一种桥梁形变监测方法及系统与流程

本发明属于桥梁形变监测，具体涉及一种桥梁形变监测方法及系统。

背景技术：

1、桥梁在运营过程中，由于车辆荷载、温度变化、材料变形等因素会产生不同程度的形变，挠度（即梁体在荷载作用下的竖向变形）是评估结构安全性的核心指标之一。传统的挠度测量方法如百分表法、全站仪法、水准测量法等，存在精度低、无法实时监测、需要人工现场测量等缺陷。

2、近年来，基于ccd激光测量原理的挠度仪因其非接触、高精度、可实时监测等优点得到了广泛应用。其基本原理是：将激光发射器固定于桥墩等固定端，将ccd接收装置固定于梁体底部，通过测量激光光斑在ccd靶面上的位移来计算挠度值。然而，现有技术仍存在：环境温度变化和风载等引起的光路零点漂移需要频繁的人工现场校准；远距离及恶劣天气下激光光斑发生弥散，传统重心法提取的质心坐标精度显著下降；温度变化引起光学器件和机械结构的变形，进一步影响测量精度；车辆通过桥梁时产生的动态扰动会使光斑抖动，导致挠度测量值偏离真实的准静态挠度。上述问题共同导致现有ccd激光挠度仪在复杂运营环境下，长期、无人值守的监测场景下精度难以维持，需要频繁的人工干预，无法满足桥梁形变的精准测量及桥梁结构全生命周期健康监测的需求。

3、中国专利cn106091946a公开了一种用于桥梁变形或位移参数的自校准式测量装置及方法，其方案是在桥梁上增设一个位于变形可忽略区域的基准靶标，通过成像系统同时捕捉测量靶标与基准靶标，利用基准靶标的位移补偿因桥梁弯曲引起的成像系统倾角误差。但该方案依赖外部基准靶标，要求桥梁存在“变形可忽略区域”，当桥梁整体不存在稳定不动点时，该方案无法实施；仅补偿了桥梁弯曲引起的成像系统倾角误差，未处理光路零点漂移以及其他环境因素等对测量精度的影响。此外，当沿桥梁纵向布置多个ccd接收装置时，每个接收装置的实际安装姿态不可避免地存在差异。这种差异导致：即使梁体同一位置发生相同的竖向位移，不同接收装置测量得到的光斑位移量也不相同——各测点的测量结果处于各自独立的局部坐标系中，无法直接对比或拼接形成全桥梁的连续挠度曲线。现有技术均未解决这一多测点基准统一问题，要么默认各测点安装角度完全一致，要么要求对各测点分别进行复杂的现场人工标定。因此，现有技术无法输出沿桥梁纵向具有统一空间基准的多测点挠度数据，限制了桥梁整体形变评估和损伤定位的准确性。

4、因此，本发明提供一种无需依赖任何外部基准靶标、解决了测量基准的一致性问题，能够实现在复杂环境下长期、无人值守的精准监测的桥梁形变监测方法及系统。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明提供了一种桥梁形变监测方法及系统用以解决上述背景技术中的问题，方案如下：

2、一、一种桥梁形变监测方法

3、方法方面，本发明提供一种桥梁形变监测方法，包括：

4、1.安装标定步骤

5、驱动固定于桥梁固定端的激光发射装置中的旋转双光楔，使激光束依次产生多个预设偏转角度，并照射固定于桥梁梁体各监测断面的多个ccd接收装置；各ccd接收装置记录各偏转角度下接收到的光斑质心坐标，根据偏转角度与光斑质心坐标的对应关系，通过空间几何变换拟合得到每个接收装置相对于同一理想安装方位的俯仰角误差和滚转角误差，并存储于各接收装置的本地存储器中。

6、在安装标定步骤之前，通过机械调整使激光发射装置的光束初步对准各ccd靶面中心，本步骤中所述预设偏转角度是指激光束相对于机械调整后的初始对准方向的小角度偏移量，偏移范围控制在±0.5°以内，以确保光斑始终落在靶面有效区域内。所述理想安装方位是指激光束入射方向与ccd靶面法线重合，且靶面无俯仰、滚转角度偏差。

7、通过上述标定，将所有接收装置的测量基准统一到同一个理想坐标系下。所述理想坐标系是指在所述理想安装方位的基础上，以靶面中心为原点、靶面水平方向为x轴、竖直方向为y轴建立的空间直角坐标系。所有测点经过安装误差修正后，其光斑位移都转换到这个共同的坐标系中，从而具有可比性，可直接用于计算沿桥梁纵向的挠度分布曲线。

8、2.自校准步骤

9、按预设周期驱动所述旋转双光楔，使激光束依次在各ccd接收装置的靶面中心区域沿预设轨迹运动，各ccd接收装置采集实际光斑轨迹，根据实际光斑轨迹与预设轨迹的差异，计算当前时刻的第一光路漂移补偿量，所述第一光路漂移补偿量包括整体平移量和旋转量，所述整体平移量包括第一x轴方向平移量，第一y轴方向平移量。

10、3.温度修正步骤

11、在自校准时刻，采集激光发射装置和ccd接收装置的温度，根据预先标定的温度漂移模型计算第一温度漂移分量，根据第一光路漂移补偿量和第一温度漂移分量确定第二光路漂移补偿量；在后续的每次测量时刻，实时采集激光发射装置和ccd接收装置的温度，根据所述预先标定的温度漂移模型计算第二温度漂移分量，根据第二光路漂移补偿量和第二温度漂移分量确定第三光路漂移补偿量。并且所述测量步骤中，使用所述第三光路漂移补偿量替换所述第一光路漂移补偿量中的平移量，而旋转量仍使用所述第一光路漂移补偿量中的旋转量，对第一光斑质心坐标进行修正。

12、所述采集激光发射装置和ccd接收装置的温度，具体是根据激光发射装置和ccd接收装置上设置的温度传感器，采集ccd接收装置和激光发射装置中发热元件的温度数据。

13、所述预先标定的温度漂移模型具体为：

14、

15、

16、其中，，为温度引起的漂移分量，，分别为激光发射装置温度变化对方向和方向漂移的影响系数；，分别为ccd接收装置温度变化对方向和方向漂移的影响系数；为参考温度；为激光发射装置上设置的温度传感器采集的发热元件的温度数据；为ccd接收装置上设置的温度传感器采集的发热元件的温度数据。

17、所述根据第一光路漂移补偿量和第一温度漂移分量确定第二光路漂移补偿量，包括：通过第一光路漂移补偿量的x轴方向平移量、y轴方向平移量与第一温度漂移分量的x轴方向平移量、y轴方向平移量相减得到第二光路漂移补偿量，计算公式为：

18、；

19、其中，为x轴、y轴方向的第二光路漂移补偿量；、为x轴、y轴方向的第一光路漂移补偿量；、为x轴、y轴方向的第一温度漂移分量。

20、所述根据第二光路漂移补偿量和第二温度漂移分量确定第三光路漂移补偿量，包括：通过第二光路漂移补偿量的x轴方向平移量、y轴方向平移量与第二温度漂移分量的x轴方向平移量、y轴方向平移量相加得到第三光路漂移补偿量，计算公式为：

21、=+；=+

22、其中，为x轴、y轴方向的第三光路漂移补偿量；、为x轴、y轴方向的第二温度漂移分量。

23、4.测量步骤

24、实时采集第一光斑质心坐标，根据当前桥梁梁体各监测断面通过车辆的车速和轴重获取冲击系数，根据所述第一光路漂移补偿量的平移量和旋转量对所述第一光斑质心坐标进行修正,得到光斑位置偏移量，再根据所述冲击系数、光斑位置偏移量、俯仰角误差和滚转角误差计算挠度值，经坐标变换统一基准后输出挠度值；其中，不同ccd接收装置输出的挠度值基于同一空间基准坐标系，各挠度值之间具有直接可比性。

25、所述统一基准下的挠度值按下式计算：，其中，、分别为第个ccd接收装置经光路漂移补偿后的光斑位置横向、竖向偏移量，、分别为该ccd接收装置的俯仰角误差和滚转角误差，为根据当前通过车辆的车速和轴重确定的冲击系数，经此计算后，不同桥梁监测点的计算得到的挠度处于同一量纲和同一基准方向，可直接相减得到任意两测点间的相对挠度差。

26、具体地，所述根据当前通过车辆的车速和轴重获取冲击系数包括：预先基于现场跑车试验数据，通过最小二乘回归分析标定如下二次多项式作为冲击系数μ与车速 v和轴重 w的函数关系：

27、

28、其中，，，，，为通过最小二乘拟合得到的常数系数。

29、优选地，所述测量步骤还包括光斑弥散检测：计算当前光斑灰度分布的半高宽，并将所述半高宽与预设第一阈值进行比较，满足第一预设条件，采用方法一确定第一光斑质心坐标，满足第二预设条件，采用方法二确定第一光斑质心坐标；

30、所述第一预设条件为光斑灰度分布的半高宽小于所述预设第一阈值。

31、所述方法一具体为：先采用重心法得到初始质心坐标，再采用高斯-牛顿迭代法提取第一光斑质心坐标。

32、所述第二预设条件为光斑灰度分布的半高宽大于所述预设第一阈值。

33、所述方法二具体为：先利用各ccd接收装置集成的参考光源模块发出的固定参考光斑，根据该固定参考光斑的当前弥散参数与预设标定值的差异，反推当前成像系统的点扩散函数，并对测量光斑进行反卷积修正得到恢复后的清晰图像，再采用重心法得到初始质心坐标，采用高斯-牛顿迭代法提取亚像素精度质心坐标，作为第一光斑质心坐标。

34、具体地，根据固定参考光斑的弥散参数与预设标定值的差异，反推点扩散函数的方法为：预设标定参考光斑的弥散参数，指水平方向参考光斑灰度分布的高斯拟合标准差。在实际运行时，定期采集参考光斑实时图像，拟合得到当前时刻水平方向参考光斑弥散程度。假设点扩散函数为高斯型，其标准差为，从而构建当前点扩散函数，其中，分别表示图像在水平和垂直方向上的空间频率，为时间变量，表示当前时刻。利用该psf对测量光斑图像进行维纳滤波或lucy-richardson反卷积，得到恢复后的清晰图像。

35、具体地，采用高斯-牛顿迭代法提取亚像素精度的质心坐标的方法：二维高斯曲面模型为：，其中为待求的第一光斑质心坐标，为像素灰度；为峰值灰度；为背景噪声；为光斑半径参数。使用高斯-牛顿迭代法求解参数向量，迭代公式为，其中为残差向量，为雅可比矩阵。经过数次迭代后收敛得到亚像素精度质心坐标，作为第一光斑质心坐标。

36、二、一种桥梁形变监测系统

37、系统方面，本发明提供一种桥梁形变监测系统，包括：

38、至少一个激光发射装置，固定于桥梁固定端，其内部设有旋转双光楔，所述旋转双光楔由两个可独立旋转的楔形棱镜组成，两楔形棱镜的旋转角度与激光束的二维偏转角度呈线性映射关系，用于使激光束产生预设的二维偏转角度；

39、多个ccd接收装置，沿桥梁纵向间隔固定于梁体监测断面，每个ccd接收装置集成有图像传感器、边缘处理模块和参考光源模块；所述图像传感器用于采集激光光斑图像，所述边缘处理模块用于执行光斑质心提取、基于实际光斑轨迹与预设轨迹的差异解算光路漂移补偿量、光斑位置偏移量的计算以及光斑弥散检测与自适应修正；所述参考光源模块包括至少一个发射波长与激光波长不同的led，用于在ccd靶面边缘形成固定参考光斑；

40、中央处理单元，与所述激光发射装置及各ccd接收装置通信连接，用于执行所述安装标定步骤和自校准步骤中的扫描动作、拟合得到俯仰角误差和滚转角误差、获取冲击系数μ、计算挠度值；

41、其中，所述激光发射装置和每个ccd接收装置均设有温度传感器，所述中央处理单元还用于执行温度修正步骤。

42、有益效果

43、1.本发明通过旋转双光楔主动扫描及点集匹配自校准，自动补偿光路零点漂移，无需人工现场调校，能够实现长期的高精度测量。

44、2.本发明通过安装标定时建立偏转角度与光斑质心坐标的空间几何变换模型，并采用非线性最小二乘优化求解，实现了每个ccd接收装置俯仰角误差和滚转角误差的精确量化，使多测点挠度数据统一到同一基准坐标系，不同断面的形变曲线可直接对比，实现了沿桥梁纵向的连续挠度曲线直接输出，消除了多测点数据不一致对结构评估的干扰，支持任意数量测点的即插即用扩展，为桥梁损伤定位提供了可靠依据。

45、3.本发明通过半高宽阈值判断和高斯-牛顿迭代亚像素提取，以及参考光源辅助的点扩散函数反演与反卷积修正，显著提升远距离及恶劣天气下的光学测量精度；通过温度传感器实时采集温度数据并对光路漂移补偿量进行补偿，减轻温度漂移对光学测量的干扰，提高了系统的环境适应性。

46、4.本发明通过将旋转双光楔、集成式参考光源模块、边缘处理模块与中央处理单元进行一体化协同设计，构建了一套全自动、长期免人工校准的桥梁形变监测硬件平台。大幅降低了通信带宽压力，支持更多测点同时工作，且校准周期从每月延长至一年甚至更长，真正满足了桥梁结构全生命周期健康监测的需求。