白光数字图像频域分析法在测量梁桥挠度中的应用

Ｅ￣ｍａｉｌ:１８６３０１２６３８８＠ ｓｉｎａ.ｃｎ Ｅ￣ｍａｉｌ:ｙｘｗｔｒｌ＠ ｔｊｕ.ｅｄｕ.ｃｎ
第 １２ 期
隋修志等:白光数字图像频域分析法在测量梁桥挠度中的应用
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２㊀ 试验过程及结果分析
㊀ ㊀ 测量桥梁挠度需要选择关键的测量点ꎮ 由实际测得 的特殊部位挠度值ꎬ根据挠度计算公式即可估算桥梁各
值ꎮ Ｇ ０( Ｘ ꎬＹ) 为 δ ０( ｘꎬｙ) 的傅里叶变换ꎮ ң ｒ 为谱平面上 的位置矢量ꎬ ｄ 是位移矢量ꎮ
ң
＝ １ꎻ( ｘꎬｙ) ꎬ( Ｘ ꎬＹ) 分别表示物平面㊁ 谱平面上的坐标
∬
ң
ң
(２)
机㊁相机支架ꎮ 系统软件是在 Ｗｉｎｄｏｗｓ ＸＰ 下运行的 图像采集软件万维数字图像和在 Ｗｉｎｄｏｗｓ ７ 系统下处 理图片的 ＭａｔＬａｂ 软件ꎮ 接 ＣＣＤ 相机与笔记本电脑ꎬ打开电脑和采集图像的软 件ꎻ②将要拍摄的区域进行标定ꎬ 对 ＣＣＤ 相机进行调 整和调焦距ꎬ直到图像清晰为止ꎻ③ 准备秒表ꎬ 取桥梁 单跨中点为观测点ꎬ 首先对列车经过前进行拍摄㊁ 记 录ꎬ在火车通过时ꎬ以 ５ ｓ 为时间间隔连续拍摄 ７ 张照 ２������ ２㊀ 图像处理 片ꎬ直到火车通过桥梁ꎮ 试验步骤:①架设照相机支架ꎬ安装 ＣＣＤ 相机ꎬ连
图 １㊀ 变形前后的小区域
２������ １㊀ 试验设备及步骤
个位置的挠度变形ꎮ 本文只研究单跨桥梁中点的挠度ꎮ
㊀
式中: Ｇ ０( Ｘ ꎬＹ) ＝ δ ０( ｘꎬｙ) ｅｘｐ[ － ２π ｉ( ｘＸ ＋ ｙＹ) ] ｄｘｄｙ
＝ ２Ｇ ０( Ｘ ꎬＹ) {１ ＋ ｅｘｐ[ － ｉπ(２ ｒ ������ ｄ ) ] } ㊀
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研究了
１㊀ 白光数字图像频域分析法原理
㊀ ㊀ 对于图像中一个很小的区域ꎬ 认为各点的位移是 相同的ꎮ 光学中的逐点分析所看到的图像是光束照明 区域内图像函数的功率谱ꎮ 对于小区域的图像进行傅 里叶变换可以得到频谱ꎬ 其平方除以空间尺度就得到 功率谱ꎮ 用一对 δ 函数代表同一点变形前后的灰度分 １ 所示ꎮ 布ꎬδ ０( ｘꎬｙ) 为试件未变形前的灰度分布ꎬδ １ ( ｘꎬ ｙ ) 为变 形后的灰度分布ꎬ因此有 δ １( ｘꎬｙ) ＝ δ ０( ｘ ＋ ｕꎬｙ ＋ ｖ ) ꎬ如图 为变形前和变形后光强之和ꎬ可表示为 ｇ( ｘꎬｙ) ＝ δ ０( ｘꎬｙ) ＋ δ ０( ｘ ＋ ｄｃｏｓθꎬｙ ＋ ｄｓｉｎθ) (１) ㊀ ㊀ 对式(１) 进行一次傅里叶变换ꎬ得到其频谱为 ㊀ Ｇ ( Ｘ ꎬＹ) ＝ Ｇ ０( Ｘ ｆ ꎬＹ ｆ ) {１ ＋ ｅｘｐ[２πｉ( ｕＸ ＋ ｖＹ) ] } 孔对连线与 ｘ 轴夹角为 θꎬ 孔对间距离为 ｄꎮ 设 ｇ
[６] [５]
接触ꎬ或者安装在被测量区域内ꎬ 操作过程较为复杂ꎬ 在一些危险区域无法使用ꎻ③测量器件不能重复使用ꎬ 关于测量桥梁挠度的方法ꎬ 谢毅等
[３]
研究了用地
[４]
研究了精 研究了新
光电传感技术检测桥梁的动挠度ꎻ 徐会锋
研究了用悬丝位移
[７] [８]
型倾角仪测量桥梁挠度的理论方法ꎻ 王峰波
用 ＧＰＳ 监测桥梁位移及挠度ꎻ吉建功 [９] 研究了基于单 片机测量桥梁挠度的方法等ꎮ 这些方法成本高ꎬ 精度 低ꎬ安全性低ꎬ维护困难ꎬ检测仪器安装不方便ꎬ不能长 期使用ꎮ 本文将白光数字图像频域分析法 白光数字图像频域分析法
[１￣２]
(１. 石家庄铁路职业技术学院ꎬ河北 石家庄㊀ ０５００４１ꎻ２. 石家庄铁道大学ꎬ河北 石家庄㊀ ０５００４３)
中图分类号㊀ Ｕ４４６.１㊀ ㊀ 文献标识码㊀ Ａ㊀ ㊀ ＤＯＩ:１０.３９６９ / ｊ.ｉｓｓｎ.１００３￣１９９５.２０１７.１２.１１ 中ꎬ 斑法和计算机数字图像频域相干分析的全场㊁非破坏㊁ 无需相干光源的位移和变形测量方法ꎮ 该方法是通过 ＣＣＤ 摄像机记录物体变形或运动前后的灰度图像ꎬ 在 计算机中将其数字化ꎬ 以物体表面随机分布的灰度或 特征斑纹为计算载体ꎬ 对变形前后的图像通过傅里叶 变换之后ꎬ在频域进行分析和提取位移信息ꎬ并用逐点 和全场的条纹显示ꎮ 白光数字图像频域分析法已经发 展到逐点分析法和全场分析法以及逐点相移法和全场 测试系统简单ꎬ仅需 ＣＣＤ 摄像机和电脑ꎬ 对于测试表 面一般无需特殊处理ꎮ 条纹的提取是在频域进行ꎬ 受 光强的影响低于其他的数字图像相关法ꎮ 特别是对于 半透明物体ꎬ白光数字图像频域分析法也能够测得其 位移与变形ꎬ并且对于离焦的图像ꎬ一样可以采用该方 法进行处理ꎬ应用范围广泛ꎮ 相移法ꎮ 特别是相移法的引入ꎬ 实现了全自动测量ꎮ
位移与变形是梁桥安全性的主要测量参数ꎮ 这些参数 一般通过接触式试验方法 ( 应变片法和位移计法 ) 获 得ꎮ 接触式试验方法的优点是传输快ꎬ 能实时得到测 量数据ꎬ但是缺点也很明显:① 需人工布点ꎬ 人为因素 较多ꎬ安全性较低ꎻ②必须将测量仪器与被测量的物体 测量成本较高ꎻ④只能测量特定点的位移ꎬ达不到全场 测量的要求ꎬ且测量精度较低ꎮ 震式低频振动传感器测量桥梁的动挠度ꎻ 许娅娅等 探讨了用全站仪观测桥梁挠度ꎻ 刘山洪等 密水准法测量桥梁挠度ꎻ 于爱玲
２０１７ 年 １２ 月
第 ５７ 卷 第 １２ 期
Ｒａｉｌｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｅｒ ２０１７
Ｖｏｌ.５７ Ｎｏ.１２
文章编号:１００３￣１９９５( ２０１７) １２￣００４０￣０５
白光数字图像频域分析法在测量梁桥挠度中的应用
隋修志１ ꎬ杨新伟１ ꎬ田瑞兰２
摘㊀ 要㊀ 将白光数字图像频域分析法引入到桥梁挠度测量中ꎬ阐述了其原理ꎬ并通过现场连续拍摄列车 通过桥梁时跨中局部区域的照片和后期图像处理分析得到挠度变化过程曲线ꎮ 白光数字图像频域分析 法具有光路简单㊁操作方便㊁能进行近程和远程测量㊁测量精度高㊁测量成本低等优点ꎬ 能克服传统检测 方法的缺点ꎮ 关键词㊀ 铁路桥梁ꎻ挠度测量ꎻ白光数字图像频域分析法ꎻ原理ꎻ现场试验 ㊀ ㊀ 梁桥承载能力和安全性的评估方法和技术一直是 国内外桥梁安全领域的研究热点ꎮ 在荷载试验
测量桥梁挠度ꎬ能克服常规测量方法的缺点ꎮ
收稿日期:２０１７￣０６￣０８ꎻ修回日期:２０１７￣０７￣１１ 基金项目( Ａ２０１５４２１００６)
用于
是基于白光数字散
基金项目:河北省教育厅重点项目 ( ＺＤ２０１６１５１) ꎻ 河北省自然基金青年 第一作者:隋修志(１９６４ 通信作者:杨新伟(１９７９ ) ꎬ男ꎬ教授ꎬ硕士ꎮ ) ꎬ男ꎬ教授ꎬ博士ꎮ