)間內(nèi)的各個(gè)測(cè)點(diǎn)在環(huán)境激勵(lì)下的位移時(shí)程曲線； C2.選取一個(gè)適當(dāng)?shù)某?shù)去截取振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，獲得一系列不同交點(diǎn)時(shí)刻開(kāi)始的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)并將其時(shí)間起始點(diǎn)移至坐標(biāo)原點(diǎn)； C3.對(duì)一系列振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行疊加并平均處理，獲得初始位移為上一步中的常數(shù)、初始速度為O的自由振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，重復(fù)C3，直到獲得所有實(shí)際測(cè)點(diǎn)的自由振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)； D.對(duì)自由振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)處理獲得模態(tài)參數(shù)； Dl.根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)多自由度系統(tǒng)模態(tài)階數(shù)； D2.根據(jù)任一測(cè)點(diǎn)的自由振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，采用延時(shí)方法構(gòu)造出包括實(shí)際測(cè)點(diǎn)和虛擬測(cè)點(diǎn)的自由振動(dòng)響應(yīng)矩陣； D3.對(duì)D2中的實(shí)際測(cè)點(diǎn)和虛擬測(cè)點(diǎn)再次采用延時(shí)辦法獲得自由振動(dòng)延時(shí)響應(yīng)矩陣，根據(jù)響應(yīng)與特征值之間的復(fù)指數(shù)關(guān)系對(duì)兩個(gè)響應(yīng)矩陣建立特征矩陣的數(shù)學(xué)模型； D4.根據(jù)自由振動(dòng)響應(yīng)矩陣和自由振動(dòng)延時(shí)響應(yīng)矩陣之間存在的關(guān)系構(gòu)造出一個(gè)僅有一列未知元素的Hessenberg矩陣，并用最小二乘法求解，根據(jù)特征矩陣的數(shù)學(xué)模型和Hessenberg矩陣計(jì)算出模態(tài)參數(shù)，重復(fù)D3和D4直到測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)全部處理； D5.對(duì)每個(gè)實(shí)際測(cè)點(diǎn)所得的模態(tài)參數(shù)進(jìn)行算術(shù)平均或加權(quán)平均得到總體模態(tài)參數(shù)，D1到D5運(yùn)用存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的模態(tài)處理程序進(jìn)行處理。
【文檔編號(hào)】G01M7/02GK105865735SQ201610283389
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年4月29日
【發(fā)明人】葉肖偉, 董傳智, 周凌霄, 詹興斌, 丁通
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué)