一种基于视频图像的雨棚振动测量系统及方法技术方案

本发明专利技术公开的一种基于视频图像的雨棚振动测量系统及方法，属于设备检测监测技术领域。本系统采用高速相机采集雨棚钢结构的边缘特征振动的图像，具有较高的时间分辨率；采用气浮隔振装置主动隔振，降低系统测量误差，提高系统测量精度。本方法通过对雨棚振动图像中多目标采用Canny亚像素特征提取方法，结合测量系统与测量场景参数，分析获得精度更高的振动时程曲线，进一步利用快速傅里叶频域分析，获取得到高精度的实际雨棚振动频域响应，进一步提高测量精度。本发明专利技术适用于公共交通、高铁运输等领域，通过图像分析的方法，实现雨棚多特征目标的便携非接触式振动响应测量，提高振动测量的空间分辨率及精度。动测量的空间分辨率及精度。动测量的空间分辨率及精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于视频图像的雨棚振动测量系统及方法


[0001]本专利技术涉及一种基于视频图像的雨棚振动测量系统及方法，属于设备检测监测


技术介绍

[0002]随着我国高速铁路的不断发展，列车的运行速度不断提高，逐渐形成辐射全国的高铁交通网。目前我国高速铁路运营里程已达2万5千公里，高居世界第一。越来越多的人选择高速铁路出行，高铁运行的安全问题也越来越受关注。
[0003]高速运行的列车会对轨道结构产生冲击作用而造成振动响应，振动通过轨道板结构传入地基基础，在土层介质中进一步将振动作用传播给周围的建筑结构，从而对建筑结构的安全性造成影响。雨棚结构是一种常见的铁路临近结构，站台雨棚采用无站台柱雨棚形式，跨度大、结构轻、刚度小，对振动激励较为敏感。在大风天气，雨棚边缘可能增大振动幅度，对站台行人和工作人员的安全有很大隐患。当列车距雨棚较近并且行车速度较大时，列车对雨棚产生的风致效应会变得十分明显，可能对雨棚结构造成潜在或直接的安全隐患。
[0004]高铁车站雨棚结构的健康监测目前主要依赖于人工定期巡检，该方法不能及时发现损伤、工作量大、成本高。目前人眼观测更关注于锈蚀和结构变形情况，而忽略了钢结构的振动性能。因此对雨棚的振动频率和幅度进行检测分析和结构修缮应当十分重视，但有效振动测试方法以及稳定的运动参数测量手段对于技术人员仍然是一个挑战。
[0005]针对雨棚振动特性的研究聚焦于理论分析，通常使用大型的有限元软件或计算流体动力学对轨道交通振动问题进行数值模拟分析，考虑不同列车轴重、速度、不同土层等等因素对建筑结构振动响应的影响，更进一步的数值模拟分析的结果需要结合现场实测振动响应参数验证。对于雨棚结构的动态特性实测，解决思路是采用振动测试方法，如接触式传感器和非接触式传感器。其中接触式测量方法包括利用加速度传感器、速度传感器或位移传感器，测量特定结构在人为或环境激励下的动态速度或者位移，再通过时域或频率分析理论计算出结构振动频率、幅值等。非接触式测量方法包括激光多普勒测振仪方法、GPS方法和基于视觉的方法等。这些测量方法中接触式测量因为需要在被测雨棚结构上布置传感器、传输电路及架设固定参考点等，不仅测量不方便而且直接影响结构自身的振动特性。非接触式测量中多普勒测振方法、GPS方法虽然测量精度高但空间分辨率很低，大多针对单点测量，针对多目标或面振动测量，成本太高，经济效益十分不可观。视觉振动测量方法可以从结构外部测量结构的振动，具有全场振动测量、无损检测、空间分辨率高等诸多优点，适用于诸如梁、壳体、箱体等结构的振动测量，不改变被测物的振动特性。

技术实现思路

[0006]鉴于加速度传感器测振会影响雨棚结构的振动特性以及激光测振法空间分辨率低的问题，本专利技术的主要目的是提供一种基于视频图像的雨棚振动测量系统及方法，通过
图像分析的方法，实现雨棚多特征目标的便携非接触式振动响应测量，提高振动测量的空间分辨率及精度。
[0007]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0008]本专利技术公开的一种基于视频图像的雨棚振动测量系统，包括高速相机、云台支架、隔振模块、激光靶标、辅助照明模块、计算机系统。隔振模块水平放置在雨棚下方的车站平台上，云台支架安装在隔振模块的隔振台上，高速相机安装于云台支架上，高速相机与计算机系统通过CXP线缆连接和通讯传输，激光靶标和辅助照明照射雨棚结构。
[0009]①
高速相机，为高分辨率的高速传感相机，用于采集雨棚钢结构0
‑
200Hz频率范围内的振动二维影像。
[0010]②
云台支架，用于固定高速相机和具有一定重量的中长焦镜头，支持镜头水平360
°
俯仰180
°
调整角度。
[0011]③
隔振模块，为超低固有频率的气浮隔振平台，用于减少车站低频振动等环境对相机的影响，进一步地隔离高速相机和地面的直接振动传导，使得振动测量结果更精准，减少系统测量误差，提高测量精度。隔振模块上部的隔振台表面固定螺孔面板，云台支架通过螺丝紧固在气浮隔振台上。
[0012]④
激光靶标，由激光发生器发出激光光条，光条打在雨棚目标结构上，结构边缘与光条的相交线作为成像靶标。
[0013]⑤
辅助照明模块，为无频闪工业光源，调整光源位置提高采集图像的亮度和对比度，提升图像质量。
[0014]⑥
计算机系统，为外部处理及接口控制系统，通过CXP线缆、高速图像采集卡和采集存储系统，获取相机图像数据，记录保存图像，分析、计算雨棚振动响应。
[0015]本专利技术公开的一种基于视频图像的雨棚振动测量方法，基于所述的高速摄像振动测量系统实现，包括如下步骤：
[0016]步骤一、选择雨棚监测点，在其下方稳定水平的位置布置高速摄像振动测量系统，调节激光发生器产生的激光检测，使标志线清晰可见、边缘清晰。
[0017]步骤二、设置相机参数，图像预览，调整支架角度捕捉靶标线，使其处于相机视场中央。
[0018]步骤三、在高铁过路进站前，开始采集，高铁列车完全出站后，待雨棚恢复静止，结束记录，并保存振动视频，相机采集频率不小于200帧/秒。
[0019]步骤四、将保存的视频按帧分解为二维图像，并依次编号为基于时间序列的多帧振动图像序列{I1，I2，
…
，I
N
}
原始
，N为视频总帧数。
[0020]步骤五、图像预处理。
[0021]图像序列灰度化，将RGB图像转化为0
‑
255范围的灰度值。以分解出的第一帧图像作为参考，圈选截取包含振动结构特征的区域为ROI选区，并对所有振动图像序列裁剪和重采样，得到的图像序列{I1，I2，
…
，I
N
}
ROI
将被进一步处理进行振动情况分析计算。
[0022]步骤六、边缘提取与目标定位。
[0023]采用亚像素级的高精度Canny算子处理{I1，I2，
…
，I
N
}
ROI
，提取激光光条与振动雨棚结构的相交边缘特征点影像坐标，设所有图像中追踪某一特征得到的坐标为(x1,y1)、(x2,y2)、
…
、(x
N
,y
N
)，以第一帧的坐标为基准，计算图像像素坐标下的坐标变化序列{Δx}、
{Δy}。
[0024]{Δx}＝{0，x2‑
x1，x3‑
x1，
…
，x
N
‑
x1}
[0025]{Δy}＝{0，y2‑
y1，y3‑
y1，
…
，y
N
‑
y1}
[0026]步骤七、实际振动幅度计算。
[0027]结合相机参数及实际系统测量参数，将该特征点像素坐标变化量{Δx}、{Δy}按以下公本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于视频图像的雨棚振动测量系统，其特征在于：包括高速相机、云台支架、隔振模块、激光靶标、辅助照明模块、计算机系统；隔振模块水平放置在雨棚下方的车站平台上，云台支架安装在隔振模块的隔振台上，高速相机安装于云台支架上，高速相机与计算机系统通过CXP线缆连接和通讯传输，激光靶标和辅助照明照射雨棚结构。2.如权利要求1所述的一种基于视频图像的雨棚振动测量系统，其特征在于：高速相机，为高分辨率的高速传感相机，用于采集雨棚钢结构0
‑
200Hz频率范围内的振动二维影像；云台支架，用于固定高速相机和具有一定重量的中长焦镜头，支持镜头水平360
°
俯仰180
°
调整角度；隔振模块，为超低固有频率的气浮隔振平台，用于减少车站低频振动等环境对相机的影响，进一步地隔离高速相机和地面的直接振动传导，使得振动测量结果更精准，减少系统测量误差，提高测量精度；隔振模块上部的隔振台表面固定螺孔面板，云台支架通过螺丝紧固在气浮隔振台上；激光靶标，由激光发生器发出激光光条，光条打在雨棚目标结构上，结构边缘与光条的相交线作为成像靶标；辅助照明模块，为无频闪工业光源，调整光源位置提高采集图像的亮度和对比度，提升图像质量；计算机系统，为外部处理及接口控制系统，通过CXP线缆、高速图像采集卡和采集存储系统，获取相机图像数据，记录保存图像，分析、计算雨棚振动响应。3.一种基于视频图像的雨棚振动测量方法，基于所述的高速摄像振动测量系统实现，其特征在于：包括如下步骤，步骤一、选择雨棚监测点，在其下方稳定水平的位置布置高速摄像振动测量系统，调节激光发生器产生的激光检测，使标志线清晰可见、边缘清晰；步骤二、设置相机参数，图像预览，调整支架角度捕捉靶标线，使其处于相机视场中央；步骤三、在高铁过路进站前，开始采集，高铁列车完全出站后，待雨棚恢复静止，结束记录，并保存振动视频，相机采集频率不小于200帧/秒；步骤四、将保存的视频按帧分解为二维图像，并依次编号为基于时间序列的多帧振动图像序列{I1，I2，
…
，I
N
}
原始
，N为视频总帧数；步骤五、图像预处理；步骤六、边缘提取与目标定位；步骤七、实际振动幅度计算；步骤八、振动频域响应分析，完成高空间分辨率及高精度振动测量。4.如权利要求3所述的一种基于视频图像的...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑德智，杨怀志，朱美意，侯日根，朱星盛，陈日东，陈傲北，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：