CN105333831A - 激光成像挠度和位移监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光成像挠度和位移监测方法，包括设备安装、射线校准、激光成像、数据处理四个步骤。本发明结合了激光成像和光电成像原理，借助激光投影因待测目标的移动或形变带动靶标移动而发生偏离，通过光斑投影的相对位移计算待测目标的挠度和位移，具有精度高、速度快、成本低等优势。

Description

激光成像挠度和位移监测方法

技术领域

本发明属于建筑检测和监测领域，特别涉及一种激光成像挠度和位移监测方法。

背景技术

在现代路桥、建筑的检测中，挠度和位移是两个重要参数。在楼宇、桥梁、公路、山体改造等的验收和健康状况评价等方面都需要准确测量其静、动态挠度值和位移值。目前，测量挠度主要采用水准仪测量、全站仪测量、倾角仪测量和光电成像测量等方法。每种方法都存在一定优势和缺陷。随着计算机等级的提高、数据采样技术的进步，以及建筑材料和工艺的不断成熟，挠度和位移的监测逐渐朝着集群式、大量程、自动化、长期在线动态测量的方向发展。而现有的测量技术尚不能满足人们对大型目标，甚至是特大型目标安全评估的需要。

发明内容

为了解决现有挠度测量方法不能满足大量程、自动化、长期在线动态测量的需要，本发明旨在提供一种激光成像挠度和位移监测方法，能够实现挠度和位移长期的双路实时动态监测，具有自动化、高精度和低成本等特点。

本发明通过如下技术方案实现：

一种激光成像挠度和位移监测方法，包括如下步骤：

(1)设备安装：将激光发射装置和控制器一固定在壳体一内的电路板上，并将壳体一作为固定端安装在待测目标附近的静止处，将靶标、图像处理器和控制器二固定在壳体二内的电路板上，并将壳体二作为监测端固定在待测目标上产生挠度和位移的部分，靶标内延激光传输方向依次设置滤光光幕、镜头和图像传感器，将图像传感器设置于镜头的光学焦点，镜头与滤光光幕之间的距离与测量量程呈线性正比例相关，将图像处理器的输入端与图像传感器连接，输出端与控制器二连接；

(2)射线校准：调节激光发射装置的方位和俯仰角度，使其激光光束的焦点对准滤光光幕的中心，并由控制器一记录激光发射装置的零点；

(3)激光成像：控制器开启激光发射装置发射激光光束，并直射在滤光光幕上，镜头将滤光光幕背面的光斑投影在图像传感器上，然后由图像传感器将图像信息传送给图像处理器；

(4)数据处理：图像处理器根据光斑投影图像的位移，计算出监测点的挠度值和位移值，并发送至控制器二，控制器二将数据编码后发送给控制器一。

进一步的，滤光光幕采用以挠度测量量程为边长的正方形有色有机玻璃，其颜色与激光光束颜色一致。

进一步的，图像传感器采用CMOS图像传感器，其分辨率为1024*768。

进一步的，图像处理器采用FPGA现场可编程逻辑门整列用于挠度值和位移值的计算，从CMOS接收到数字信号的图像数据依次经过FPGA、控制器二计算并转换为电信号的挠度值和位移值。

进一步的，FPGA采用如下算法计算挠度值和位移值：

确定光斑的光强捕获门限D，作为满足稳定捕获光斑的最小光强值，记录所有光强大于D的像素点的坐标x_n、y_n，并记录捕获的像素点个数n；

则光斑中心像素点的坐标x_c、y_c为：

$x_c=\frac{{\mathrm{\Σ}}_1^n{x}_n}{n};---1.6$

$y_c=\frac{{\mathrm{\Σ}}_1^n{y}_n}{n};---1.7$

则挠度值Y_def与位移值X_dis计算公式如下：

Y_def＝x_c*Z；1.8

X_dis＝y_c*Z；1.9

其中，Z为设计测量精度。

进一步的，激光发射装置内设有激光器座和多个激光器，激光器座呈中心对称结构，其对称中心通过螺栓固定在外壳一上，其上均匀、对称地设有安装激光器的通孔，激光器一一对应地内嵌在通孔中，并通过电路连接到电路板上。控制器一内并行设有多个继电器，继电器与激光器一一对应连接。控制器一通过继电器逐一控制激光器的开启或关闭。正常工作时，同一时间仅有一个激光器处于开启状态。

进一步的，FPGA根据光强捕获门限D选择有效像素点的同时，将全部光斑的光强信息随挠度值和位移值一同传递给控制器二，经过编码后一并传递给控制器一，控制器一通过对比所接收的光强信息与光强捕获门限D判断激光器工作健康程度，当所接收的光强信息小于或等于光强捕获门限D时，判断当前工作的激光器寿命已完结，遂通过继电器进行激光器的切换。

进一步的，激光器座的边缘均匀、中心对称地设有可伸缩的预调组件，其对称中心的螺栓预置在弹簧内，通过调节预调组件调节激光器座的方位和俯仰角度，并由预置在弹簧内的螺栓进行固定。

进一步的，激光器与激光器座之间还留有间隙，在该间隙内均匀、对称地设置有可伸缩的预调组件，通过调节激光器与激光器座之间间隙的大小，进而调节激光器的方位和俯仰角度。

进一步的，控制器一设有调校状态和工作状态，设备安装完毕后，手动切换至调校状态，多个激光器同时点亮，手动调节激光器与激光器座之间的预调组件，使多个激光器的光束聚焦到同一焦点，然后调节激光器座边缘的预调组件，使激光器的焦点对准滤光光幕的中心，并手动将控制器一切换到工作状态；进入工作状态后，控制器一首先进入自动调校模式，记录每个激光器的零点，使得激光器切换后的零点保持一致，之后自动进入正常工作模式。

本发明结合了激光成像和光电成像原理，借助激光投影因待测目标的移动或形变带动靶标移动而发生偏离，通过光斑投影的相对位移计算待测目标的挠度和位移，具有精度高、速度快、成本低等优势。同时本发明采用滤光光幕滤除大量可见光及激光散光，降低激光光束的强度，延长图像传感器的使用寿命；通过多个激光器的自动切换延长整个监测仪的工作寿命；通过调节预调组件，使得初次安装以及多个激光器进行切换时其焦点始终与滤光光幕中心对准，不因人工安装时的误差或待测点与固定点之间的距离而发生偏离。而且本发明无需采用成本高昂的高清摄像头，只需普通的定焦广角光学镜头即可，极大地降低了监测仪的成本，便于大规模批量使用。

附图说明

图1为本发明用于桥梁的安装位置的示意图；

图2为本发明的工作原理图。

其中，1：桥墩；2：桥面；3：固定端；4：监测端；5：激光光束。

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。

具体实施方式

本发明提供一种激光成像挠度和位移监测方法，包括如下步骤：

(1)设备安装：将激光发射装置和控制器一固定在壳体一内的电路板上，并将壳体一作为固定端3安装在待测目标附近的静止处，将靶标、图像处理器和控制器二固定在壳体二内的电路板上，并将壳体二作为监测端4固定在待测目标上产生挠度和位移的部分，靶标内延激光传输方向依次设置滤光光幕、镜头和图像传感器，将图像传感器设置于镜头的光学焦点，镜头与滤光光幕之间的距离与测量量程呈线性正比例相关，将图像处理器的输入端与图像传感器连接，输出端与控制器二连接。

无论是测量动态挠度或是静态挠度，壳体一作为固定端3可以固定在待测目标或周围相对静止的建筑物或构筑物上，壳体二作为监测端4可以端固定在待测目标产生挠度或位移的部位。例如，用于监测山体静态位移时，固定端3安装在待测山体周围相对静止的高速公路或其他位置，监测端4安装在山坡上。可进行长期监测预警山体滑坡。用于桥梁挠度和位移的动态监测时，固定端3安装在待测桥梁一端的桥墩1上，监测端4安装在待测桥梁两端桥墩1之间桥面2的中点处，如图1所示。

(2)射线校准：调节激光发射装置的方位和俯仰角度，使其激光光束5的焦点对准滤光光幕的中心，并由控制器一记录激光发射装置的零点。

(3)激光成像：控制器开启激光发射装置发射激光光束5，并直射在滤光光幕上，镜头将滤光光幕背面的光斑投影在图像传感器上，然后由图像传感器将图像信息传送给图像处理器。

(4)数据处理：图像处理器根据光斑投影图像的位移，计算出监测点的挠度值和位移值，并发送至控制器二，控制器二将数据编码后发送给控制器一。

本发明的工作原理如图2所示，控制器一控制激光发射装置发射激光光束5，光束直射靶标。靶标内首先由滤光光幕接收激光光束5，然后镜头将滤光光幕背面的光斑投影在图像传感器上，由图像传感器将图像信息传送给图像处理器，图像处理器经过计算得到待测点的挠度值和位移值，并发送给控制器一。初始状态时，待测点不发生形变和移动，激光光束5的焦点对准滤光光幕的中心原点，光斑的投影位置为零点。当待测点发生形变或移动时，靶标也随之移动。由于光源固定，光斑的投影具有了一定量的相对位移。图像处理器根据光斑的相对位移即可计算出待测点的挠度值和位移值。

本发明基于激光定向发光，亮度极高，发散衰减小等多方面优点，利用激光作为光源，实现了全天候、恶劣天气(雾霾、大雾)长期不间断工作的设计需求。同时利用光电成像原理，将光斑通过光学镜头投影在图像传感器上，可同时监测挠度和位移的变化，测量精度高，达到0.1mm；且复杂程度低，易于实现。本发明中对激光发射装置并没有过多要求，可以直接采用低成本的激光器。

考虑到激光光束5光强较大，直接照射会严重影响图像传感器的寿命；而且低成本激光器所产生的光束在经过远距离传输后发生散射，光束到达靶标时形成的光斑较大，不利于图像处理。同时，可见光也会对图像的处理带来不必要的麻烦。为了兼顾低成本、长寿命，同时保证高精度，本发明在靶标中增加了滤光光幕，一方面可以滤除大量可能干扰图像处理的可见光和激光散光，降低激光光束5的强度来延长图像传感器的使用寿命，另一方面将激光光束5投影在滤光光幕背面，经由镜头再将光斑投影在图像传感器上，形成图像数据。

镜头与滤光光幕之间的距离与测量量程呈线性正比例相关。由于镜头与滤光光幕之间的距离较近，通常只有10-15mm，无需使用摄像头远距离观察靶标，故采用普通的定焦广角光学镜头即可满足需求，无需使用成本高昂的高清摄像头，极大地降低了生产成本，可实现大范围推广应用。

滤光光幕采用以挠度测量量程为边长的正方形有色有机玻璃，保证在量程范围内激光光束5均能投影在靶标上，而不至落在靶标外。滤光光幕的颜色与激光光束5颜色一致，最大限度地减小激光的光衰减。

图像传感器可采用CCD或CMOS图像传感器，优选为CMOS图像传感器。与CCD相比，CMOS具有体积小，耗电量不到CCD的1/10，成本也比CCD便宜等优点。CMOS图像传感器的分辨率为X*Y，常见的有640*480，800*600，1024*768等几种规格。CMOS图像传感器通常为矩形，而一般情况下待测目标的挠度要比位移大得多。为了使量程与精度最优化，我们将CMOS图像传感器的X轴数据作为测量结果的Y轴即挠度值Y_def，Y轴数据作为测量结果的X轴即位移值X_dis。本发明的设计测量精度Z为0.1mm，而满足设计测量精度Z的量程由CMOS图像传感器的分辨率X和Y决定。

例如，采用CMOS图像传感器的分辨率为640*480，即

X＝640；1.1

Y＝480；1.2

Z＝0.1mm；1.3

则挠度量程与位移量程如下：

Y_ran＝X*Z＝64mm；1.4

X_ran＝Y*Z＝48mm；1.5

因此，选择合适的CMOS图像传感器就可以满足所需精度Z及量程Y_def和X_dis的需求。本发明采用的CMOS图像传感器的分辨率为1024*768，则本发明的挠度量程与位移量程具体为：

Y_ran＝X*Z＝1024*0.1＝102.4mm；1.6

X_ran＝Y*Z＝768*0.1＝76.8mm。1.7

除去安装误差和长期使用的形变误差，实际挠度值和位移值的量程为80*60mm。

为实现高速与高精度的要求，图像处理器可以采用DSP数字信号处理器或FPGA现场可编程逻辑门整列用于挠度值和位移值的计算，优选采用FPGA现场可编程逻辑门整列。相比DSP，FPGA可进行全并行运算，运算速度非常快，且可以自由现场配置，灵活性高。从CMOS接收到数字信号的图像数据依次经过FPGA、控制器二计算并转换为电信号的挠度值和位移值。

利用CMOS图像传感器的直接数字输出的特点，FPGA现场可编程逻辑门整列对CMOS图像传感器输出的数字图像信号进行光点跟踪处理，得到光点在滤光光幕上的位移数据，然后利用RS-232信号传输给控制器二，控制器二把输入的位移数据经过编码处理后，将RS-232信号转化为RS-422信号发送给控制器一。

RS-232信号是个人计算机上的通讯接口之一，由电子工业协会(ElectronicIndustriesAssociation，EIA)所制定的异步传输标准接口，由于时序简单、总线占用少、实现容易，被广泛应用与短距离数据传输。RS-232信号由于抗干扰能力弱无法进行较远距离的数据传输(10米就有较高的误码率)，由于靶标和激光发射装置有一定的距离(一般在15米以上)，所以将RS-232信号转化为抗干扰能力强的RS-422信号进行传输。

本发明采用全数字信号传输，控制器一将接收到的扰度值和位移值的RS-422信号转换为2路4-20mA电流信号输出。此信号为标准的工业控制模拟电流信号。考虑到4-20mA电流信号属于传统信号，兼容性强，模拟信号使用总线少，节约系统总线资源，电流信号抗干扰能力强，可以进行稳定远距离信号传输，极大地方便了系统接入和信号抗噪。

图像处理器采用高速图像跟踪算法，利用FPGA现场可编程逻辑门整列的高速并行特性，实现数字图像信号的高速处理。具体过程如下：

在CMOS图像传感器捕获的图像中，光斑所在像素点光强较大，其他部分光强较弱。考虑到激光器随使用时间的增加，光强度会逐渐减弱。故通过大量实验确定光强捕获门限D，即可以满足稳定捕获光斑的最小光强值，同时记录所有光强大于D的像素点x_n、y_n，并记录像素点的个数n。则光斑中心像素点x_c、y_c的坐标为：

$x_c=\frac{{\mathrm{\Σ}}_1^n{x}_n}{n};---1.8$

$y_c=\frac{{\mathrm{\Σ}}_1^n{y}_n}{n};---1.9$

则挠度值Y_def与位移值X_dis计算公式如下：

Y_def＝x_c*Z；1.10

X_dis＝y_c*Z1.11

根据式1.10和1.11可以计算出监测点的实时挠度值和位移值。

CMOS图像传感器帧数的最高配置为60帧，即图像信息的最大更新率为60Hz。在CMOS图像传感器初始化时对其帧数进行设置，同时配合FPGA现场可编程逻辑门整列的高速并行数据处理优势，以此来保证图像处理结果的快速更新，更新速度高于20Hz，为不间断动态实时监测提供技术保障。

利用激光器做为光源进行测量诚然会带来精度高，成本低等一系列优点，但是低成本激光器工作寿命短(8000小时左右)，工作温度范围小(-10℃-+40℃)也成为它的致命缺陷。为了解决这一矛盾，达到长时间不间断自动监测的目的，本发明的激光发射装置内设有激光器座和多个激光器，激光器座呈中心对称结构，其对称中心通过螺栓固定在外壳一上，其上均匀、对称地设有安装激光器的通孔，激光器一一对应地内嵌在通孔中，并通过电路连接到电路板上。控制器一内并行设有多个继电器，继电器与激光器一一对应连接。控制器一通过继电器逐一控制激光器的开启或关闭。正常工作时，同一时间仅有一个激光器处于开启状态。

激光器座采用中心对称结构便于一次加工成型，且中心对称的整体结构其内部密度较均匀，能够有效降低结构本身的热收缩系数，保证了结构具有较好的热收缩性，防止由于温度变化带来的测量量程损失。

正常工作状态下，同一时间内仅有一个激光器工作，FPGA现场可编程逻辑门整列根据光强捕获门限D选择有效像素点的同时，将全部光斑的光强信息随挠度值和位移值一同传递给控制器二，经过编码后一并传递给控制器一。控制器一通过对比所接收的光强信息与光强捕获门限D判断激光器工作健康程度，当所接收的光强信息小于或等于光强捕获门限D时，判断当前工作的激光器寿命已完结，遂通过继电器进行激光器的切换。

本发明对激光器寿命的监测和激光器的自动切换功能，使监测仪长期在线不间断动态监测得以实现。激光器的个数可以根据实际应用的需求来确定。

在不同应用场景中，监测端4与固定端3之间的距离也会有所差异，而激光发射装置出厂时其方位和俯仰角度都是固定的。因此多数情况下，激光发射装置的焦点不能对准靶标的中心原点，或多个激光器不能同时对准靶标的中心原点。

为了解决这一问题，同时避免由于人工安装导致的激光焦点与靶标中心原点的对准误差，在激光器座的边缘均匀、中心对称地设有可伸缩的预调组件，其对称中心的螺栓预置在弹簧内，通过调节预调组件调节激光器座的方位和俯仰角度，并由预置在弹簧内的螺栓进行固定。

同时，激光器与激光器座之间还留有间隙，在该间隙内均匀、对称地设置有可伸缩的预调组件，通过调节激光器与激光器座之间间隙的大小，进而调节激光器的方位和俯仰角度。

通过预调组件对激光器座和单个激光器的方位和俯仰角度进行调节，能够保证每个激光器的光束能够聚焦到同一焦点，且该焦点与靶标的中心原点对准。

在一个具体实施例中，预调组件由顶丝或螺栓构成，激光器座的每个调节面至少配有两个预调组件，每个激光器至少配有四个预调组件。通过调节顶丝或螺栓来选择合适的方位和俯仰角度，确定后由预置在弹簧内的螺栓锁死，防止由于振动和长时间老化产生的误差。该结构的调节精度较高，误差可以控制在0.5mm以内。另外，由于该结构的调节引起的量程损失可以忽略不计。

在此基础上，控制器一设有调校状态和工作状态，设备安装完毕后，手动切换至调校状态，多个激光器同时点亮，手动调节激光器与激光器座之间的预调组件，使多个激光器的光束聚焦到同一焦点，然后调节激光器座边缘的预调组件，使激光器的焦点对准滤光光幕的中心，并手动将控制器一切换到工作状态。进入工作状态后，控制器一首先进入自动调校模式，记录每个激光器的零点，使得激光器切换后的零点保持一致，之后自动进入正常工作模式。

另外，激光成像双路自动监测仪使用的为外部电源，但由于激光器所需电源为3V，靶标的输入电压为12V，而外部接入系统的电源为24V，图像处理器的FPGA需要3.3V、2.5V、1.2V，ARM处理器需要3.3V，CMOS图像传感器需要3.3V，因此固定端3和监测端4内的电路板上还设计了多个电压转化电路，满足各元件的电压需要。

综上所述，本发明只需匹配24V电源输入即可输出挠度和位移数据，操作简单；模拟电流量输出，增强抗干扰能力，降低组网复杂度，且结构简单安装方便。

Claims (10)

1.一种激光成像挠度和位移监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)设备安装：将激光发射装置和控制器一固定在壳体一内的电路板上，并将壳体一作为固定端安装在待测目标附近的静止处，将靶标、图像处理器和控制器二固定在壳体二内的电路板上，并将壳体二作为监测端固定在待测目标上产生挠度和位移的部分，靶标内延激光传输方向依次设置滤光光幕、镜头和图像传感器，将图像传感器设置于镜头的光学焦点，镜头与滤光光幕之间的距离与测量量程呈线性正比例相关，将图像处理器的输入端与图像传感器连接，输出端与控制器二连接；

(2)射线校准：调节激光发射装置的方位和俯仰角度，使其激光光束的焦点对准滤光光幕的中心，并由控制器一记录激光发射装置的零点；

(3)激光成像：控制器开启激光发射装置发射激光光束，并直射在滤光光幕上，镜头将滤光光幕背面的光斑投影在图像传感器上，然后由图像传感器将图像信息传送给图像处理器；

(4)数据处理：图像处理器根据光斑投影图像的位移，计算出监测点的挠度值和位移值，并发送至控制器二，控制器二将数据编码后发送给控制器一。

2.根据权利要求1所述的激光成像挠度和位移监测方法，其特征在于，所述滤光光幕采用以挠度测量量程为边长的正方形有色有机玻璃，其颜色与激光光束颜色一致。

3.根据权利要求1所述的激光成像挠度和位移监测方法，其特征在于，所述图像传感器采用CMOS图像传感器，其分辨率为1024*768。

4.根据权利要求3所述的激光成像挠度和位移监测方法，其特征在于，所述图像处理器采用FPGA现场可编程逻辑门整列用于挠度值和位移值的计算，从CMOS接收到数字信号的图像数据依次经过FPGA、控制器二计算并转换为电信号的挠度值和位移值。

5.根据权利要求4所述的激光成像挠度和位移监测方法，其特征在于，所述FPGA采用如下算法计算挠度值和位移值：

确定光斑的光强捕获门限D，作为满足稳定捕获光斑的最小光强值，记录所有光强大于D的像素点的坐标x_n、y_n，并记录捕获的像素点个数n；

则光斑中心像素点的坐标x_c、y_c为：

$x_c=\frac{{\mathrm{\Σ}}_1^n{x}_n}{n};---1.6$

$y_c=\frac{{\mathrm{\Σ}}_1^n{y}_n}{n};---1.7$

则挠度值Y_def与位移值X_dis计算公式如下：

Y_def＝x_c*Z；1.8

X_dis＝y_c*Z；1.9

其中，Z为设计测量精度。

6.根据权利要求5所述的激光成像挠度和位移监测方法，其特征在于，所述激光发射装置内设有激光器座和多个激光器，所述激光器座呈中心对称结构，其对称中心通过螺栓固定在外壳一上，其上均匀、对称地设有安装激光器的通孔，激光器一一对应地内嵌在通孔中，并通过电路连接到电路板上；控制器一内并行设有多个继电器，继电器与激光器一一对应连接；控制器一通过继电器逐一控制激光器的开启或关闭；正常工作时，同一时间仅有一个激光器处于开启状态。

7.根据权利要求6所述的激光成像挠度和位移监测方法，其特征在于，所述FPGA根据光强捕获门限D选择有效像素点的同时，将全部光斑的光强信息随挠度值和位移值一同传递给控制器二，经过编码后一并传递给控制器一，控制器一通过对比所接收的光强信息与光强捕获门限D判断激光器工作健康程度，当所接收的光强信息小于或等于光强捕获门限D时，判断当前工作的激光器寿命已完结，遂通过继电器进行激光器的切换。

8.根据权利要求7所述的激光成像挠度和位移监测方法，其特征在于，所述激光器座的边缘均匀、中心对称地设有可伸缩的预调组件，其对称中心的螺栓预置在弹簧内，通过调节预调组件调节激光器座的方位和俯仰角度，并由预置在弹簧内的螺栓进行固定。

9.根据权利要求8所述的激光成像挠度和位移监测方法，其特征在于，所述激光器与激光器座之间还留有间隙，在该间隙内均匀、对称地设置有可伸缩的预调组件，通过调节激光器与激光器座之间间隙的大小，进而调节激光器的方位和俯仰角度。

10.根据权利要求9所述的激光成像挠度和位移监测方法，其特征在于，所述控制器一设有调校状态和工作状态，设备安装完毕后，手动切换至调校状态，多个激光器同时点亮，手动调节激光器与激光器座之间的预调组件，使多个激光器的光束聚焦到同一焦点，然后调节激光器座边缘的预调组件，使激光器的焦点对准滤光光幕的中心，并手动将控制器一切换到工作状态；进入工作状态后，控制器一首先进入自动调校模式，记录每个激光器的零点，使得激光器切换后的零点保持一致，之后自动进入正常工作模式。