一种基于ccd的多通道桥梁挠度监测系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及桥梁挠度监测系统及方法，特别涉及一种基于CCD的多通道桥梁挠度 监测系统及方法。
【背景技术】
[0002] 桥梁挠度监测对于了解现役桥梁的健康状况和工作状态具有重要意义，并且可为 桥梁的承载力和运营状况提供重要参考依据。现有的挠度测量方法可以分为传统测量方法 和自动测量方法，传统测量方法包括：百分表测量方法、精密水准仪测量方法和全站仪测量 方法。其中百分表是接触式的，测量时需要将仪器安装到桥梁结构，与桥梁结构直接接触； 精密水准仪需要使用标尺，标定不便；全站仪受环境影响较大，价格昂贵。且此三种方法均 适合短期测量，不适合野外长期监测。
[0003] 自动测量方法包括加速度计测量方法、基于微波干涉的挠度测量方法、GPS测量方 法、测量机器人挠度测量方法、张力线测量方法、基于倾角方式的测量方法和基于连通管方 式的测量方法。加速度计采集到的数据中高频成分比重很大，根据加速度数据积分计算位 移的时候，低频成分会被掩埋，而桥梁的挠度恰好属于低频成分，同时，两次积分运算也会 引入误差，因此，这种方法的精度不高。基于微波干涉的挠度测量方法根据桥梁变形前后反 射波的相位差来计算桥梁挠度，该方法的测量精度高，但是不适用于桥梁横向和纵向同时 发生明显变形的情况。GPS测量方法的实用性很好，但是使用卫星，成本很高，测量精度为厘 米级。测量机器人挠度测量方法是在全站仪测量方法基础上进行的自动化和智能化处理， 成本较高。张力线测量方法需要布设接触式的传感器，材料的选取很难，工程应用性不好。 基于倾角方式的测量方法成本较高，不适合大范围密集测量。基于连通管方式的测量方法 需要在桥梁主梁上布设连通管线，操作复杂，工程实用性不强。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为了解决现有技术操作不便、不适合长期监测、测量精度不高、成 本较高、应用性不高、操作复杂以及工程实用性不强的问题，而提出的一种基于CCD的多通 道桥梁挠度监测系统及方法。
[0005] 上述的发明目的是通过以下技术方案实现的：
[0006] 一种基于C⑶的多通道桥梁挠度监测系统具体包括：
[0007] 图像采集模块、挠度处理模块、参数输入模块和操作按钮模块；其中，挠度处理模 块包括挠度曲线子模块和挠度数值子模块；操作按钮模块包括图像预览子模块、图像采集 子模块、停止预览子模块、停止采集子模块和标定子模块。
[0008] -种的基于CXD的多通道桥梁挠度监测方法是基于C⑶的多通道桥梁挠度监测 装置实现的，所述的装置包括多路CCD相机、靶标、射灯、镜头、相机支架、射灯支架、时控开 关、多通道图像采集卡和计算机组成；一种基于CCD的多通道桥梁挠度监测方法具体计算 过程如下：
[0009] 步骤一、由于桥梁受载荷作用，每台CCD相机获得桥梁挠度变形后的靶标图像；
[0010] 步骤二、假设t。时刻的靶标图像的参考子区中心的坐标为（X。，y。）A1时刻桥梁发 生变形，变形后的靶标图像的变形子区中心的坐标为（X1^1);
[0011] 步骤三、通过数字图像相关方法（Digitalimagecorrelation,DIC)计算变形时 刻^的变形子区的中心坐标（xDyi)，选择的相关系数为零均值归一化互相关系数CZNec，如 式⑴所示：
[0013] 式中，f(u，v)为参考子区中点（u，v)位置处的灰度值，参考子区大小为 (2M+1)X(2M+1) ;g(u'，V'）为在变形子区中与点（u，V)对应的点（u'，V'）的灰度值；7为 参考子区中各点f(u，v)的灰度平均值；i为变形子区中各点g(u'，v'）的灰度平均值；
[0014] 步骤四、选择的亚像素搜索方法为二次曲面拟合方法；设相关系数矩阵Czncc中绝 对值最大的元素的位置为Q(X。，y。)，由Q及其周围的8个整像素点共9个像素点形成局部 二次曲面，二次曲面方程如式（2)所示：
[0015]C> (x,y) =ax2+by2+cxy+dx+ey+f (2)
[0016]a、b、c、d、e和f为拟合多项式的系数；
[0017] 步骤五、通过9个像素点的位置以及9个像素点对应位置处的相关系数值，拟合出
区中心坐标在变形图像上的位置（U1);
[0018] 步骤六、^时刻变形子区中心坐标（xi，yi)与初始时刻参考子区中心坐标（x。，y。） 的差值，即为h时刻桥梁测点处的水平和垂直位移（Ax，Ay)，如式（3)所示：
[0020] 其中，AX为^时刻桥梁测点处的水平位移，Ay为ti时刻桥梁测点处的垂直位 移，即桥梁挠度数值。
[0021] 发明效果
[0022] 本发明的目的在于为桥梁挠度长期监测提供一种非接触、快速、高精度的基于CCD 的多通道桥梁挠度监测系统及方法；CCD检测成像技术作为一种重要的无损检测手段，具 有非接触、成本较低、较高精度、操作简单等优点，在许多工程测量领域内发挥了巨大作用。 CCD相机可以较好地满足桥梁挠度监测的各项需求。
[0023] 本发明可根据桥梁挠度监测需求设定参数，多通道C⑶相机同步采集、图像处理、 标尺标定、挠度计算、曲线显示、数据存储及提供监测报告等功能，具有实时采集、快速处 理、操作简单等优点，适于桥梁结构挠度变形的长期健康监测。
【附图说明】
[0024] 图I(a)为实施例提出的t。时刻靶标图像位置示意图；
[0025] 图I(b)为实施例提出的h时刻靶标图像位置示意图；
[0026] 图2为实施例提出的4通道C⑶相机桥梁挠度监测系统示意图；
[0027] 图3(a)为实施例提出的靶标圆斑面示意图；
[0028] 图3(b)为实施例提出的靶标安装示意图；
[0029] 图4为实施例提出的相机和射灯安装示意图；
[0030] 图5 (a)为实施例提出的CCD相机标定图片；
[0031] 图5 (b)为实施例提出的CCD相机标定完成图片；
[0032] 图6为实施例提出的4通道C⑶桥梁挠度监测软件界面示意图；
[0033] 图7为实施例提出的图6中图像采集模块显示的测点1~4的靶标图像放大示意 图；
[0034] 图8为实施例提出的图6中挠度曲线子模块显示的桥梁测点挠度曲线放大示意 图；
[0035] 图9为实施例提出的图6中参数输入模块中参数输入放大示意图；
[0036] 图10为实施例提出的图6中操作按钮模块中挠度监测按钮输入放大示意图；
[0037] 图11为实施例提出的图6中挠度数值子模块中桥梁挠度测点布置放大示意图；
[0038] 图12为实施例提出的一种基于CXD的多通道桥梁挠度监测系统操作流程图；
[0039] 图13为实施例提出的一种基于C⑶的多通道桥梁挠度监测系统的工作流程图。
【具体实施方式】
[0040]
【具体实施方式】一：本实施方式的一种基于CCD的多通道桥梁挠度监测系统，其特 征在于一种基于CCD的多通道桥梁挠度监测系统具体包括：图像采集模块、挠度处理模块、 参数输入模块和操作按钮模块；其中，挠度处理模块包括挠度曲线子模块和挠度数值子模 块；操作按钮模块包括图像预览子模块、图像采集子模块、停止预览子模块、停止采集子模 块和标定子_吴块；
[0041] 参数输入模块和操作按钮模块是基于CCD((chargecoupleddevice,电荷親合器 件）的多通道桥梁挠度监测系统的核心部分，用于控制完成图像采集和数据分析计算。
[0042]
【具体实施方式