基于數(shù)碼攝像的結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)方法研究

基于數(shù)碼攝像的結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)方法研究

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，大型土木工程也在不斷增加，尤其是大型橋梁和大型橋梁的結(jié)構(gòu)。以廣州市為例,近幾年來(lái)正在興建的廣州新電視塔、廣州西塔以及即將興建的廣州東塔,都屬于超高超柔結(jié)構(gòu)。在動(dòng)力特性方面,這類高聳結(jié)構(gòu)的第一階振動(dòng)頻率很低,如建成后的廣州新電視塔的第一階振動(dòng)頻率不足0.1Hz,屬于高柔結(jié)構(gòu),對(duì)風(fēng)荷載作用非常敏感;另外,由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性與不對(duì)稱性,溫度的變化也可能對(duì)這類結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過(guò)大的變形,從而危及安全。所以,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)了解這類結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載和溫度變化下的動(dòng)態(tài)特性,對(duì)結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估起著非常重要的作用。用于結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)的傳統(tǒng)方法有加速度傳感器法、位移傳感器法和全站儀自動(dòng)掃描法等。加速度傳感器法是將加速度傳感器安裝在結(jié)構(gòu)物上,測(cè)試其在振動(dòng)時(shí)的加速度,通過(guò)加速度積分求位移,此方法的缺點(diǎn)是加速度兩次積分后位移誤差較大。位移傳感器是一種接觸型傳感器,必須與測(cè)點(diǎn)相接觸,缺點(diǎn)是對(duì)于難以接近的點(diǎn)無(wú)法測(cè)量。全站儀自動(dòng)掃描法存在的缺陷主要是實(shí)時(shí)性較差。以上傳統(tǒng)觀測(cè)技術(shù)因受其能力所限,已不能滿足大型構(gòu)筑物動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的要求。另外,近年來(lái)隨著GPS硬件和軟件技術(shù)的發(fā)展,利用動(dòng)態(tài)GPS技術(shù)監(jiān)測(cè)高聳結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性也開始得到應(yīng)用。然而作為GPS技術(shù)本身它還受到自身的諸多因素的綜合影響。這些因素主要包括:多路徑效應(yīng),衛(wèi)星可視性條件,衛(wèi)星幾何圖形強(qiáng)度變化,區(qū)域電子干擾等。為更準(zhǔn)確的獲得結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變形信息,急需有另外一種高效的實(shí)時(shí)的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)技術(shù)來(lái)與GPS監(jiān)測(cè)結(jié)果復(fù)核校準(zhǔn)。采用基于數(shù)碼攝像的圖像處理技術(shù)對(duì)建(構(gòu))筑物進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)是近年來(lái)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)發(fā)展的一個(gè)新的突破與熱點(diǎn)。例如,國(guó)外的Lee等人開發(fā)的基于數(shù)碼攝像的圖像處理系統(tǒng)應(yīng)用于鋼箱梁橋梁的車載試驗(yàn),成功地測(cè)得鋼箱梁的動(dòng)態(tài)位移變形,結(jié)果與激光測(cè)振儀的結(jié)果吻合得很好;香港的Chang等人也開發(fā)了類似的系統(tǒng),成功地測(cè)得橋索的動(dòng)態(tài)特性;國(guó)內(nèi)的羅洪斌等開發(fā)了基于圖像處理的工程結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)位移實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),應(yīng)用于橋梁的工程檢測(cè)之中。以上國(guó)內(nèi)外學(xué)者開發(fā)的系統(tǒng)雖然在工程上都得到較好的應(yīng)用,但是都只局限于能量測(cè)到幾十米或者上百米距離結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性,而大跨度橋梁或者高聳結(jié)構(gòu)(如廣州新電視塔)則對(duì)系統(tǒng)提出更高的要求,需要量測(cè)到幾百米甚至上千米遠(yuǎn)距離結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。本文以主結(jié)構(gòu)建成后的廣州新電視塔為研究背景,利用工業(yè)數(shù)碼攝像機(jī)對(duì)其在一般風(fēng)荷載作用下的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行監(jiān)測(cè)試驗(yàn),并與GPS和加速度計(jì)同時(shí)測(cè)量比較。數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明,利用數(shù)碼攝像系統(tǒng)獲得的塔頂動(dòng)位移時(shí)程曲線與GPS獲得的動(dòng)位移曲線吻合得較好;利用數(shù)碼攝像技術(shù)能夠準(zhǔn)確的識(shí)別高聳結(jié)構(gòu)的低階振動(dòng)頻率,其獲得的結(jié)構(gòu)一階振動(dòng)頻率,與GPS、加速度計(jì)識(shí)別結(jié)果以及有限元分析結(jié)果吻合得很好。本文研究結(jié)果表明,在高聳結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)中,應(yīng)用數(shù)碼攝像技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性監(jiān)測(cè)是一種有效的新方法。1結(jié)構(gòu)形式—廣州新電視塔概況廣州新電視塔(如圖1)是廣州市新的地標(biāo)性的重點(diǎn)工程,主結(jié)構(gòu)已于2009年5月份建成。新電視塔的建筑結(jié)構(gòu)是由一個(gè)向上旋轉(zhuǎn)橢圓形鋼外殼變化形成,相對(duì)于塔的頂、底部,其腰部纖細(xì)。整體結(jié)構(gòu)采用筒中筒結(jié)構(gòu),通過(guò)其外部的鋼斜柱、斜撐、環(huán)梁和內(nèi)部的鋼筋混凝土筒(截面表現(xiàn)為橢圓形)充分展現(xiàn)了非凡的建筑造型。鋼結(jié)構(gòu)外筒包括三種類型的構(gòu)件:立柱,環(huán)梁和斜撐,是主要的垂直承重及抗側(cè)向力結(jié)構(gòu)。其中立柱共有24根,由地下二層柱定位點(diǎn)沿直線至塔體頂部相應(yīng)的柱定位點(diǎn),全部采用鋼管混凝土組合柱。廣州新電視塔具有結(jié)構(gòu)超高、形體奇特、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn),在超高層建筑發(fā)展史上具有里程碑的意義。因此,進(jìn)行建造過(guò)程的施工監(jiān)控與運(yùn)營(yíng)期間的健康監(jiān)測(cè)具有十分重要的意義,一個(gè)包括超過(guò)700個(gè)傳感器的長(zhǎng)期結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)在廣州新電視塔上實(shí)施,而開發(fā)并利用基于數(shù)碼攝像技術(shù)的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)位移實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性監(jiān)測(cè)正是該結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分之一。2基于特征匹配的圖像分析方法基于數(shù)碼攝像技術(shù)的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)位移實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)主要組成部分:①工業(yè)數(shù)碼相機(jī)和前端放大鏡頭(圖2);②筆記本電腦和數(shù)碼相機(jī)供電系統(tǒng),筆記本電腦用于采集和存儲(chǔ)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)(圖3);③自開發(fā)系統(tǒng)軟件(界面如圖4);④如果是晚上或者光線條件較差的情況下,可利用LED燈作為標(biāo)靶(如圖5),在一般白天光線較好情況下,則無(wú)須此設(shè)備。本文系統(tǒng)采用ProsilicaGigE生產(chǎn)的GC655型號(hào)工業(yè)數(shù)碼相機(jī),像素2456×2058,千兆網(wǎng)絡(luò)接口,最高采用頻率15Hz;前端放大鏡頭為Navitar生產(chǎn)的24X變焦鏡頭。采集筆記本采用一般市面上的筆記本即可,最cameraanditslens圖3筆記本與數(shù)碼相機(jī)系統(tǒng)電源Fig.3Lap-topcomputerandpowersupplyfordigitalcamerasystem圖4自開發(fā)系統(tǒng)軟件界面Fig.4Interfaceoftheself-developingsoftware好有千兆網(wǎng)絡(luò)接口,而電源也只需要一般的便攜式電源,這樣整個(gè)系統(tǒng)輕便易攜帶。所開發(fā)系統(tǒng)軟件利用特征模式匹配圖像識(shí)別算法,能夠?qū)崟r(shí)顯示并存儲(chǔ)所選目標(biāo)點(diǎn)的兩個(gè)垂直方向的位移變化;并且可根據(jù)實(shí)際需要調(diào)節(jié)采用頻率和曝光度等?；谔卣髌ヅ涞膱D像分析方法分兩步:第一步,在兩時(shí)刻的圖像分別確定同一目標(biāo)物體并確定該目標(biāo)物體中心點(diǎn)在圖像中的對(duì)應(yīng)坐標(biāo);第二步,從對(duì)應(yīng)點(diǎn)坐標(biāo)解一組方程求出運(yùn)動(dòng)參數(shù)。假使剛體物體上一點(diǎn)p在t1和t2時(shí)刻分別位于三維空間坐標(biāo)(X,Y,Z)和(X′,Y′,Z′)上,相應(yīng)的成像坐標(biāo)為(x,y)和(x′,y′),(Δx,Δy)是p點(diǎn)在圖像平面上兩個(gè)時(shí)刻的位移量,則有:Δx=x′-x(1)Δy=y′-y(2)在此期間,物體的三維空間坐標(biāo)變化可由式(3)表示:X′Y′Z′X′Y′Ζ′=[R]XYZXYΖ+[T]=r11r21r31r12r22r32r13r23r33r11r12r13r21r22r23r31r32r33XYZXYΖΔXΔYΔZ](3)ΔXΔYΔΖ](3)其中[R]和[T]分別為旋轉(zhuǎn)和位移矩陣。從表示方式的唯一性考慮,將旋轉(zhuǎn)變換表示為圍繞穿過(guò)原點(diǎn)的軸的旋轉(zhuǎn)。令旋轉(zhuǎn)軸的單位方向矢量為n=(n1,n2,n3),旋轉(zhuǎn)角度為θ,則[R]矩陣可由n和θ表示。因?yàn)閚2112+n2222+2332=1,所以,還有6個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)有待求解。然而從兩幅圖像不可能解出位移的幅度,只能得出含有一個(gè)比例因子的位移矢量。所以,在進(jìn)行求解之前必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定,利用標(biāo)定確定比例因子。連續(xù)的處理某段時(shí)間所得的圖像,便可獲得該目標(biāo)點(diǎn)在此時(shí)間段的移位情況。特別地,當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生微小變形時(shí),不考慮物體旋轉(zhuǎn),直接利用目標(biāo)點(diǎn)在圖像中坐標(biāo)變化和已經(jīng)標(biāo)定過(guò)的比例因子,便可直接求得目標(biāo)點(diǎn)的位移變化,節(jié)省計(jì)算量。3與環(huán)境振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的同時(shí)測(cè)量在廣州新電視塔結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,對(duì)于電視塔結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性監(jiān)測(cè),除了數(shù)碼攝像系統(tǒng)之外,還有GPS(如圖6)和加速度環(huán)境振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng),這為本文的研究工作提供了獨(dú)一無(wú)二的條件。所以,在利用工業(yè)數(shù)碼攝像機(jī)對(duì)廣州新電視塔在一般風(fēng)荷載作用下的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行監(jiān)測(cè)試驗(yàn)時(shí),可以與GPS和加速度計(jì)環(huán)境振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)同時(shí)測(cè)量,結(jié)果相互校正復(fù)核。因?yàn)閺V州新電視塔振動(dòng)頻率很低,實(shí)測(cè)前十幾階頻率都在2Hz以內(nèi),所以在試驗(yàn)中,采集頻率設(shè)為5Hz已經(jīng)能夠滿足需求。僅利用一臺(tái)工業(yè)數(shù)碼攝像機(jī)能夠測(cè)量到目標(biāo)點(diǎn)在一個(gè)平面內(nèi)兩個(gè)互相垂直的位移變化,因?yàn)槟繕?biāo)點(diǎn)選取在454m高程的主塔頂,仰角較大,所以只有在水平方向能夠保證測(cè)量精度。選取一階模態(tài)的彎曲振動(dòng)方向作為試驗(yàn)所要量測(cè)的位移變化方向。3.1基于時(shí)程內(nèi)時(shí)間序列的fft分析在試驗(yàn)中,把作為目標(biāo)點(diǎn)的標(biāo)靶安裝在454m高程主塔頂上,同時(shí)在標(biāo)靶附近安裝GPS,如圖6所示。為進(jìn)行結(jié)果比較,GPS的采樣頻率也設(shè)置為5Hz,并事先和數(shù)碼系統(tǒng)校準(zhǔn)時(shí)間。GPS能夠同時(shí)測(cè)得所在平面互相垂直兩個(gè)方向的動(dòng)態(tài)位移,把兩個(gè)方向的動(dòng)態(tài)位移投影到和數(shù)碼攝像系統(tǒng)所量測(cè)的水平位移方向上進(jìn)行比較。如圖7是數(shù)碼攝像系統(tǒng)和GPS從上午10點(diǎn)40分至下午16點(diǎn)30分大約6個(gè)小時(shí)的位移時(shí)程記錄(已去除不規(guī)則噪音)。從結(jié)果上看兩者吻合得較好,GPS在最后一小時(shí)擾動(dòng)較大,可能是由于當(dāng)時(shí)周圍環(huán)境所致。圖8給出了振幅較大時(shí)候100s的位移時(shí)程曲線,從結(jié)果上看兩者吻合得較好,并且結(jié)構(gòu)0.1Hz左右的振動(dòng)周期清晰可見。頻譜分析是動(dòng)態(tài)觀測(cè)時(shí)間序列研究的一個(gè)途徑,該方法是將時(shí)域內(nèi)的觀測(cè)數(shù)據(jù)序列通過(guò)傅里葉級(jí)數(shù)轉(zhuǎn)換到頻域內(nèi)進(jìn)行分析,它有助于確定時(shí)間序列的準(zhǔn)確周期并判別隱蔽性和復(fù)雜性的周期數(shù)據(jù)。對(duì)數(shù)碼攝像系統(tǒng)和GPS測(cè)量所獲取的同個(gè)方向上的動(dòng)位移數(shù)據(jù)序列時(shí)程曲線分別進(jìn)行FFT分析,計(jì)算出其相應(yīng)的頻譜特征,如圖9和圖10。由頻譜圖可以看到,最低階的振動(dòng)頻率清楚地識(shí)別出來(lái)了,兩者都為0.09521Hz。小波多分辨率分析可以將信號(hào)分解到不同分辨率尺度,低分辨率的數(shù)據(jù)包含低頻成分信息,高分辨率數(shù)據(jù)包含高頻成分信息。因此,從總位移可以分解得到各種不同因素引起的位移變化。首先,將原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分解到不同尺度的小波域中,得到尺度系數(shù)和小波系數(shù)。根據(jù)尺度系數(shù)和小波系數(shù)重構(gòu)低頻趨勢(shì)成分,即可得到溫度所引起的結(jié)構(gòu)變形。最后,在原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中除去低頻趨勢(shì)成分即可消除溫度對(duì)位移的影響,從而得到風(fēng)荷載所引起的結(jié)構(gòu)位移變化。選用db小波,heursure閾值,利用Matlab編程實(shí)現(xiàn)以上過(guò)程,如圖11所示,可認(rèn)為這部分低頻位移變化是由于溫度變化引起的,位移變化最大出現(xiàn)在下午3點(diǎn)鐘左右即氣溫最高的時(shí)候,符合實(shí)際情況;如圖12所示,在原始數(shù)據(jù)中除去低頻位移變化之后,可認(rèn)為這部分位移變化是由于風(fēng)荷載所引起的,從結(jié)果上看由在一般風(fēng)荷載作用下引起的位移變化遠(yuǎn)比由于溫度變化所引起的位移變化要小。圖11和圖12的結(jié)果,數(shù)碼攝像系統(tǒng)與GPS的結(jié)果都吻合得較好,進(jìn)一步說(shuō)明監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性。timehistoryobtainedbydigitalcamerasystemandGPS圖8數(shù)碼攝像系統(tǒng)和GPS測(cè)量100s位移時(shí)程圖比較Fig.8Comparisonof100-secondsisplacementtimehistoryobtainedbydigitalcamerasystemandGPS圖9數(shù)碼攝像系統(tǒng)位移頻譜圖Fig.9DisplacementspectrumfromdigitalcamerasystemspectrumfromGPS圖11溫度所引起的位移變化Fig.11Displacementduetotemperaturechange圖12風(fēng)荷載所引起的位移變化Fig.12Displacementduetowindload3.2傳感器和測(cè)試系統(tǒng)為了校核數(shù)碼攝像系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的正確性,在進(jìn)行數(shù)碼攝像系統(tǒng)測(cè)量同時(shí),利用加速度計(jì)進(jìn)行環(huán)境振動(dòng)測(cè)試。在環(huán)境振動(dòng)測(cè)試中,測(cè)量點(diǎn)全部布置在核心筒內(nèi)8個(gè)監(jiān)測(cè)斷面上,加速度傳感器采用的是東京測(cè)振AS-2000C超低頻振動(dòng)傳感器,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用自開發(fā)分布式同步測(cè)量系統(tǒng),采樣頻率為100Hz。關(guān)于廣州新電視塔加速度環(huán)境振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的詳細(xì)內(nèi)容可參考文獻(xiàn)。對(duì)加速度數(shù)據(jù),最后應(yīng)用專業(yè)振動(dòng)模態(tài)分析軟件ARTeMISExtractor進(jìn)行模態(tài)分析,可以準(zhǔn)確的識(shí)別到結(jié)構(gòu)的前20階模態(tài)參數(shù)。將最高監(jiān)測(cè)斷面接近454m高程加速度值投影到和數(shù)碼攝像系統(tǒng)所量測(cè)的動(dòng)態(tài)位移的方向上,其頻譜分析的對(duì)應(yīng)結(jié)果見圖12,用加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行模態(tài)識(shí)別的第一階頻率為0.0954Hz,可見,利用數(shù)碼攝像系統(tǒng)測(cè)量的一階頻率與利用加速度測(cè)量的結(jié)果非常吻合。3.3有限元模型進(jìn)一步同有限元模型分析的結(jié)果進(jìn)行比較,采用廣州市設(shè)計(jì)院提供的廣州新電視塔SAP2000三維有限元模型,如圖14所示。模態(tài)計(jì)算使用有限元程序提供的模態(tài)計(jì)算模塊,用Ritz法計(jì)算振型和頻率。數(shù)碼攝像系統(tǒng)測(cè)量、GPS測(cè)量、加速度計(jì)測(cè)量識(shí)別出的