【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种隧道衬砌裂缝三维信息快速检测装置及方法，位于轨道车或检测车上，可应用于建设期隧道安全检测、运营期隧道安全检测，属于新型隧道安全无损检测。
技术介绍
1、随着我国经济社会的繁荣发展，近年来，我国隧道建设的数量和长度均快速增长，隧道已成为一种重要的交通基础设施。隧道会受到不同程度的隧道病害影响，隧道衬砌裂缝是最常见的隧道病害之一，当裂缝扩展到一定程度时，必将导致受力状态发生改变，致使结构破坏的机率增大，同时还可能引发渗漏水等表观病害。衬砌裂缝、衬砌渗漏水占隧道病害的比例分别约为30％、18％。防治隧道衬砌裂缝是保障隧道安全的关键，需要及时、准确、快速地检测到裂缝的相关数据。
2、目前，隧道衬砌裂缝非接触式无损检测技术主要包括人工检测法、基于激光扫描检测法和基于摄像拍照检测法等。其中，人工检测法时间长、效率低、成本较高，调查结果可靠性差、无法以数字档案存储、不能准确表达和记录裂缝的形态和性质。激光扫描检测法需要激光发射端和接收端，设备复杂；需要测量大量的激光扫描点坐标，通过点云数据的数字图像重建模型，检测量与数据处理量大，且建立的是非连续三维表面。基于摄像拍照检测法主要是通过多个线阵或面阵摄像测量，通过二维图像处理，将裂缝的宽度、长度、面积作为裂缝的特征，通过图像识别来获取特征值。因隧道衬砌表观图像数据量大、隧道环境复杂多变，且隧道裂缝的颜色与背景结构的颜色相近，不易识别区分；基于二维图像的识别效率、裂缝识别精度在满足高精度、快速检测的实际需求方面还有差距。
技术实现思路>
1、本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种隧道衬砌裂缝三维信息快速检测装置及方法，解决现有隧道衬砌裂缝检测系统的数据处理复杂，图像质量受隧道环境影响大，在建设期隧道内应用效果欠佳，且海量数据无法快速、高效率地识别，裂缝识别精度和效率低的问题。
2、本专利技术技术的方案是：一种隧道衬砌裂缝三维信息快速检测方法，包括：
3、沿隧道深度方向移动时，n个面阵偏振相机对隧道衬砌表面区域进行成像，获取n幅隧道衬砌偏振图像；
4、对获得的每一幅隧道衬砌偏振图像中的进行像素光强度信息提取，获得对应的隧道衬砌偏振信息；
5、对包括湿度、烟尘在内的隧道环境特性进行测量，将隧道环境传输影响从n幅隧道衬砌偏振图像中去除后，获得准确的衬砌偏振信息，包括偏振度p和偏振角
6、利用准确的衬砌偏振信息，计算得到衬砌微面元法线，再利用表面积分函数对多个微面元法线进行积分，获得隧道三维形状图像；
7、根据隧道裂缝安全深度设定高程阈值，对得到的隧道三维形状图像进行高程信息判别，去除小于高程阈值的隧道三维形状图像的高程信息；
8、对大于等于高程阈值的隧道三维形状图像的高程信息，利用边缘提取方法，计算得到与隧道衬砌表面分离的裂缝详细信息；
9、利用已知三维信息的标准物体，在同样的隧道环境条件下进行偏振三维成像，得到标准物体的相对三维信息，将相对三维信息与标准物体的真实三维信息进行对比，获得比例系数标定值；
10、利用比例系数标定值，对得到的裂缝详细信息进行绝对信息转化，获取裂缝三维信息。
11、利用蒙特卡洛方法，将隧道环境传输影响从n幅隧道衬砌偏振图像中去除后，获得准确的衬砌偏振信息，包括：
12、假设包含隧道环境传输影响的衬砌偏振信息为s'，去除隧道环境传输影响后的准确的衬砌偏振信息为s0，假设s0到s'共经过n次散射，则在整个散射过程中有以下的变化关系：
13、
14、式中，m为muller矩阵，r为旋转矩阵，θsn为散射角，φ和γ分别为入射光斯托克斯矢量由参考面转到散射面的角度，以及经散射之后又转回参考面的角度，角标n和n+1分别表示散射前和散射后；
15、所述经散射之后又转回参考面的角度，具体表示为：
16、
17、式中，μzn和μz(n+1)分别为散射前后光子方向余弦，θsn为散射角。
18、旋转矩阵r(φ)表示为：
19、
20、所述n个面阵偏振相机采用分焦平面式偏振相机，2x2像元组成一个单元，每个单元块分别提供线偏振方向为0°、45°和90°、135°的光强信息i0°、i45°、i90°、i135°。
21、所述偏振度p的求取方法具体为：
22、
23、所述偏振角的求取方法具体为：
24、
25、所述计算衬砌微面元法线具体为：
26、
27、
28、式中，为衬砌微面元法线，nx、ny、nz分别为在x轴、y轴、z轴方向上的分量三个分量，θ为法线天顶角，p为偏振度，为偏振角。
29、所述表面积分函数为：
30、
31、其中，z(u,ν)为z(x,y)在频域中形式，n和m分别表示隧道衬砌图像的两个维度即时变隧道衬砌偏振信息图像中长度和宽度方向上像元的数量，分别为在频域中的表达形式；f{·}表示傅里叶变换，f-1{·}表示逆傅里叶变换；x，y为隧道衬砌三维形貌中任意点的坐标。
32、所述隧道衬砌表面分离的裂缝详细信息包括裂缝宽度、长度信息、高程信息。
33、所述比例系数标定的获取方法，具体为：
34、在隧道衬砌表面涂覆与隧道壁面颜色与材质相近的超轻黏土，将乒乓球嵌入黏土中，形成已知三维形状、已知绝对深度和绝对宽度的半球形凹槽；再利用面阵偏振相机对半球形凹槽进行偏振成像，解算半球形凹槽的三维形状，将解算结果与乒乓球的真实形状进行比对，得到相对深度、相对宽度，分别与绝对深、绝对宽度的对应关系，从而得到绝对坐标与相对坐标的关系，即比例系数标定值。
35、一种隧道衬砌裂缝三维信息快速检测装置，包括n个面阵偏振相机、弧形支架、同步控制系统、轮廓相机以及信息处理系统；
36、n个面阵偏振相机安装固定在弧形支架上；轮廓相机安装在弧形支架顶端一侧；沿隧道深度方向移动时，同步控制系统控制n个面阵偏振相机获取同一隧道深度位置处的隧道衬砌同一横断面的n幅隧道衬砌偏振图像；信息处理系统对n幅隧道衬砌偏振图像，按照隧道衬砌裂缝三维信息快速检测方法进行处理，得到隧道衬砌偏振三维图像；对隧道衬砌偏振三维图像，按照轮廓相机拍照得到的隧道整个横断面轮廓、n个面阵偏振相机排列顺序进行依次拼接，形成隧道衬砌整个横断面的隧道衬砌偏振三维宽带图像。
37、所述n个面阵偏振相机在弧形支架上按照外弧形状分布，分布间距采用顶端密、低端疏的方式。
38、弧形支架上n个面阵偏振相机的分布规则为：保证n幅隧道衬砌偏振图像的空间分辨率相同、相邻面阵偏振相机之间视场重叠5％-10％、n个面阵偏振相机对隧道衬砌整个横断面进行全覆盖。
39、所述按照隧道衬砌裂缝三维信息快速检测方法进行处理，得到隧道衬砌偏振三维图像，包括：
40、沿隧道深度方向移本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种隧道衬砌裂缝三维信息快速检测方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种隧道衬砌裂缝三维信息快速检测方法，其特征在于，利用蒙特卡洛方法，将隧道环境传输影响从N幅隧道衬砌偏振图像中去除后，获得准确的衬砌偏振信息，包括：
3.根据权利要求2所述的一种隧道衬砌裂缝三维信息快速检测方法，其特征在于，所述经散射之后又转回参考面的角度，具体表示为：
4.根据权利要求2所述的一种隧道衬砌裂缝三维信息快速检测方法，其特征在于，旋转矩阵R(φ)表示为：
5.根据权利要求2所述的一种隧道衬砌裂缝三维信息快速检测方法，其特征在于，所述N个面阵偏振相机采用分焦平面式偏振相机，2X2像元组成一个单元，每个单元块分别提供线偏振方向为0°、45°和90°、135°的光强信息I0°、I45°、I90°、I135°。
6.根据权利要求5所述的一种隧道衬砌裂缝三维信息快速检测方法，其特征在于，所述偏振度p的求取方法具体为：
7.根据权利要求6所述的一种隧道衬砌裂缝三维信息快速检测方法，其特征在于，所述偏振角的求取方法具体为：<...
【技术特征摘要】
1.一种隧道衬砌裂缝三维信息快速检测方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种隧道衬砌裂缝三维信息快速检测方法，其特征在于，利用蒙特卡洛方法，将隧道环境传输影响从n幅隧道衬砌偏振图像中去除后，获得准确的衬砌偏振信息，包括：
3.根据权利要求2所述的一种隧道衬砌裂缝三维信息快速检测方法，其特征在于，所述经散射之后又转回参考面的角度，具体表示为：
4.根据权利要求2所述的一种隧道衬砌裂缝三维信息快速检测方法，其特征在于，旋转矩阵r(φ)表示为：
5.根据权利要求2所述的一种隧道衬砌裂缝三维信息快速检测方法，其特征在于，所述n个面阵偏振相机采用分焦平面式偏振相机，2x2像元组成一个单元，每个单元块分别提供线偏振方向为0°、45°和90°、135°的光强信息i0°、i45°、i90°、i135°。
6.根据权利要求5所述的一种隧道衬砌裂缝三维信息快速检测方法，其特征在于，所述偏振度p的求取方法具体为：
7.根据权利要求6所述的一种隧道衬砌裂缝三维信息快速检测方法，其特征在于，所述偏振角的求取方法具体为：
8.根据权利要求5所述的一种隧道衬砌裂缝三维信息快速检测方法，其特征在于，所述计算衬砌微面元法线具体为：
9.根据权利要...
【专利技术属性】
技术研发人员：张月，张学敏，柳祎，苏云，徐彭梅，郑国宪，
申请(专利权)人：北京空间机电研究所，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。