CN115615590B - 基于多相机微变形监测的微型钻孔应力测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多相机微变形监测的微型钻孔应力测量装置及方法，通过定焦广角相机组拍摄应力扰动或解除前后钻孔内壁的周向全景图像，基于三维立体视觉技术和数字图像相关方法对钻孔内壁进行三维重构和图像匹配计算，能够获取钻孔内壁的全场应变演化情况。设定钻孔平面计算参考线，根据弹性力学理论计算钻孔位置处平均扰动应力和地应力值。该装置和方法基于多相机微变形监测技术，使用微型光学设备观测钻孔内壁，测量效果稳定，对被测岩体损伤小，抗干扰能力强，能够实现钻孔孔壁三维应变场测量，适用于深部复杂环境应力测量。另外，本发明采用装配式结构，使用方便，可实现反复多次使用，能有效降低深部岩体应力测量成本。

Description

基于多相机微变形监测的微型钻孔应力测量装置及方法

技术领域

本发明涉及光测力学、应力测量领域，尤其是一种基于多相机微变形监测的微型钻孔应力测量装置及方法。

背景技术

近年来，随着深部工程的不断发展，高压隧洞、高海拔水电站、地下实验室、核废料储存库及矿山开采等工程埋深高达数百米甚至上千米，深部岩石工程所面临的工程活动和地质条件越来越复杂。深部岩石工程具备复杂的地质环境和应力环境，在进行大规模建设中发生的塌方、岩爆和冲击地压灾害会对工程施工安全和人员设备造成巨大威胁。岩体内部应力往往能够反映岩体灾害的孕育情况，在工程现场进行原位应力测试是获取岩体应力最直接可靠的方法。因此，如何精准高效便捷地测量岩体应力是岩体应力测量的重要研究内容，对灾害防控和预警具有重要意义。

岩体中的应力测试包括原岩应力和扰动应力，主要是通过在测点位置钻孔并布设传感器获得该点的应力状态。传统的孔径变形法需要布设三个互不平行的钻孔得到一点的三维应力状态，测量准确性较高，但费时费力，测量成本较高。空心包体应变法在一个空心圆筒中嵌埋三组应变花，从而达到单孔测六个应力分量。但是，应变片的布置方式和粘贴工艺会受到人为因素影响，会产生较明显的随机误差。另一方面，在深部复杂环境中，高温会使电子测量元器件出现温度漂移现象，影响测量精度，高渗透压会导致电子元器件粘贴困难。

近年来，还发展了基于光纤光栅的空心包体岩体应力测试系统，在深部环境下抗干扰能力较强，测量精度较高，但是光纤缆线较为脆弱，在工程现场十分容易受损，且一旦受损需要专业人员修复，使用不便。

目前光学仪器发展迅猛，基于数字图像相关法的应变分析精度能够达到亚像素级别，能够反映深部硬岩的微变形，测量精度高。且光学测量在在深部高温高压特殊环境中测量效果稳定，抗干扰能力强。另一方面，目前微型相机技术发展成熟，尺寸小于目前应力测量装置，能够减小应力测量时对岩体的损伤，多相机微变形技术能够实现钻孔内壁的三维全场应变监测。因此，将光学测量技术与岩体工程应力测量方法相结合，能够有效提高测量精度，适用范围广，满足深部岩体工程设计和灾害防控的需要。

发明内容

技术问题：本发明的目的是要克服现有技术中的不足之处，基于多相机微变形监测原理，采用光学手段分析深部岩体钻孔内壁微变形，从而提供一种适用于深部复杂环境的钻孔应力测量装置及方法，以弥补现有深部岩体钻孔应力测量装置测量稳定性不高、对待测岩体损伤较大、抗干扰能力不强、不能表征钻孔内壁全场应变的问题。

技术方案为：

基于多相机微变形监测的微型钻孔应力测量装置，包括薄壁圆筒外壳、预制散斑场、光学照明采集模块、定位控制模块；

光学照明采集模块和定位控制模块连接组成钻孔内壁光学采集装置；

薄壁圆筒外壳固定于钻孔中，钻孔内壁光学采集装置与薄壁圆筒外壳通过定位螺栓、定位螺母相连。

所述的光学照明采集模块包括定焦广角相机组、透明玻璃罩、两条环形LED灯带（303）、相机支座；定焦广角相机组通过弹力卡扣固定于相机支座中，相机支座通过定位螺丝与透明玻璃罩相连，居中放置于透明玻璃罩中央。每条环形LED灯带由多个小LED组成，均匀环形分布，为钻孔内壁拍摄提供光源；

所述的定焦广角相机组由八台定焦广角相机组成，呈环形分布。

所述的定位控制模块包括金属外壳、三维电子罗盘、数据采集控制面板、移动电源；借助三维电子罗盘为整个钻孔应力测量装置提供钻孔倾向于倾角，以便进行钻孔内壁三维重构和计算；所述移动电源提供装置内设施的电源。

一种基于多相机微变形监测的钻孔应力测量方法，采用所述的基于多相机微变形监测的微型钻孔应力测量装置，所述的测量方法包括三个步骤，分别为：

步骤1.孔外设备调试组装；具体包括以下子步骤：，

步骤1.1：使用转印技术在薄壁圆筒外壳内壁中制作预制散斑场，组装光学采集模块和定位控制模块组成钻孔内壁光学采集装置；将薄壁圆筒外壳和钻孔内壁变形光学采集装置通过定位螺栓和定位螺母进行连接；

步骤1.2:组装钻孔内壁光学采集装置，设置调整相机焦距、光源，使相机能够清晰地拍摄到内壁的散斑场；

步骤1.3：基于张正友标定法，首先使用棋盘格对光学照明采集模块的多个相机进行逐一标定，求解每个相机的内部参数；

步骤1.4：安装固定光学照明采集模块使外参数标定过程中相机内参不再变化；利用光学照明采集模块对内壁散斑场进行拍摄，并进行相关匹配，结合光学照明采集模块的相机匹配和相机内参结果，确定每相机之间的相对外参数，利用LM迭代法对相机内外参数和匹配点三维坐标进行非线性迭代优化，获取相机相对外参数最优解；

步骤1.5：完成多相机三维立体视觉标定，基于定位控制模块和标定结果，建立图像坐标系和世界坐标系的转换关系，建立二维图像和三维空间的映射关系。

步骤2.现场设备使用；具体包括以下子步骤：

步骤2.1：在待测应力位置处形成测试孔，安装薄壁圆筒外壳，使用环氧树脂胶结剂使其与内壁贴合，使用薄壁圆筒内壁应变反映钻孔内壁真实应变；

步骤2.2：根据定位螺栓和定位螺母位置安装固定钻孔内壁光学采集装置，测试图像效果；

步骤2.3：对测试孔周围进行套筒应力解除或者动力扰动，同步开展多相机图像采集，采样帧率应大于2帧/s。

步骤3.后期图像数字化处理及应力分析；具体包括以下子步骤：

步骤3.1：将采集图像导入数字图像相关计算软件中，首先进行图像灰度处理和畸变校正，使图像适合使用图像匹配算法进行分析；

步骤3.2：基于立体标定和三维电子罗盘结果开展钻孔内壁三维重构；

步骤3.3：选取参考基准图像，在图像中选择感兴趣区域（ROI），布设种子点，进行图像匹配计算，获取钻孔内壁位移场和应变场；

步骤3.4：提取数字图像相关法算得的钻孔内壁一点的应变结果，根据下列弹性力学公式计算钻孔处的应力结果；

其中，E为岩石的弹性模量，为泊松比，为OO’与X轴的夹角， 分别为一点的六个应力分量, 为应力修正系数；

在钻孔平面方向，每次选取3个相隔120°的值，联立方程组，利用最小二乘法求 解出内壁的六个应力分量；通过不断改变值，计算内壁应力分量结果，剔除离散结果，最 后选取置信区间为95%的数据结果计算出适合于该钻孔平面位置处的扰动应力或地应力；

平移钻孔平面计算参考线，统计不同钻孔平面处的平均扰动应力或地应力计算结果，综合选取整个钻孔位置处的应力测试结果，以反映整个钻孔面的扰动应力或地应力情况。

本发明的有益效果：

由于采用了上述技术方案，本发明结合了多相机微变形监测理论和深部岩体应力测试方法，可有效改善目前深部岩体传统应力测量领域中存在的问题。主要具备以下有益效果：

（1）使用光测力学技术，通过多相机监测钻孔内壁应变场，测量精度能达到亚像素级别，能够反映钻孔内壁的全场应变信息，且在深部环境中抗干扰能力强，测量效果稳定；

（2）设备采用微型应力测量装置，在小范围尺度内就能实现局部应变测量，不受结构面影响；

（3）本发明提供的应力测量装置设计钻孔直径较小，通过一孔内的内壁应变就能解出钻孔六个应力分量，安装损伤小，可降低钻孔周围弹塑性变形效果，提高应力计算精度，避免塌孔、破孔现象，提高设备使用寿命；

（4）将环氧树脂胶结剂注入钻孔周围裂隙、缺陷中，可以使钻孔周围岩体整体化，适用于破碎岩体和松软岩体；

（5）本发明提供的应力测量装置采用装配式结构，薄壁圆筒外壳内壁散斑制作、相机标定等都可在安装前预先进行，使用方便，安装便捷，测量后可拆卸，实现多次反复使用，能够有效降低测量成本。

附图说明

图1为本发明实施例提供的整体结构示意图；

图2（a）为本发明实施例提供的光学照明采集模块的结构示意图；

图2（b）为本发明实施例提供的定位控制模块的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的安装示意图；

图4为本发明实施例提供的相机视场示意图；

图5为本发明实施例提供的一种基于多相机微变形监测的钻孔应力测量方法流程图；

图6为本发明实施例提供的钻孔孔壁坐标示意图；

图中：1-薄壁圆筒外壳，2-预制散斑场，3-光学照明采集模块，4-定位控制模块，5定位螺栓，6-定位螺母，7-岩石，8-内壁观测视场，9-钻孔内壁变形光学采集装置，10-视场重叠区域，301-定焦广角相机组，302-透明玻璃，303-环形LED灯带，304-相机支座，401-金属外壳，402-三维电子罗盘，403-数据采集控制面板，404-移动电源。

具体实施方式

下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述：

如图1所示为本发明的整体结构示意图，本发明的基于多相机微变形监测的微型钻孔应力测量装置，包括薄壁圆筒外壳1、预制散斑场2、光学照明采集模块3、定位控制模块4、定位螺栓5、定位螺母6；光学照明采集模块3和定位控制模块4通过螺纹进行一体化连接，组成钻孔内壁光学采集装置9。在实际使用过程中，先将薄壁圆筒外壳1固定于岩石7的钻孔中，再将钻孔内壁光学采集装置9与薄壁圆筒外壳1通过定位螺栓5、定位螺母6相连，进行组装使用，如图3所示。

本发明采用的薄壁圆筒外壳1厚度应小于1 mm，以减小钻孔内壁变形和薄壁圆筒外壳1之间应变的误差。

如图2（a）所示为本发明的光学照明采集模块3的结构示意图，包括定焦广角相机组301、透明玻璃罩302、两条环形LED灯带303、相机支座304。定焦广角相机组301通过弹力卡扣固定于相机支座304中，相机支座304通过定位螺丝与透明玻璃罩302相连，居中放置于透明玻璃罩302中央。每条环形LED灯带303由12个小LED组成，均匀环形分布，为钻孔内壁观测视场8拍摄提供光源。

本发明采用的定焦广角相机组301由8台定焦广角相机组成，呈环形分布，相机视角应大于110°，每两个相机之间呈45°夹角分布，共同拍摄钻孔内壁环向360°图像。

如图2（b）所示为本发明的定位控制模块4的结构示意图，主要由金属外壳401、三维电子罗盘402、数据采集控制面板403、移动电源404组成。其中，由于在实际工程中钻孔不会与世界坐标系完全垂直或重合，所以借助三维电子罗盘402为整个钻孔应力测量装置提供钻孔倾向于倾角，以便进行钻孔内壁三维重构和计算。所述移动电源404可提供装置内环形LED灯带303、三维电子罗盘402、数据采集控制面板403等设施的电源。

将三维数字图像相关法与多相机采集系统相结合，能够实现复杂曲面的全表面测量，通过系统标定将测量点的坐标值统一至世界坐标系下，如图6所示，从而通过数字图像相关法获得被测表面连续的全场三维变形信息。采用多相机对钻孔内壁进行环向变形场采集，对于表面任意一点，需要存在2个相机对其同步观测，并且相邻的观测区域之间需要有一定的视场重叠区域10，如图4所示。

因此，本发明采用8个定焦广角相机构成多相机组采集系统对圆柱形钻孔内壁进行拍摄，每两个相机之间夹角为45°，设计方案如图4所示。

每两个相机组成一个三维数字图像分析子系统，若观测子区域在一组子系统中，则直接进行三维重构；若子区域同时在2组及以上子系统中，则选取残差较小的子系统作为最佳计算系统。

本发明提供的一种基于多相机微变形监测的钻孔应力测量方法，其主要流程图如图5所示。主要分为三个步骤，分别为：1.孔外设备调试组装，2.现场设备使用，3.后期图像数字化处理及应力分析。

步骤1.1：使用转印技术在薄壁圆筒外壳1内壁中制作预制散斑场2，组装光学采集模块3和定位控制模块4。将薄壁圆筒外壳1和钻孔内壁变形光学采集装置9通过定位螺栓5和定位螺母6进行连接。

步骤1.2:组装钻孔内壁光学采集装置9，设置调整相机焦距、光源，使相机能够清晰地拍摄到内壁的散斑场。

步骤1.3：基于张正友标定法，首先使用棋盘格对光学照明采集模块3的8个相机进行逐一标定，求解8个相机的内部参数。

步骤1.4：安装固定定焦广角相机组301，机械锁住相机位置，使外参数标定过程中相机内参不再变化。利用8个相机统一对内壁散斑场进行拍摄，并进行相关匹配，结合相机匹配和相机内参结果，确定8个相机之间的相对外参数，利用LM迭代法对相机内外参数和匹配点三维坐标进行非线性迭代优化，获取相机相对外参数最优解。

步骤1.5：完成多相机三维立体视觉标定，基于三维电子罗盘402和标定结果，建立图像坐标系和世界坐标系的转换关系，建立二维图像和三维空间的映射关系。

步骤2.1：在待测应力位置处形成测试孔，安装薄壁圆筒外壳1，使用环氧树脂胶结剂使其与内壁贴合，使用薄壁圆筒内壁应变反映钻孔内壁真实应变。

步骤2.2：根据定位螺栓5和定位螺母6位置安装固定钻孔内壁光学采集装置9，测试图像效果。

步骤2.3：对测试孔周围进行套筒应力解除或者动力扰动，同步开展多相机图像采集，采样帧率应大于2帧/s。

步骤3.1：将采集图像导入数字图像相关计算软件中，首先进行图像灰度处理和畸变校正，使图像适合使用图像匹配算法进行分析。

步骤3.2：基于立体标定和三维电子罗盘结果开展钻孔内壁三维重构。

步骤3.3：选取参考基准图像，在图像中选择感兴趣区域ROI，布设种子点，进行图像匹配计算，获取钻孔内壁位移场和应变场。

步骤3.4：提取数字图像相关法算得的钻孔内壁一点的应变结果，根据下列弹性力学公式计算钻孔处的应力结果。

其中，E为岩石的弹性模量，为泊松比，为OO’与X轴的夹角，分别为一点的六个应力分量, 为应力修正系数。

在钻孔平面方向，每次选取3个相隔120°的值，联立方程组，利用最小二乘法求 解出内壁的六个应力分量。通过不断改变值，计算内壁应力分量结果，剔除离散结果，最 后选取置信区间为95%的数据结果计算出适合于该钻孔平面位置处的扰动应力或地应力。

平移钻孔平面计算参考线，统计不同钻孔平面处的平均扰动应力或地应力计算结果，综合选取整个钻孔位置处的应力测试结果，以反映整个钻孔面的扰动应力或地应力情况。

Claims (2)

1.一种基于多相机微变形监测的钻孔应力测量方法，采用基于多相机微变形监测的微型钻孔应力测量装置，所述的装置，包括薄壁圆筒外壳(1)、预制散斑场(2)、光学照明采集模块(3)、定位控制模块(4)；

光学照明采集模块(3)和定位控制模块(4)连接组成钻孔内壁光学采集装置(9)；

薄壁圆筒外壳(1)固定于钻孔中，钻孔内壁光学采集装置(9)与薄壁圆筒外壳(1)通过定位螺栓(5)、定位螺母(6)相连；

所述的光学照明采集模块(3)包括定焦广角相机组(301)、透明玻璃罩(302)、两条环形LED灯带(303)、相机支座(304)；定焦广角相机组(301)通过弹力卡扣固定于相机支座(304)中，相机支座(304)通过定位螺丝与透明玻璃罩(302)相连，居中放置于透明玻璃罩(302)中央；每条环形LED灯带(303)由多个小LED组成，均匀环形分布，为钻孔内壁拍摄提供光源；

所述的定焦广角相机组(301)由八台定焦广角相机组成，呈环形分布；

所述的定位控制模块(4)包括金属外壳(401)、三维电子罗盘(402)、数据采集控制面板(403)、移动电源(404)；借助三维电子罗盘(402)为整个钻孔应力测量装置提供钻孔倾向于倾角，以便进行钻孔内壁三维重构和计算；所述移动电源(404)提供装置内设施的电源；

其特征在于，所述的测量方法包括三个步骤，分别为：

步骤1.孔外设备调试组装；具体包括以下子步骤：，

步骤1.1：使用转印技术在薄壁圆筒外壳(1)内壁中制作预制散斑场(2)，组装光学采集模块(3)和定位控制模块(4)组成钻孔内壁光学采集装置(9)；将薄壁圆筒外壳(1)和钻孔内壁变形光学采集装置(9)通过定位螺栓(5)和定位螺母(6)进行连接；

步骤1.2:组装钻孔内壁光学采集装置(9)，设置调整相机焦距、光源，使相机能够清晰地拍摄到内壁的散斑场；

步骤1.3：基于张正友标定法，首先使用棋盘格对光学照明采集模块(3)的多个相机进行逐一标定，求解每个相机的内部参数；

步骤1.4：安装固定光学照明采集模块(3)使外参数标定过程中相机内参不再变化；利用光学照明采集模块(3)对内壁散斑场进行拍摄，并进行相关匹配，结合光学照明采集模块(3)的相机匹配和相机内参结果，确定每相机之间的相对外参数，利用LM迭代法对相机内外参数和匹配点三维坐标进行非线性迭代优化，获取相机相对外参数最优解；

步骤1.5：完成多相机三维立体视觉标定，基于定位控制模块(4)和标定结果，建立图像坐标系和世界坐标系的转换关系，建立二维图像和三维空间的映射关系；

步骤2.现场设备使用；

步骤3.后期图像数字化处理及应力分析；具体包括以下子步骤：

步骤3.1：将采集图像导入数字图像相关计算软件中，首先进行图像灰度处理和畸变校正，使图像适合使用图像匹配算法进行分析；

步骤3.2：基于立体标定和三维电子罗盘结果开展钻孔内壁三维重构；

步骤3.3：选取参考基准图像，在图像中选择感兴趣区域ROI，布设种子点，进行图像匹配计算，获取钻孔内壁位移场和应变场；

步骤3.4：提取数字图像相关法算得的钻孔内壁一点的应变结果ε_θ、ε_z、γ_θz，根据下列弹性力学公式计算钻孔处的应力结果；

其中，E为岩石的弹性模量，μ为泊松比，α为OO’与X轴的夹角，σ_x、σ_y、σ_z、τ_xy、τ_yz、τ_zx分别为一点的六个应力分量,K₁、K₂、K₃、K₄为应力修正系数；

在钻孔平面方向，每次选取3个相隔120°的α值，联立方程组，利用最小二乘法求解出内壁的六个应力分量；通过不断改变α值，计算内壁应力分量结果，剔除离散结果，最后选取置信区间为95％的数据结果计算出适合于该钻孔平面位置处的扰动应力或地应力；

平移钻孔平面计算参考线，统计不同钻孔平面处的平均扰动应力或地应力计算结果，综合选取整个钻孔位置处的应力测试结果，以反映整个钻孔面的扰动应力或地应力情况。

2.根据权利要求1所述的一种基于多相机微变形监测的钻孔应力测量方法，其特征在于，步骤2.现场设备使用；具体包括以下子步骤：

步骤2.1：在待测应力位置处形成测试孔，安装薄壁圆筒外壳(1)，使用环氧树脂胶结剂使其与内壁贴合，使用薄壁圆筒内壁应变反映钻孔内壁真实应变；

步骤2.2：根据定位螺栓(5)和定位螺母(6)位置安装固定钻孔内壁光学采集装置(9)，测试图像效果；

步骤2.3：对测试孔周围进行套筒应力解除或者动力扰动，同步开展多相机图像采集，采样帧率应大于2帧/s。