CN109541036B - 隧道衬砌背后空洞检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于岩土检测技术领域，提供了一种隧道衬砌背后空洞检测系统，包括：图像采集装置、数据分析处理装置、臂架总成、定位装置和工作台；图像采集装置安装于臂架总成上，臂架总成和定位装置分别安装于工作台上，图像采集装置在工程车行进过程中拍摄隧道衬砌的振动图像，并将振动图像发送至数据分析处理装置；定位装置在行进过程中对工程车进行实时定位检测，并将工程车的位置信息发送至数据分析处理装置；数据分析处理装置根据振动图像和位置信息进行空洞分析和诊断。本发明通过非接触的方式获取隧道衬砌的振动图像，实现对隧道衬砌空洞的检测，且在工程车行进过程中即可完成隧道衬砌背后空洞的检测，提高隧道衬砌检测的作业效率。

Description

隧道衬砌背后空洞检测系统
技术领域
本发明属于岩土检测技术领域，尤其涉及一种隧道衬砌背后空洞检测系统。
背景技术
大部分在建和运营中的公路及铁路隧道存在不同程度的病害现象，在导致隧道病害的诸多因素中，隧道衬砌背后接触状态不良是隧道结构病害的主要成因之一。而衬砌背后空洞通常是衬砌裂损和渗漏水等病害的直接诱因，由于受隧道施工工艺和地质环境等因素的影响，隧道拱顶和拱腰等部位的衬砌与围岩之间极易产生接触不密实的空洞。为了及时对隧道存在的病害进行修复，需要定时对隧道检测。
目前，检测衬砌背后接触状态方法分为接触式检测方法以及非接触式检测方法，接触式检测方法主要利用应变片和加速度传感器等装置进行检测；非接触式检测方法主要利用激光检测。在接触式检测方法和非接触式检测方法对比选择中，接触式检测方法使用较多，但接触式检测方法测量中涉及到传感器购置、布线等问题，导致测量效率低下。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种隧道衬砌背后空洞检测系统，以解决现有技术中接触式测量导致衬砌背后检测效率低下的问题。
本发明实施例提供了一种隧道衬砌背后空洞检测系统，包括：图像采集装置、数据分析处理装置、臂架总成、定位装置和工作台；
所述图像采集装置安装于所述臂架总成上，所述臂架总成和所述定位装置分别安装于所述工作台上；
所述工作台受工程车的牵引能够在隧道中按照预设路线行进；
所述图像采集装置用于在所述工程车行进过程中拍摄隧道衬砌的振动图像，并将所述振动图像发送至所述数据分析处理装置；
所述定位装置用于在工程车行进过程中对所述工程车进行定位检测，得到所述工程车的位置信息，并将所述工程车的位置信息发送至所述数据分析处理装置；
所述数据分析处理装置根据所述振动图像和所述工程车的位置信息进行空洞分析和诊断。
在一个实施例中，隧道衬砌背后空洞检测系统还包括光源，所述光源安装于所述工作台上，用于为所述图像采集装置的拍摄提供照明。
在一个实施例中，所述数据分析处理装置包括振动监测模块、峰值频率计算模块和峰值频率对比模块；
所述振动监测模块用于监测所述振动图像中所述隧道衬砌的振动，提取所述隧道衬砌的振动信号；
所述峰值频率计算模块用于根据所述振动信号，计算所述隧道衬砌的峰值频率；
所述峰值频率对比模块用于将所述隧道衬砌的峰值频率与正常隧道衬砌处的预设峰值频率进行对比，得到空洞分析与诊断结果。
在一个实施例中，所述振动监测模块还包括图像处理单元；
所述图像处理单元用于根据所述位置信息，对所述振动图像中的预设帧图像建立图像极坐标，确定所述振动图像与实际物体的换算关系。
在一个实施例中，所述振动监测模块还包括振动信号提取单元；
所述振动信号提取单元用于通过夸大像素运动的视觉技术监测振动图像中所述隧道衬砌的振动，得到所述隧道衬砌的振动信号。
在一个实施例中，所述隧道衬砌背后空洞检测系统还包括安装于所述臂架总成和所述工作台之间的全频段减震减噪声装置；
所述全频段减震减噪声装置用于在所述工程车行进过程中获取所述图像采集装置的装置振动信号，并将所述装置振动信号发送至所述数据分析处理装置。
在一个实施例中，所述振动监测模块还包括减震减噪单元；
所述减震减噪单元用于消去所述隧道衬砌的振动信号中的图像采集装置的装置振动信号，得到所述隧道衬砌实际的振动信号。
在一个实施例中，所述峰值频率计算模块包括频谱变换单元、功率频谱密度计算单元和峰值频率计算单元；
所述频谱变换单元用于从所述振动信号中选取特征测量点处的特征振动信号，并对所述特征振动信号进行傅里叶变换，得到所述特征测量点对应的振动频谱；
所述功率频谱密度计算单元用于对所述特征测量点对应的振动频谱进行功率频谱密度计算，并根据得到的功率频谱密度计算所述特征测量点的标准功率频谱密度平均值；
所述峰值频率计算单元用于根据标准功率频谱密度平均值，确定所述隧道衬砌的峰值频率。
在一个实施例中，所述工作台下设有脚轮。
在一个实施例中，隧道衬砌背后空洞检测系统还包括电源，所述电源分别与所述图像采集装置、数据分析处理装置和定位装置连接。
本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：本发明实施例提供的隧道衬砌背后空洞检测系统包括图像采集装置、数据分析处理装置、臂架总成、定位装置和工作台；所述图像采集装置安装于所述臂架总成上，所述臂架总成和所述定位装置分别安装于所述工作台上；所述工作台受工程车的牵引能够在隧道中按照预设路线行进；所述图像采集装置用于在所述工程车行进过程中拍摄隧道衬砌的振动图像，并将所述振动图像发送至所述数据分析处理装置；所述定位装置用于在工程车行进过程中对所述工程车进行定位检测，得到所述工程车的位置信息，并将所述工程车的位置信息发送至所述数据分析处理装置；所述数据分析处理装置根据所述振动图像和所述工程车的位置信息进行空洞分析和诊断。本发明通过非接触的方式获取隧道衬砌的振动图像，实现对隧道衬砌空洞的检测，并且在工程车行进过程中即可完成隧道衬砌背后空洞的检测，提高隧道衬砌检测的作业效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的隧道衬砌背后空洞检测系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的隧道衬砌背后空洞检测系统的结构示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
图1示出了本发明一实施例提供的一种隧道衬砌背后空洞检测系统的结构示意图，参见图1，该隧道衬砌背后空洞检测系统包括：图像采集装置1、数据分析处理装置2、臂架总成3、定位装置4和工作台5；
所述图像采集装置1安装于所述臂架总成3上，所述臂架总成3和所述定位装置4分别安装于所述工作台5上；
所述工作台5受工程车6的牵引能够在隧道中按照预设路线行进；
所述图像采集装置1用于在所述工程车6行进过程中拍摄隧道衬砌的振动图像，并将所述振动图像发送至所述数据分析处理装置2；
所述定位装置4用于在工程车6行进过程中对所述工程车6进行定位检测，得到所述工程车6的位置信息，并将所述工程车6的位置信息发送至所述数据分析处理装置2；
所述数据分析处理装置2根据所述振动图像和所述工程车6的位置信息进行空洞分析和诊断。
在本实施例中，隧道衬砌背后空洞检测系统工作时通过钢管、脚手架直角扣件将工作台5固定在工程车6上，由工程车6牵动工作台5沿隧道中的预设路线移动。
在本实施例中，图像采集装置1就是能够以很高的频率记录一个动态的图像，其能够在短时间内对高速运动的目标进行连续的采样，采用图像采集装置1其能够很好的记录隧道衬砌的振动情况。优选地，图像采集装置1可以为高速摄像机。
在本实施例中，臂架总成3用于安装图像采集装置1并可通过调整臂架总成3调整图像采集装置1的位置，从而使取得的振动图像位置更加合理。
在本实施例中，使用工程车6牵引工作台5，将工程车6驶至检测起点，发动工程车6，工程车6运行使隧道衬砌产生震动，图像采集装置1对隧道衬砌的振动情况进行拍摄，得到振动图像。在工程车6按照预设路线行进的过程中，定位装置4记录工程车6的位置信息。
从上述实施例可知，本发明实施例提供的隧道衬砌背后空洞检测系统包括图像采集装置1、数据分析处理装置2、臂架总成3、定位装置4和工作台5；所述图像采集装置1安装于所述臂架总成3上，所述臂架总成3和所述定位装置4分别安装于所述工作台5上；所述工作台5受工程车6的牵引能够在隧道中按照预设路线行进；所述图像采集装置1用于在所述工程车6行进过程中拍摄隧道衬砌的振动图像，并将所述振动图像发送至所述数据分析处理装置2；所述定位装置4用于在工程车6行进过程中对所述工程车6进行定位检测，得到所述工程车6的位置信息，并将所述工程车6的位置信息发送至所述数据分析处理装置2；所述数据分析处理装置2根据所述振动图像和所述工程车6的位置信息进行空洞分析和诊断。本发明通过非接触的方式获取隧道衬砌的振动图像，实现对隧道衬砌空洞的检测，并且在工程车6行进过程中即可完成隧道衬砌背后空洞的检测，提高隧道衬砌检测的作业效率。
在一个实施例中，隧道衬砌背后空洞检测系统还包括光源7，所述光源7安装于所述工作台5上，用于为所述图像采集装置1的拍摄提供照明。
在本实施例中，本系统还包括光源7，光源7安装于工作台5上。优选地，光源7照射方向与图像采集装置1的拍摄方向相同。
光源7的照射方向与图像采集装置1的拍摄方向可以手动设置为同一方向，也可以采用自动方向跟随方法，其具体实现过程如下：
光源7通过自动旋转装置安装于工作台5，自动旋转装置与数据分析处理装置2连接。图像采集装置1将镜头方向信息发送至数据分析处理装置2，数据分析处理装置2根据镜头方向信息生成自动旋转指令至自动旋转装置，自动旋转装置根据自动旋转指令带动光源7旋转光源7方向至与镜头方向一致。
从上述实施例可知，通过光源7的照射能够使图像采集装置1拍摄的隧道衬砌振动图像更加清晰，为衬砌空洞检测提供更加准确的图像数据。
如图2所示，在一个实施例中，所述数据分析处理装置2包括振动监测模块21、峰值频率计算模块22和峰值频率对比模块23；
所述振动监测模块21用于监测所述振动图像中所述隧道衬砌的振动，提取所述隧道衬砌的振动信号；
所述峰值频率计算模块22用于根据所述振动信号，计算所述隧道衬砌的峰值频率；
所述峰值频率对比模块23用于将所述隧道衬砌的峰值频率与正常隧道衬砌处的预设峰值频率进行对比，得到空洞分析与诊断结果。
在本实施例中，数据分析处理装置2包括振动监测模块21，振动监测模块21采用夸大像素运动的视觉技术软件对振动图像的每一帧图像进行分析，并将振动图像中的振动进行放大监测，从振动图像中提取振动信号。
在本实施例中，峰值频率计算模块22将振动信号经傅里叶变换转换为频谱，从而根据隧道衬砌振动的频谱计算峰值频率。
在本实施例中，正常隧道衬砌即完整性好的隧道衬砌。围岩与衬砌接触的完整性对结构的频率有很大影响，混凝土-岩石接触面接触刚度的降低会减小系统的固有频率。因此可以通过对比峰值频率来判断隧道衬砌的完整性。
在开始隧道衬砌检测之前，首先人工查找隧道内衬砌完整性好的位置，然后将工程车6驶至衬砌完整性好的位置，利用图像采集装置1拍摄完整性好的隧道衬砌的振动图像，从而根据完整性好的隧道衬砌的振动图像，计算完整性好的隧道衬砌的预设峰值频率。
在本实施例中，将隧道衬砌特征测量点的峰值频率与结构完整性好的峰值频率进行对比，即可判定隧道衬砌特征测量点结构的完整性，特征测量点完整性好，则对比结果类似，目标区域完整性差，则有不同的峰值频率，差异的大小反映了病害程度，
在一个实施例中，所述振动监测模块21还包括图像处理单元211；
所述图像处理单元211用于根据所述位置信息，对所述振动图像中的预设帧图像建立图像极坐标，确定所述振动图像与实际物体的换算关系。
在本实施例中，图像处理单元211由计算机内夸大像素运动的视觉技术软件对振动图像中的每一帧图像进行分析；并根据获取到的位置信息，对预设帧图像建立图像极坐标，预设帧图像可以为振动图像的第一帧图像，通过对比第一帧图像与该帧图像的真实场景，求得图像与实际物体尺寸换算关系，通过确定图像与实际物体的换算关系，可以更加真实的显示隧道衬砌的振动情况。
在一个实施例中，所述振动监测模块21还包括振动信号提取单元212；
所述振动信号提取单元212用于通过夸大像素运动的视觉技术监测振动图像中所述隧道衬砌的振动，得到所述隧道衬砌的振动信号。
在本实施例中，通过夸大像素运动的视觉技术软件监测振动图像中隧道衬砌的振动，可以得到隧道衬砌的振动信号，在工程车6行进过程中，隧道衬砌因工程车6的运动产生振动，隧道衬砌的每个点都在做振动，通过监测振动图像中隧道衬砌的振动情况，可以得到隧道衬砌各个点的振动信号。
在一个实施例中，所述隧道衬砌背后空洞检测系统还包括安装于所述臂架总成3和所述工作台5之间的全频段减震减噪声装置8；
所述全频段减震减噪声装置8用于在所述工程车6行进过程中获取所述图像采集装置1的装置振动信号，并将所述装置振动信号发送至所述数据分析处理装置2。
在本实施例中，由于工程车6在行进过程中也会产生上下左右移动，带动的图像采集装置1产生振动，因此图像采集装置1的振动会影响振动图像中显示的隧道衬砌的振动情况，因此，可以通过全频段减震减噪声装置8获取行进过程中摄像机的振动信号，并将振动信号发送至数据分析处理装置2。
在一个实施例中，所述振动监测模块21还包括减震减噪单元213；
所述减震减噪单元213用于消去所述隧道衬砌的振动信号中的图像采集装置1的装置振动信号，得到所述隧道衬砌实际的振动信号。
在本实施例中，减震减噪单元213获取全频段减震减噪声装置8发送的摄像机的装置振动信号，并将隧道衬砌的振动信号减去装置振动信号，从而去除隧道衬砌振动信号中的噪声干扰，得到隧道衬砌实际的振动信号，基于隧道衬砌实际的振动信号，可以提高隧道衬砌背后空洞检测的准确性。
在一个实施例中，所述峰值频率计算模块22包括频谱变换单元、功率频谱密度计算单元和峰值频率计算单元；
所述频谱变换单元用于从所述振动信号中选取特征测量点处的特征振动信号，并对所述特征振动信号进行傅里叶变换，得到所述特征测量点对应的振动频谱；
所述功率频谱密度计算单元用于对所述特征测量点对应的振动频谱进行功率频谱密度计算，并根据得到的功率频谱密度计算所述特征测量点的标准功率频谱密度平均值；
所述峰值频率计算单元用于根据标准功率频谱密度平均值，确定所述隧道衬砌的峰值频率。
在本实施例中，频谱变换单元用于将隧道衬砌真实的振动信号经傅里叶变化转化为振动频谱。
在本实施例中，图像采集装置1拍摄一帧图像包括隧道衬砌的多个位置，需要对各个位置分别进行空洞检测。因此，可以选取所有帧图像的特征测量点对应的特征振动信号，然后将所有帧的特征振动信号转化为振动频谱。特征测量点的振动频谱为横坐标为频率，纵坐标为振幅的频谱；特征测量点为选择进行空洞检测的位置点。
在本实施例中，当获取到特征测量点处的振动频谱后，可以通过功率频谱密度计算单元计算特征测量点的标准功率频谱密度平均值，其详细过程如下：
在本实施例中，根据功率频谱密度(Power spectral density，PSD)计算公式，计算特征测量点的功率频谱密度。功率频谱密度计算公式如下：
Figure BDA0001900173260000091
式(1)中，P(f)表示频率为f时的功率频谱密度，X(f)表示表示频率为f时的振动频谱，T表示时间。
通过式(1)可以得到特征测量点每个频率的功率频谱密度。
在本实施例中，当获取到特征测量点每个频率的功率频谱密度，对每个频率的功率频谱密度求平方和，得到标准功率频谱密度，功率频谱密度标准化转化公式如式(2)所示：
Figure BDA0001900173260000101
式(2)中，NPSD(f)表示标准功率频谱密度，Fs表示采样频率，L表示数据段长度，U表示标准化常数，W(f)表示窗函数的傅里叶变换函数，k表示频点数。
在本实施例中，根据特征测量点每个频率的标准功率频谱密度，计算标准功率频谱密度平均值，其公式如下式(3)：
Figure BDA0001900173260000102
式(3)中，ANPSD(fk)表示标准功率频谱密度平均值，n表示n个频率，i表示第i个频率，NPSDi(fk)表示第i个频谱的标准功率频谱密度。
在本实施例中，根据标准功率频谱密度平均值，计算特征测量点处的峰值频率，进而通过特征测量点处的峰值频率与预设峰值频率的对比，确定特征测量点处隧道衬砌的完整性。
在本实施例中，将检测隧道衬砌各点处的峰值频率与预设峰值频率进行对比，从而完成隧道衬砌各处的空洞检测。
在本实施例中，通过构建移动式检测方法，即可建立隧道衬砌的三维坐标，并得到衬砌完整性的空间分布，实现快速大规模的检测。
从上述实施例可知，本系统采用非接触式的，基于影像的振动测量方法，可以对公路隧道以及铁路隧道以及各种断面形状的隧道进行非接触式振动测量，进而对隧道衬砌完整性以及衬砌背后空洞进行安全评估。
从上述实施例可知，本发明实施通过隧道衬砌背后空洞检测系统进行隧道衬砌背后空洞检测，操作简单，便于现场人员操作、实用性高、效率高、有减振减噪音措施抗干扰能力强、易于推广使用。
从上述实施例可知，本发明实施提供的隧道衬砌背后空洞检测系统，通过对比完整衬砌结构的峰值频率以及背后密实的环境中的预设峰值频率，来判定衬砌结构的完整性，提高了判定的精度。
从上述实施例可知，本发明实施提供的隧道衬砌背后空洞检测系统，利用全频段减振减噪声装置，减少了对图像采集装置1接收信号的影响。
在一个实施例中，所述工作台5下设有脚轮。
在本实施例中，工作台5下安装可调整的脚轮，以便适应于不同情况的地面条件。
在一个实施例中，隧道衬砌背后空洞检测系统还包括电源，所述电源分别与所述图像采集装置1、数据分析处理装置2和定位装置4连接。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种隧道衬砌背后空洞检测系统，其特征在于，包括：图像采集装置、数据分析处理装置、臂架总成、定位装置和工作台；所述图像采集装置安装于所述臂架总成上，所述臂架总成和所述定位装置分别安装于所述工作台上；
所述工作台受工程车的牵引能够在隧道中按照预设路线行进；
所述图像采集装置用于在所述工程车行进过程中拍摄隧道衬砌的振动图像，并将所述振动图像发送至所述数据分析处理装置；
所述定位装置用于在工程车行进过程中对所述工程车进行定位检测，得到所述工程车的位置信息，并将所述工程车的位置信息发送至所述数据分析处理装置；
所述数据分析处理装置根据所述振动图像和所述工程车的位置信息进行空洞分析和诊断；
其中，所述数据分析处理装置包括振动监测模块、峰值频率计算模块和峰值频率对比模块；
所述振动监测模块用于监测所述振动图像中所述隧道衬砌的振动，提取所述隧道衬砌的振动信号；
所述振动监测模块包括图像处理单元；
所述图像处理单元用于根据所述位置信息，对所述振动图像中的预设帧图像建立图像极坐标，确定所述振动图像与实际物体的换算关系；
所述峰值频率计算模块用于根据所述振动信号，计算所述隧道衬砌的峰值频率；
所述峰值频率对比模块用于将所述隧道衬砌的峰值频率与预设峰值频率进行对比，得到空洞分析与诊断结果；
所述振动监测模块还包括振动信号提取单元；
所述振动信号提取单元用于通过夸大像素运动的视觉技术监测所述振动图像中所述隧道衬砌的振动，得到所述隧道衬砌的振动信号。
2.如权利要求1所述的隧道衬砌背后空洞检测系统，其特征在于，还包括光源，所述光源安装于所述工作台上，为所述图像采集装置的拍摄提供照明。
3.如权利要求1所述的隧道衬砌背后空洞检测系统，其特征在于，所述隧道衬砌背后空洞检测系统还包括安装于所述臂架总成和所述工作台之间的全频段减震减噪声装置；
所述全频段减震减噪声装置用于在所述工程车行进过程中获取所述图像采集装置的装置振动信号，并将所述装置振动信号发送至所述数据分析处理装置。
4.如权利要求3所述的隧道衬砌背后空洞检测系统，其特征在于，所述振动监测模块还包括减震减噪单元；
所述减震减噪单元用于消去所述隧道衬砌的振动信号中的图像采集装置的装置振动信号，得到所述隧道衬砌实际的振动信号。
5.如权利要求1所述的隧道衬砌背后空洞检测系统，其特征在于，所述峰值频率计算模块包括频谱变换单元、功率频谱密度计算单元和峰值频率计算单元；
所述频谱变换单元用于从所述振动信号中选取特征测量点处的特征振动信号，并对所述特征振动信号进行傅里叶变换，得到所述特征测量点对应的振动频谱；
所述功率频谱密度计算单元用于对所述特征测量点对应的振动频谱进行功率频谱密度计算，并根据得到的功率频谱密度计算所述特征测量点的标准功率频谱密度平均值；
所述峰值频率计算单元用于根据所述标准功率频谱密度平均值，确定所述隧道衬砌的峰值频率。
6.如权利要求1至5任一项所述的隧道衬砌背后空洞检测系统，其特征在于，所述工作台下设有脚轮。
7.如权利要求1至5任一项所述的隧道衬砌背后空洞检测系统，其特征在于，所述隧道衬砌背后空洞检测系统还包括电源，所述电源分别为所述图像采集装置、所述数据分析处理装置和所述定位装置供电。
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