基于视频图像的结构振动监测研究

论文摘要

振动位移和频率是工程结构动力特性分析的基本参数,是进行结构实验和分析中极其有价值的原始数据,也是结构检测的难点和工程研究的热点,是保证施工,运行安全的重要监测量。对于大型土木工程结构,难以为其位移监测寻找固定的参考点,各种传统的位移监测方法都有其局限性,而位移是最直接和最有价值的信息,因此发展一种远距离、非接触的观测手段,并且能够实现自动记录、处理连续数据的实时系统是非常必要的工作。本文针对土木工程结构,通过采集视频,再将视频转化为数字图像的方法,基于数字散斑相关原理,获取位移信息,进而求得振动频率。本文对此方法进行了理论探讨和实验验证。视频图像测量是一种基于视频图像的非接触获取空间信息的重要手段,是把图像当作检测和传递信息的手段而加以利用的测量方法,通过提取图像的特征信息,最终从图像中获取被测对象的实际信息。而数字图像技术的发展使空间信息的获取、处理得到飞速发展,已逐步迈向自动化、实时化和智能化。将这些高科技应用于土木工程,提供结构实验、监测的实时动态空间信息数据流,从而实现结构诊断评估智能化,是当前发展的热点。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。本研究完善了基于数字图像处理技术进行工程结构动态位移监测的方法,分别进行一维运动和二维运动的监测实验研究,对三维运动监测进行理论上探讨。在实验室里对不同的监测结构物上的标志点进行视频图像采集,用数字视频编辑软件将动态数字图像转换为逐帧存储的连续静态数字图像序列；用Matlab编程对其中的一些帧进行系统标定,通过手动框选的方法对图像进行点击确认散斑大小和范围,程序自动进行逐帧连续批量处理,获得动态目标点的坐标,并绘制出运动曲线。用这种方法可以实现动态位移的连续监测,并对其中的一些实验数据进行频域分析。通过理论与实验研究表明,在像素够高和环境合适的情况下,此方法精度高,处理速度快,操作简便,可以适应一般的工程环境。本文为视频监测技术用于大型土木工程结构振动监测,提供了理论与实验研究基础,对该技术的工程应用起到积极推动作用。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目录
• 插图清单
• 列表清单
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 桥梁图像监测技术研究现状及存在问题
• 1.2.1 桥梁健康监测现状
• 1.2.2 桥梁图像监测国内外现状
• 1.2.3 存在问题
• 1.3 本文研究目的和主要内容
• [本章参考文献]
• 第二章 视频图像监测的概念,原理与方法
• 2.1 引言
• 2.2 视频法监测与传统监测的对比
• 2.2.1 传统监测方法
• 2.2.2 视频监测
• 2.2.3 摄影测量的发展
• 2.3 数字图像测量方法
• 2.3.1 灰度图像
• 2.3.2 散斑相关
• 2.3.3 数字图像原理
• 2.3.4 数字图像测量
• 2.3.5 误差分析
• 2.4 视频图像频谱分析
• 2.5 本章小节
• [本章参考文献]
• 第三章 一维结构振动视频监测实验研究
• 3.1 引言
• 3.2 数字视频图像理论分析
• 3.2.1 视频监测的现状以及发展
• 3.2.2 视频转化为图像
• 3.2.3 动态图片处理技术
• 3.3 实验研究
• 3.4 一维结构振动实验结果分析
• 3.4.1 分析本文方法的可行性
• 3.4.2 对比不同尺寸散斑
• 3.4.3 对比天然散斑和人工散斑
• 3.4.4 对比相似散斑
• 3.5 视频监测研究结构的模态分析
• 3.5.1 基于Matlab的FFT变换理论
• 3.5.2 简支钢梁模态理论和实验分析
• 3.5.3 悬臂钢梁模态理论和实验分析
• 3.5.4 斜拉索模态理论和实验分析
• 3.6 本章小节
• [本章参考文献]
• 第四章 二维结构振动监测实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 视频全景式监测实验
• 4.2.1 全景式监测实验的分析
• 4.2.2 实验装置
• 4.2.3 左右液面和左右活塞的监测研究分析
• 4.2.4 上下位移传感器的监测研究分析
• 4.2.5 上部传感器放大的监测研究分析
• 4.2.6 下部传感器放大的监测研究分析
• 4.3 本章小结
• [本章参考文献]
• 第五章 三维结构振动视频监测理论分析
• 5.1 引言
• 5.2 三维测量的相关参数简介
• 5.2.1 内方位元素
• 5.2.2 外方位元素
• 5.3 三维测量散斑标志点的设计与实现
• 5.4 空间坐标与像平面坐标之间的转换
• 5.5 三维测量中相机镜头径向畸变修正
• 5.6 本章小节
• [本章参考文献]
• 第六章 总结与展望
• 6.1 成果小结
• 6.2 改进建议
• 6.3 展望
• 作者简历及在学期间所取得的科研成果
• 1. 作者简介
• 2. 科研成果