考虑大气扰动的相机链桥梁挠度测量方法及其测量装置

技术领域

本发明涉及一种桥梁健康监测方法，尤其是涉及考虑大气扰动的相机链桥梁挠度测量方法及其测量装置。

背景技术

为保证桥梁的安全运营及可靠性，自20世纪90年代以来，国内外开始进行桥梁结构健康监测系统的开发与理论研究，挠度监测是桥梁结构健康监测中的主要内容之一，其中，摄影测量方法兼具全场多点同步、动静态实时以及测点定位精细的优势，故在桥梁挠度监测中得到了广泛应用。

但是，摄影测量法容易受到复杂环境的影响，其中，大气扰动是指在动力或者热力的作用下，大气的恒定状态被破坏或改变的一种大气现象，对诸如形貌、位移、以及速度等精密光学测量结果的精度折损已经被证实。而在目前的相机链的研究与应用中对于大气扰动问题还没有进行解决。在精密光测领域，目前常采用图像复原、信号滤波、削弱流场，以及相机系统设计等方法进行消扰，然而这些方法在实际应用时均存在一定的局限性。具体来讲，图像复原方法基本不涉及光学原理，对于本研究拟进行的挠度定量测量，消扰效果有限；信号滤波不能将大气扰动信号从众多可能的干扰信号中精准地分离出来；削弱流场校正方法的关键是建立一个相对稳定的大气模型，但此方法对于折射率分布不均匀、扰动变化快的近地面大气环境并不适用。

张家铭等提出了基于对视结构光设计的低频扰动消扰方法，通过结构光(SL，structured light)设计进一步提升测量精度的方式，在大型土木结构变形监测中较为普遍。张家铭等将对视结构光设计增加光路约束的方法运用于大气低频扰动消减方法的研究中，并基于对视相机光轴水平、相互平行及相机静止的假定，通过分析对视成像模型的位姿约束条件和对实际光路偏折引发的位姿变化规律，发现两个相机测量的误差方面存在可以相互抵消的部分，则通过对分析计算的位置姿态参数进行优化能够达到减小气流扰动误差的目的。但是，该方法在工程应用中还存在一些不足，一方面，所需的阵列式多点靶标，使得系统设计和初始标定较为复杂，工程适用性有待提升，并且该方法假定相机和目标静止，具有局限性；另一方面，此方法基于位姿识别理论，常用的位姿识别方法是迭代n点位姿求解算法PnP(perspective-n-point)，该方法本身的局限性是耗时较长，且有陷入局部最优的可能。最重要的是，一般相机随桥梁结构的转角幅值基本在角分、角秒级别，而基于PnP方法的相姿态角解算精度在室内理想环境下基本在0.02°左右，导致在复杂环境下的远距离测量应用中，其姿态角分辨能力无法满足实际需求。

发明内容

发明目的：针对上述问题，本发明的目的是提供一种考虑大气扰动的相机链桥梁挠度测量方法，建立具有良好的工程适用性、同时满足随动相机链系统工作特性的桥梁挠度在线测量方法，尤其要对大气扰动引起的像点漂移加以修正，使得最终复杂大气环境下的桥梁挠度测量结果更准确，使得相机链在远距离测量中，具有更高的精度。并提供了其测量装置。

技术方案：一种考虑大气扰动的相机链桥梁挠度测量方法，包括以下步骤：

S1：相机链以及每个相机上安装的高精度倾角传感器准备就绪；

S2：确定合作目标到其被监视相机的物距d,计算方大系数k：

其中，f为镜头焦距，l为相机靶面的像元尺寸；

S3：倾角传感器追踪每个相机的转动姿态变化量，包括俯仰角θ以及旋转角β；

S4：相机采集计算图，以初始时刻计算图为参考图，在初始参考图Frame_0中确定灯靶目标的粗略计算窗口M×N，保持不变，通过灰度平方质心法确定合作靶标在图像序列Frame_j中的中心像素坐标(x

其中，g(x,y)表示像素坐标(x,y)处的灰度；由(x

h

S5：在初始图像帧Frame_0中确定目标中心到图像中心的像素距离：

其中，(x

S6：将上诉参数带入考虑相机角度姿态变化，以及大气扰动的对视监测模型中：

其中，c(i)表示第i个相机测站，M(i)表示第i个相机测站上的合作标志点；ΔY

该方程的约束条件如下：

a.根据已有研究结论，

b.标志点与固接的相机测站的竖向位移保持一致，每个测站的双头相机的竖向位移也保持一致，即，ΔY

S7：采用主成分分析法求解方程组(5)，得到ΔY就是测站所在的结构位置发生的竖向位移，也就是挠度。

进一步的，在步骤S6中，ΔY

进一步的，在步骤S6中，ΔY

进一步的，在步骤S6中，对大气扰动的成像偏移设为一维，即与竖向位移相关的Δy相应的合作标志点是一个单点。

本方法的监测模型中考虑了大气扰动引起的成像偏移，而目前的相机链监测模型中尚未考虑该干扰因素。此外，对于现有的对视成像消扰方法考虑的是六个自由度，相应的合作标志是一个多点的平面靶标进行了改进，即对大气扰动的成像偏移考量降低为一维，也就是与竖向位移相关的Δy，相应的合作标志点是一个单点，简化模型的同时，降低了工程实施难度和测量成本。监测模型中相机的转动姿态参数不是通过方程结算，而是直接借助固结在相机上的角度传感器进行读取，更加快捷，并且增加远距离测量的精度。

一种使用上述的考虑大气扰动的相机链桥梁挠度测量方法的测量装置，包括多个沿桥梁延伸方向间隔安装于其上构成一条相机链的相机检测系统，相机检测系统包括相机、倾角传感器、标志点、无线网卡，相机内嵌有CPU和在线图像处理软件，相机设有两个，沿横向背对背固结为一个双头反向图像测量系统，其上表面的中部安装有一个标志点，下表面的中部安装有倾角传感器，无线网卡安装于其中一个相机上，相机、倾角传感器分别通过无线网卡与远程控制终端信号连接，每个双头反向图像测量系统分别观测前后相邻两个相机检测系统上的标志点。

进一步的，标志点为红外灯靶，桥梁总长度的4等分或者8等分点处分别设有一个相机检测系统。

双头反向图像测量系统用于追踪标志点图像，标志点可以被其前后两个双头反向图像测量系统上的相机同时观测到，高精度的倾角传感器，用于追踪结构随桥梁结构发生的转动角度，安装时，尽可能确保某一个轴向与双头反向图像测量系统的光轴平行；每个测站内嵌CPU和在线图像处理软件，可以对目标在图像中的像素位移进行提取无线网卡给远程控制终端传送提取的位移信息，终端计算机进一步分析得到合作标志点(即测站所在桥梁结构位置)的竖向位移，即挠度，在远程控制终端可以对数据实时查看和调取。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：进一步考虑大气扰动问题，在远距离测量时具有更好的抗大气扰动性能，并且具有更高的远距离测量精度和更好的工程可实施性。本发明追踪相机转动姿态采用高精度倾角仪器，进一步提高了在远距离测量时的精度，本发明中每个测站的标志点只需要一个红外灯即可，降低了工程实施难度和测量成本，缩短了相应的数据提取时间，降低成本。

附图说明

图1为本发明的测量方法流程图；

图2为本发明的测量装置结构示意图；

图3为本发明的监测模型搭建流程示意图，其中，

(a)为本方法所考虑的相机随结构发生的姿态变化参数,①为相机C

(b)为本方法所考虑的大气扰动引起的对视结构相机成像的像点偏移，①为大气扰动引起的相机C

(c)为桥梁挠度测量系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

一种考虑大气扰动的相机链桥梁挠度测量方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1：相机链以及每个相机上安装的高精度倾角传感器准备就绪；

S2：确定合作目标到其被监视相机的物距d,如图3(a)所示，计算方大系数k：

其中，f为镜头焦距，l为相机靶面的像元尺寸；

S3：倾角传感器追踪每个相机的转动姿态变化量，包括俯仰角θ以及旋转角β，如图3(a)所示，其中大气扰动记作A；

S4：相机采集计算图，以初始时刻计算图为参考图，在初始参考图Frame_0中确定灯靶目标的粗略计算窗口M×N，保持不变，通过灰度平方质心法确定合作靶标在图像序列Frame_j中的中心像素坐标(x

其中，g(x,y)表示像素坐标(x,y)处的灰度；由(x

h

S5：在初始图像帧Frame_0中确定目标中心到图像中心的像素距离：

其中，(x

S6：将上诉参数带入考虑相机角度姿态变化，以及大气扰动的对视监测模型中：

其中，c(i)表示第i个相机(camera)测站，M(i)表示第i个相机测站上的合作标志点(Marker)；ΔY

a.根据已有研究结论，

b.标志点与固接的相机测站的竖向位移保持一致，每个测站的双头相机的竖向位移也保持一致，即，ΔY

S7：采用主成分分析法求解方程组(5)，得到ΔY就是测站所在的结构位置发生的竖向位移，也就是挠度。

本桥梁挠度测量方法可以有效降低大气扰动引起的测量误差，同事提高相机链在远距离作业时的精度。

使用上述的考虑大气扰动的相机链桥梁挠度测量方法的测量装置，如图2、图3(c)所示，包括多个沿桥梁延伸方向间隔安装于其上构成一条相机链的相机检测系统，相机检测系统包括相机1、倾角传感器2、标志点3、无线网卡4，相机1内嵌有CPU和在线图像处理软件，相机1设有两个，沿横向背对背固结为一个双头反向图像测量系统，其上表面的中部安装有一个标志点3，下表面的中部安装有倾角传感器2，标志点3为红外灯靶，相邻两个图像测量系统的间距可以根据桥梁的测点布置需求以及所使用的镜头焦距来确定，可以是桥梁总长度的4～12等分的等分点处分别设置一个相机检测系统，常为桥长的八等分、四等分。对于长大跨桥梁，也可以适当加密，或者选用装有长焦镜头的相机1，例如100mm、200mm的定焦镜头。无线网卡4安装于其中一个相机1上，相机1、倾角传感器2分别通过无线网卡4与远程控制终端5信号连接，每个双头反向图像测量系统分别观测前后相邻两个相机检测系统上的标志点3。相机链上多个相机1形成的光轴与桥梁轴线方向一致。