一种桥梁振动测试方法及相关装置与流程

本申请涉及桥梁结构健康监测领域，特别涉及一种桥梁振动测试方法；还涉及一种桥梁振动测试装置、设备、系统以及计算机可读存储介质。

背景技术：

传统的桥梁振动测试多采用接触式测试的方式，通过水准仪、百分表、加速度传感器和位移传感器等进行量测。上述方式需要布置的测点数量较多、操作复杂、成本较高，并且测点布置受限，因此只能采集到桥梁结构的局部位置的数据信息和低阶模态。从而，以此作为桥梁振动测试的实测数据会导致测试数据不完备，限制了在工程中桥梁结构的全尺度测试的应用，无法满足桥梁检测与评估的需要。相对于传统的检测技术，数字图像相关技术属于非接触式测量，它具有分布式传感能力，能够实现全场测量、精度高、操作方便，不会通过添加外部安装的传感器来增加结构的质量或刚度而影响真实的振动状态，并且克服了以往测量数据不完备的缺陷。此外，对于利用摄像机进行图像采集进而进行图像分析实现桥梁振动测试的方案，考虑到实际的桥梁工程情况，摄像机会受地形影响而不便于架设，从而使其工程应用受限。

有鉴于此，如何提供一种桥梁振动测试方案以克服上述技术缺陷是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本申请的目的是提供一种桥梁振动测试方法，能够有效保障测试数据的完备性，提高桥梁振动测试的适用性与便捷性。本申请的另一目的是提供一种桥梁测试装置、设备、系统以及计算机可读存储介质，均具有上述技术效果。

为解决上述技术问题，本申请提供了一种桥梁振动测试方法，包括：

接收无人机采集的桥梁振动时序图像，对所述桥梁振动时序图像进行图像矫正处理；

利用数字图像技术对图像矫正处理后的桥梁振动时序图像进行相关性分析得到振动位移时程曲线；

对所述振动位移时程曲线以及测试力锤激励点获得的力时程曲线进行傅里叶变换得到位移频响函数；

对所述位移频响函数进行模态分析得到模态参数。

可选的，所述对所述桥梁振动时序图像进行图像矫正处理包括：

根据x′i＝hxi对所述桥梁振动时序图像进行图像矫正处理；

其中，xi表示原始图像的固定匹配点，x′i表示变换图像的固定匹配点，h表示单应性变换矩阵。

可选的，所述利用数字图像技术对图像矫正处理后的桥梁振动时序图像进行相关性分析得到振动位移时程曲线，包括：

基于对矫正处理后的桥梁振动时序图像进行相关性分析得到所述振动位移时程曲线；

其中，x、y表示桥梁振动时序图像的像素点，δx、δy表示变换图像的像素位移，i表示基准图像的灰度值，j表示变换图像的灰度值，b表示子像块的面积，c表示相关性。

为解决上述技术问题，本申请还提供了一种桥梁振动测试装置，包括：

图像接收模块，用于接收无人机采集的桥梁振动时序图像，并对所述桥梁振动时序图像进行图像矫正处理；

图像处理模块，用于利用数字图像技术对图像矫正处理后的桥梁振动时序图像进行相关性分析得到振动位移时程曲线；

函数计算模块，对所述振动位移时程曲线以及测试力锤激励点获得的力时程曲线进行傅里叶变换得到位移频响函数；

函数分析模块，用于对所述位移频响函数进行模态分析得到模态参数。

可选的，所述图像矫正模块具体用于根据x′i＝hxi对桥梁振动时序图像进行图像矫正；

其中，xi表示原始图像的固定匹配点，x′i表示变换图像的固定匹配点，h表示单应性变换矩阵。

为解决上述技术问题，本申请还提供了一种桥梁振动测试设备，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上述任一项所述的桥梁振动测试方法的步骤。

为解决上述技术问题，本申请还提供了一种桥梁振动测试系统，包括无人机以及如上所述的桥梁振动测试设备。

为解决上述技术问题，本申请还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一项所述的桥梁振动测试方法的步骤。

本申请所提供的桥梁振动测试方法，包括接收无人机采集的桥梁振动时序图像，并对所述桥梁振动时序图像进行图像矫正处理；利用数字图像技术对图像矫正处理后的桥梁振动时序图像进行相关性分析得到振动位移时程曲线；对所述振动位移时程曲线以及测试力锤激励点获得的力时程曲线进行傅里叶变换得到位移频响函数；对所述位移频响函数进行模态分析得到模态参数。

可见，本申请所提供的桥梁振动测试方法，采用无人机技术与数字图像处理技术相结合的方式，利用无人机采集桥梁振动时序图像，从而有效克服了传统技术方案中摄像机架设不便、测试数据不完备等技术缺陷。进一步在无人机采集桥梁振动时序图像的基础上，对采集的桥梁振动时序图像进行图像矫正以及利用数字图像处理技术进行图像分析并最终得到测试结果。该桥梁振动测试方法能够有效保障测试数据的完备性，提高桥梁振动测试的适用性与便捷性，对桥梁检测具有重大意义。

本申请所提供的桥梁振动测试装置、设备、系统以及计算机可读存储介质，均具有上述技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例所提供的一种桥梁振动测试情景示意图；

图2为本申请实施例所提供的一种桥梁振动测试方法的流程示意图；

图3为本申请实施例所提供的一种图像矫正示意图；

图4为本申请实施例所提供的一种桥梁振动测试系统的示意图。

具体实施方式

本申请的核心是提供一种桥梁振动测试方法，能够有效保障测试数据的完备性，提高桥梁振动测试的适用性与便捷性。本申请的另一核心是提供一种桥梁测试装置、设备、系统以及计算机可读存储介质，均具有上述技术效果。

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。根据本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

请参考图1与图2，其中，图1为本申请实施例所提供的一种桥梁振动测试情景示意图；图2为本申请实施例所提供的一种桥梁振动测试方法的流程示意图；结合图2，该桥梁振动测试方法包括：

s100：接收无人机采集的桥梁振动时序图像，并对桥梁振动时序图像进行图像矫正处理；

具体的，较之传统的在桥梁结构布设传感器的接触式测试方案以及架设摄像机实现桥梁振动测试的技术方案，为克服上述方案所存在的测试数据不完备、工程应用不方便等技术缺陷，本申请采用无人机进行图像采集，具体可将无人机定点悬停在桥梁结构表面，进而利用无人机采集桥梁振动过程中的图像，即上述桥梁振动时序图像，以后续根据此桥梁振动时序图像进行图像分析，得到测试结果。

考虑到无人机飞行姿态不稳定，容易受风、气流等因素的影响而导致无人机成像瞬间的姿态与位置存在变化，从而使无人机所采集的桥梁振动时序图像既包含桥梁结构的真实振动位移又包含无人机自身移动所造成的虚假位移。因此，为保障图像处理的准确性与测试结果的可靠性，在利用数字图像技术对桥梁振动时序图像进行相关性分析得到振动位移时程曲线前首先对桥梁振动时序图像进行图像矫正处理。具体而言，无人机采集到的各帧图像分别对应不同的成像时刻，各成像时刻图像的位置存在旋转和平动关系，对于其中的两帧图像通过固定匹配点可以得到二者之间的变换关系。图像矫正即为实现两个二维图像之间的几何变换，利用预先建立的原始图像与变换后图像之间的变换关系，对原始图像进行图像变换即进行图像矫正。

其中，在一种具体的实施方式中，上述对桥梁振动时序图像进行图像矫正处理可以包括：根据x′i＝hxi对桥梁振动时序图像进行图像矫正；其中，xi表示原始图像的固定匹配点，x′i表示变换图像的固定匹配点，h表示单应性变换矩阵。

具体的，本实施例提供了一种具体的图像矫正方法，即采用单应性变换的方式进行图像矫正，上式中，xi为原始图像的固定匹配点，x′i为变换图像的固定匹配点，h为单应性变换矩阵。参考图3所示的图像矫正示意图，通过原始图像上的固定匹配点，如x1、x2、x3、x4和变换图像上相应的固定匹配点x′1、x′2、x′3、x′4求解得到单应性变换矩阵h，从而得到原始图像与变换图像之间的关系，进而根据此单应性变换矩阵h，求得待测动点的实际振动位移时程曲线，消除无人机自身运动的虚假位移。

s200：利用数字图像技术对图像矫正处理后的桥梁振动时序图像进行相关性分析得到振动位移时程曲线；

具体的，本步骤旨在进行图像分析，从而得到振动位移时程曲线。具体即利用数字图像技术对图像矫正处理后的桥梁振动时序图像进行相关性分析，以得到测点的振动位移时程曲线。

其中，在一种具体的实施方式中，上述利用数字图像技术对图像矫正处理后的桥梁振动时序图像进行相关性分析得到振动位移时程曲线可以包括：

基于对桥梁振动时序图像进行相关性分析得到振动位移时程曲线；其中，x、y表示桥梁振动时序图像的像素点，δx、δy表示变换图像的像素位移，i表示基准图像的灰度值，j表示变换图像的灰度值，b表示子像块的面积，c表示相关性。

具体的，本实施例提供了一种具体的图像分析方式，即基于上述公式进行图像追踪得到平移信息，进而得到振动位移时程曲线。其中，上式中，x、y表示桥梁振动时序图像的像素点，δx、δy表示变换图像即矫正处理后的桥梁振动时序图像相对基准图像的像素位移。例如，以首幅桥梁振动时序图像为基准图像，第二幅矫正处理后的桥梁振动时序图像相对首幅桥梁振动时序图像的像素位移，i表示基准图像的灰度值，j表示变换图像的灰度值，b表示子像块的面积，c表示相关性且0≤c≤1，若c＝1，则两个子区完全相关，若c＝0，则两个子区完全不相关。

进一步，为便于图像分析，启动无人机进行图像采集时，无人机的镜头光心与桥梁的桥梁面垂直，进而利用此时得到首幅桥梁振动时序图像作为基准图像进行图像分析。

s300：对振动位移时程曲线以及测试激励点获得的力时程曲线进行傅里叶变换得到位移频响函数；

s400：对位移频响函数进行模态分析得到模态参数；

具体的，在得到振动位移时程曲线的基础上，本步骤进一步对该振动位移时程曲线以及通过测量力锤激励点所获得的力时程曲线同时进行傅里叶变化，从而得到位移频响函数。其中，通常力锤整合有传感器与锤头，因此可借助此传感器进行信号获取进而得到振动位移时程曲线，而对于测量力锤激励点得到力时程曲线的具体内容，本申请不做赘述，参考现有技术即可。

进一步，得到位移频响函数之后，即可对该位移频响函数进行模态分析，从而得到桥梁结构的模态参数，包括固有频率、模态振型等。

综上所述，本申请所提供的桥梁振动测试方法，采用无人机技术与数字图像处理技术相结合的方式，利用无人机采集桥梁振动时序图像，从而有效克服了传统技术方案中摄像机架设不便、测试数据不完备等技术缺陷。进一步在无人机采集桥梁振动时序图像的基础上，对采集的桥梁振动时序图像进行图像矫正以及利用数字图像处理技术进行图像分析并最终得到测试结果。该桥梁振动测试方法能够有效保障测试数据的完备性，提高桥梁振动测试的适用性与便捷性，对桥梁检测具有重大意义。

本申请还提供了一种桥梁振动测试装置，下文描述的该装置可以与上文描述的方法相互对应参照。该桥梁振动测试装置包括：

图像接收模块，用于接收无人机采集的桥梁振动时序图像，并对桥梁振动时序图像进行图像矫正处理；

图像处理模块，用于利用数字图像技术对图像矫正处理后的桥梁振动时序图像进行相关性分析得到振动位移时程曲线；

函数计算模块，对振动位移时程曲线以及测试力锤激励点获得的力时程曲线进行傅里叶变换得到位移频响函数；

函数分析模块，用于对位移频响函数进行模态分析得到模态参数。

在上述实施例的基础上，可选的，图像矫正模块具体用于根据x′i＝hxi对桥梁振动时序图像进行图像矫正；

其中，xi表示原始图像的固定匹配点，x′i表示变换图像的固定匹配点，h表示单应性变换矩阵。

在上述实施例的基础上，可选的，图像处理模块具体用于：

基于对桥梁振动时序图像进行相关性分析得到振动位移时程曲线；其中，x、y表示桥梁振动时序图像的像素点，δx、δy表示变换图像的像素位移，i表示基准图像的灰度值，j表示变换图像的灰度值，b表示子像块的面积，c表示相关性。

本申请还提供了一种桥梁振动测试设备，该桥梁振动测试设备包括：存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于执行计算机程序时实现如下的步骤：

接收无人机采集的桥梁振动时序图像，并对桥梁振动时序图像进行图像矫正处理；利用数字图像技术对图像矫正处理后的桥梁振动时序图像进行相关性分析得到振动位移时程曲线；对振动位移时程曲线以及测试力锤激励点获得的力时程曲线进行傅里叶变换得到位移频响函数；对位移频响函数进行模态分析得到模态参数。

本申请还提供了一种桥梁振动测试系统，请参考图4所示，该桥梁振动测试系统包括：无人机10以及如上述所述的桥梁振动测试设备20；其中，无人机10负责采集桥梁振动时序图像并传送至桥梁振动测试设备20，桥梁振动测试设备20负责执行上述方法所述的步骤。

对于本申请所提供的桥梁振动测试系统的介绍请参照上述方法的实施例，本申请在此不做赘述。

本申请还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如下的步骤：

接收无人机采集的桥梁振动时序图像，并对桥梁振动时序图像进行图像矫正处理；利用数字图像技术对图像矫正处理后的桥梁振动时序图像进行相关性分析得到振动位移时程曲线；对振动位移时程曲线以及测试力锤激励点获得的力时程曲线进行傅里叶变换得到位移频响函数；对位移频响函数进行模态分析得到模态参数。

该计算机可读存储介质可以包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(read-onlymemory，rom)、随机存取存储器(randomaccessmemory，ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

对于本发明所提供的计算机可读存储介质的介绍请参照上述方法实施例，本发明在此不做赘述。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置、装置以及计算机可读存储介质而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦写可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上对本申请所提供的桥梁振动测试方法、装置、设备、系统以及计算机可读存储介质进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围。