基于漢寧窗變密度條紋的儲(chǔ)罐沉降視覺測(cè)量方法

伏喜斌，魏 崴，黃學(xué)斌，劉東明，鐘劍鋒，王 東，鐘舜聰，張 焱

（1.廈門市特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)院，福建 廈門 361000；2.福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350116；3.中國(guó)航空油料有限責(zé)任公司廈門分公司，福建 廈門 361000；4.浙江創(chuàng)力電子股份有限公司，浙江 溫州 325025）

引言

隨著我國(guó)石油、化工等工業(yè)的發(fā)展，儲(chǔ)罐在國(guó)內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，并且朝著大型化、集群化方向快速發(fā)展。受場(chǎng)地穩(wěn)定性、不良地質(zhì)體、地表水下滲等影響，儲(chǔ)罐地基常會(huì)發(fā)生沉降，威脅其安全運(yùn)行，如造成儲(chǔ)罐局部應(yīng)力過(guò)大及罐壁的橢圓化等，從而引發(fā)破裂、漏油等災(zāi)難性事故。儲(chǔ)罐作為石化行業(yè)重要的存儲(chǔ)設(shè)備，其安全問(wèn)題不容忽視。因此對(duì)儲(chǔ)罐的沉降測(cè)量方法研究受到越來(lái)越多學(xué)者的關(guān)注。

傳統(tǒng)沉降測(cè)量方法主要采用水準(zhǔn)儀和全站儀的水準(zhǔn)測(cè)量法和三角高程測(cè)量法，該類方法比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力、難以實(shí)現(xiàn)全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警等。目前常用的沉降自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備主要有GPS、合成孔徑雷達(dá)、激光測(cè)量系統(tǒng)、靜力水準(zhǔn)儀、光學(xué)成像系統(tǒng)和視覺測(cè)量系統(tǒng)等。

許多研究者采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)橋梁、礦區(qū)、高鐵、機(jī)場(chǎng)、高壓輸電塔塔架等的沉降測(cè)量[1-2]，測(cè)量精度可達(dá)1 mm～2 mm。YANG Zefa[3]等對(duì)合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)進(jìn)行研究，并應(yīng)用于地面沉降的監(jiān)測(cè)。當(dāng)前合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)測(cè)量精度也在毫米量級(jí)。由于光纖式傳感器具有不帶電、不受電磁干擾、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，也有研究學(xué)者提出了各類光纖傳感器用于結(jié)構(gòu)的沉降監(jiān)測(cè)[4]。孫麗[5]等設(shè)計(jì)出一種等強(qiáng)度梁的新型雙光纖光柵靜力水準(zhǔn)儀，提出了一套沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案，并進(jìn)行了沉降監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。XU Dongsheng等[6]提出一種自動(dòng)溫度補(bǔ)償?shù)墓饫w式液位傳感器用于結(jié)構(gòu)的沉降監(jiān)測(cè)，測(cè)量范圍為±75.61 mm，測(cè)量相對(duì)誤差為4%。王來(lái)志[7]等分析了現(xiàn)有的沉降檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況，設(shè)計(jì)了一套基于壓差式靜力水準(zhǔn)儀的沉降監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

隨著視覺傳感器和圖像處理技術(shù)的發(fā)展，許多研究學(xué)者也提出各種基于視覺圖像的位移、形變等測(cè)量方法和系統(tǒng)[8-10]，并在結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與缺陷檢測(cè)中得到一定的應(yīng)用。視覺測(cè)量一般在被測(cè)結(jié)構(gòu)表面設(shè)置由規(guī)則特征圖案或者散斑圖案組成的標(biāo)靶，再采用圖像對(duì)比跟蹤算法[11]、模板匹配技術(shù)[12]、邊緣檢測(cè)技術(shù)[13]、數(shù)字圖像相關(guān)算法[14]等進(jìn)行動(dòng)態(tài)信號(hào)的分析提取，該類視覺測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量性能取決于算法的精度和圖像的分辨率，通?？蓪?shí)現(xiàn)亞像素級(jí)別的圖像位移的分辨，但是算法計(jì)算量較大。也有學(xué)者采用機(jī)器視覺，結(jié)合目標(biāo)匹配和方向碼匹配算法捕捉結(jié)構(gòu)自然特征的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的位移測(cè)量[15],取得一定的效果，但位移分辨率受光照條件及圖像質(zhì)量的影響較大。

現(xiàn)有的儲(chǔ)罐沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)較為復(fù)雜，測(cè)量精度有限，且容易受到外部環(huán)境干擾因素的影響導(dǎo)致測(cè)量可靠性不高。為了更加簡(jiǎn)便快速解決對(duì)儲(chǔ)罐沉降測(cè)量問(wèn)題，提升測(cè)量的便捷性，提高結(jié)構(gòu)沉降的測(cè)量精度和可靠性，本研究提出一種漢寧窗變密度條紋作為標(biāo)靶附于被測(cè)結(jié)構(gòu)表面，采用二維遠(yuǎn)焦視覺成像系統(tǒng)采集標(biāo)靶圖像方式對(duì)儲(chǔ)罐的沉降進(jìn)行測(cè)量，處理算法簡(jiǎn)單高效，且具有微米量級(jí)的沉降位移測(cè)量精度。因此，提出的測(cè)量系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單，測(cè)量方便，精度較高，能夠很好地克服現(xiàn)有測(cè)量方法存在的系統(tǒng)復(fù)雜、測(cè)量精度不足等問(wèn)題。

1 測(cè)量系統(tǒng)組成

基于漢寧窗變密度條紋和遠(yuǎn)焦相機(jī)的儲(chǔ)罐沉降測(cè)量系統(tǒng)示意圖如圖1 所示。該測(cè)量系統(tǒng)主要由附于儲(chǔ)罐表面的漢寧窗變密度條紋、遠(yuǎn)焦相機(jī)和計(jì)算機(jī)組成。該測(cè)量系統(tǒng)的三維測(cè)量坐標(biāo)定義如圖1 所示，將垂直于成像光軸的水平方向定義為X軸，垂直于成像光軸的豎直方向定義為Y軸，沿成像光軸方向定義為Z軸。

圖1 儲(chǔ)罐沉降測(cè)量系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of tank settlement measurement system

漢寧窗變密度條紋形式如圖1 所示，該條紋通過(guò)程序產(chǎn)生，再將其保存成黑白圖片。實(shí)際測(cè)量中可將該圖片噴涂于被監(jiān)測(cè)儲(chǔ)罐的表面，或者打印于特殊背膠貼上，粘貼于被測(cè)結(jié)構(gòu)表面。實(shí)際漢寧窗變密度條紋的有效條紋高度和寬度分別假設(shè)為H和W，其值可由實(shí)際成像距離決定。該條紋的特點(diǎn)在于沿高度方向的條紋密度隨漢寧窗函數(shù)變化，采集到條紋圖像后，通過(guò)計(jì)算每行條紋的密度值即可得到漢寧窗變化的密度曲線，再通過(guò)求取該密度曲線的能量重心坐標(biāo)，即可得到條紋在豎直方向的位移變化信息。在被測(cè)結(jié)構(gòu)表面布置好條紋后，盡量使條紋圖像成像于圖像傳感器的中心位置，并調(diào)整遠(yuǎn)焦成像鏡頭的參數(shù)使條紋清晰成像。因?yàn)樵擃惔笮徒Y(jié)構(gòu)的沉降速度一般較慢，所以采用高分辨率、低幀率的普通相機(jī)即可。

2 測(cè)量原理

2.1 Y 方向沉降位移測(cè)量原理

系統(tǒng)Y方向的沉降位移測(cè)量原理如圖2 所示。附于儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)表面的條紋圖像將跟隨儲(chǔ)罐一同沉降，所以成像條紋圖像在成像傳感器豎直方向的成像位置將發(fā)生變化，通過(guò)定位條紋中心在豎直方向偏移的像素值h即可計(jì)算得到儲(chǔ)罐沉降的實(shí)際位移。由圖2 中成像關(guān)系可得，結(jié)構(gòu)在t時(shí)刻沿Y方向有位移 Δy(t)時(shí)，其位移可表達(dá)為

圖2 Y 方向沉降位移測(cè)量原理Fig.2 Measurement principle of tank settlement displacement in Y-direction

式中：D為成像物距；F為圖像傳感器和透鏡之間的成像距離；h(t)為漢寧窗變密度條紋高度方向的對(duì)稱中心線在圖像傳感器上相對(duì)于參考條紋中心線的偏移量，該偏移量可由式h(t)=aΔm(t)計(jì)算獲得，其中a為圖像傳感器的像素點(diǎn)寬度，Δm(t)為t時(shí)刻成像條紋中心線在圖像傳感器上相對(duì)于參考條紋中心線偏移的像素點(diǎn)數(shù)；M為位移比例系數(shù)。所以通過(guò)式（1）即可求得儲(chǔ)罐的實(shí)際沉降位移。

在實(shí)際測(cè)量中，相機(jī)的成像距離和成像物距在調(diào)整焦距過(guò)程中會(huì)發(fā)生變化，因此該參數(shù)不容易準(zhǔn)確獲得。為此需要設(shè)計(jì)一種方法來(lái)確定位移比例系數(shù)M，該系數(shù)的確定方法如下：1）將成像相機(jī)的位置調(diào)整好，假設(shè)為位置1，再調(diào)整成像鏡頭的成像參數(shù)，使條紋清晰成像于成像傳感器中；2）在該位置下拍攝多張條紋圖像，求取每張條紋圖中心位置，再取多張條紋對(duì)稱中心坐標(biāo)的平均值作為參考坐標(biāo)；3）使相機(jī)在Y方向移動(dòng)一個(gè)已知位移 Δy到位置2，在位置2 拍攝多張條紋圖像，求取每張條紋圖中心位置，再取多張條紋對(duì)稱中心坐標(biāo)的平均值作為位置2 下條紋對(duì)稱中心坐標(biāo)；4）求位置2 和位置1 平均對(duì)稱中心坐標(biāo)的絕對(duì)偏移像素值 Δm，再計(jì)算 Δy和 Δm的比值即可確定位移比例系數(shù)M。因此，在設(shè)計(jì)相機(jī)安裝架時(shí)，可在其豎直方向配置一個(gè)微型移動(dòng)平臺(tái)，用于產(chǎn)生確定的Y方向位移，以便于位移比例系數(shù)M的確定。

2.2 漢寧窗條紋對(duì)稱中心的確定

由Y方向的沉降位移測(cè)量原理可知，精確得到儲(chǔ)罐沉降位移的關(guān)鍵在于精確定位成像條紋在高度方向的中心位置。所設(shè)計(jì)條紋圖像特點(diǎn)在于條紋密度在高度方向上成漢寧窗函數(shù)變化，因此只要求出該密度變化曲線，即可通過(guò)能量重心校正法求得條紋的對(duì)稱中心坐標(biāo)。要求出條紋高度方向的條紋密度變化曲線，可通過(guò)每行條紋的頻率變化求得，而條紋的頻率則可通過(guò)對(duì)每行條紋的傅里葉變換獲得，但是采用傅里葉變換計(jì)算條紋的頻率時(shí)會(huì)因頻譜泄漏而產(chǎn)生誤差。為了獲得更為精確的條紋頻率信息，在對(duì)每行條紋頻率進(jìn)行計(jì)算時(shí)采用能量重心校正法[16]進(jìn)行校正，可得到更為準(zhǔn)確的條紋頻率變化曲線，即條紋密度變化曲線，如圖2 所示。

在原理上，直接將漢寧窗變化曲線代替條紋圖附于儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)表面，再?gòu)膱D像中提取曲線輪廓進(jìn)行對(duì)稱中心的計(jì)算也是可行的。但是實(shí)際測(cè)量中光線的變化，可能影響曲線的清晰成像，從而影響輪廓提取。更為重要的是，因?yàn)橄鄼C(jī)像素點(diǎn)分辨率的限制，得到的漢寧窗曲線輪廓并非是連續(xù)變化的光滑曲線，而在求取漢寧窗函數(shù)曲線的能量重心時(shí)，其各點(diǎn)的幅值對(duì)于對(duì)稱中心坐標(biāo)計(jì)算精度影響較大，在采用能量重心校正法計(jì)算其對(duì)稱中心時(shí)產(chǎn)生的誤差比較大。本文提出通過(guò)求取條紋密度變化獲得漢寧窗變密度曲線的思路主要是為了獲得精確和連續(xù)變化的漢寧窗密度變化曲線，因?yàn)橥ㄟ^(guò)整體條紋來(lái)求密度變化，外部光照的變化導(dǎo)致的條紋強(qiáng)度變化對(duì)頻率的影響較小，而且通過(guò)頻率的能量重心校正可獲得超像素分辨的漢寧窗密度變化曲線，進(jìn)而得到更為準(zhǔn)確的對(duì)稱中心坐標(biāo)，提高沉降位移的測(cè)量精度。

3 系統(tǒng)測(cè)量性能影響因素分析

由儲(chǔ)罐沉降測(cè)量原理可知，本方法通過(guò)圖像采集處理的方法實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐沉降位移的測(cè)量。為了對(duì)測(cè)量系統(tǒng)相關(guān)影響因素進(jìn)行分析，采用SOLIDWORKS 軟件建立儲(chǔ)罐模型，采用軟件的運(yùn)動(dòng)仿真模塊模擬儲(chǔ)罐的沉降，在沉降運(yùn)動(dòng)中采用軟件的成像模塊進(jìn)行漢寧窗變密度條紋圖像的連續(xù)采集。因此在仿真模型中可以對(duì)多個(gè)影響因素進(jìn)行仿真設(shè)置，從而研究其對(duì)測(cè)量性能的影響。

當(dāng)前的圖像打印精度較高，可以較好地保證條紋圖像的打印質(zhì)量。然而在實(shí)際的成像過(guò)程中，條紋圖像的環(huán)境光照質(zhì)量、成像鏡頭的參數(shù)、成像相機(jī)的成像參數(shù)（如像素分辨率、像素位深、成像噪聲等）等對(duì)條紋的成像質(zhì)量都會(huì)產(chǎn)生一定的影響。對(duì)于環(huán)境光照，如果要實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐全天候的監(jiān)測(cè)，則需要配置相應(yīng)的照明光源，保證條紋圖像的光照質(zhì)量。

為了研究成像條紋信噪比對(duì)測(cè)量精度的影響，采用仿真模型模擬了結(jié)構(gòu)在1 s 內(nèi)沉降0.1 mm 的情況，并用20 frame/s 的采樣幀率對(duì)沉降過(guò)程中的條紋圖像進(jìn)行連續(xù)采集，條紋圖像的分辨率為1 920×1 920 像素，像素位深為8 位。然后對(duì)采集的條紋序列分別加入不同分貝的高斯白噪聲，得到7 組噪聲分別為0 dB、10 dB、20 dB、30 dB、40 dB、50 dB 和60 dB 的條紋序列，其中0 dB、20 dB、40 dB和60 dB 的條紋信號(hào)如圖3(a)所示。再采用提出的條紋圖像處理和位移提取算法得到不同噪聲下的位移曲線，如圖3(b)所示。

圖3 不同成像條紋信噪比與測(cè)量性能關(guān)系Fig.3 Relationship between SNR of different imaging fringes and measurement performance

在條紋圖像的信噪比為0 dB 時(shí)，得到的位移曲線存在一定的噪聲，主要在于噪聲太大時(shí)得到的密度變化曲線噪聲較大，在計(jì)算漢寧窗曲線對(duì)稱中心時(shí)會(huì)引入一定誤差。但在密度曲線的噪聲大于20 dB 時(shí)，通過(guò)平滑方法可得到光滑的密度變化曲線，從而得到較準(zhǔn)確的對(duì)稱中心坐標(biāo)，因此測(cè)量位移曲線可以和真實(shí)位移曲線高度重合。不同信噪比下測(cè)量的位移和真實(shí)位移之間的標(biāo)準(zhǔn)差如圖3(c)所示。所以在實(shí)際測(cè)量中要盡量得到信噪比高的條紋圖像，使測(cè)量性能得到保證。

條紋圖像的光照質(zhì)量對(duì)成像質(zhì)量有一定的影響。因此在圖像分辨率為1 920×1 920 像素、像素位深為8 位、圖像信噪比為40 dB 條件下，模擬環(huán)境光照系數(shù)分別為0.2、0.4、0.6、0.8 和1.0 條件下對(duì)1 mm 的沉降位移進(jìn)行測(cè)量，不同光照條件下條紋的強(qiáng)度變化如圖4(a)所示，可知環(huán)境光照不同會(huì)影響成像條紋的對(duì)比度。不同光照條件下測(cè)量得到的位移如圖4(b)所示，其與實(shí)際位移之間的標(biāo)準(zhǔn)差如圖4(c)所示。由結(jié)果可知，不同光照條件下都可以較精確地測(cè)量得到結(jié)構(gòu)的沉降位移。雖然環(huán)境光照條件會(huì)改變條紋的成像對(duì)比度，但是本文提出的方法主要基于條紋的密度變化信息，只要保證成像的條紋對(duì)比度足夠用于計(jì)算條紋的頻率信息即可滿足測(cè)量基本條件，所以本方案具有較好的測(cè)量適應(yīng)性和穩(wěn)定性。

圖4 不同光照條件對(duì)測(cè)量的影響Fig.4 Influence of different illumination conditions on measurement

為了探討成像分辨率對(duì)測(cè)量性能的影響，設(shè)定結(jié)構(gòu)的線性沉降位移為1 mm，通過(guò)改變成像參數(shù)，得到條紋成像分辨率分別為128×128 pixel、256×256 pixel、512×512 pixel、768×768 pixel、1 024×1 024 pixel 的5 組條紋圖像序列，每組條紋圖像的條紋信噪比都為40 dB，對(duì)每組條紋進(jìn)行位移的求取，得到的位移曲線如圖5 所示。因?yàn)楸緷h寧窗變密度條紋的條紋周期變化范圍為24～36 周期，根據(jù)采樣定律，在水平方向上的條紋采樣點(diǎn)數(shù)應(yīng)該大于90 個(gè)采樣點(diǎn)即可滿足條紋的采樣，從而實(shí)現(xiàn)條紋密度的求取。但是在實(shí)際測(cè)量中因存在噪聲、光源波動(dòng)等因素影響，應(yīng)該在條件允許情況下盡量使更多的像素點(diǎn)用于條紋的采樣，從而提高條紋密度信息提取的精度。

圖5 不同成像分辨率對(duì)測(cè)量的影響Fig.5 Influence of different imaging resolution conditions on measurement

4 實(shí)驗(yàn)及分析

為了驗(yàn)證提出的測(cè)量系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)罐下沉測(cè)量的可行性與準(zhǔn)確性。采用一維電動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)(THORLAB：MTS25/M-Z8)產(chǎn)生已知位移來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)裝置如圖6 所示。將一維移動(dòng)平臺(tái)在豎直方向安裝，將高度和寬度分別為7 cm 和14 cm 的漢寧窗變密度條紋圖像粘貼在輕質(zhì)塑料平板表面，再將塑料板安裝于移動(dòng)平臺(tái)的移動(dòng)臺(tái)上。移動(dòng)平臺(tái)的位移大小和移動(dòng)方式可通過(guò)計(jì)算機(jī)中的MATLAB 軟件進(jìn)行控制。

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.6 Physical drawing of experiment setup

實(shí)驗(yàn)中采用分辨率為4 096×3 000 像素的成像相機(jī)（Point Gray，最大幀率30 frame/s）對(duì)條紋圖像進(jìn)行采集，采用遠(yuǎn)焦鏡頭（JARAY，焦距420 mm～800 mm F8.3）進(jìn)行成像。實(shí)驗(yàn)前，將條紋成像相機(jī)放置于距離成像條紋7.5 m 處，放置好成像相機(jī)使?jié)h寧窗變密度條紋成像于圖像傳感器內(nèi)，調(diào)整好成像鏡頭和圖像傳感器的各參數(shù)使條紋圖像清晰。為了減小單張圖片的大小，本實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有使用相機(jī)的全像素進(jìn)行成像，實(shí)際條紋在成像傳感器中的采樣分辨率為950×2 400 像素，曝光時(shí)間為5 ms，采樣幀率設(shè)置為20 frame/s。

設(shè)置好條紋和沉降測(cè)量系統(tǒng)后，對(duì)一維電動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)施加一維連續(xù)運(yùn)動(dòng)，因?yàn)橐苿?dòng)平臺(tái)使用滾珠絲桿進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，可以通過(guò)設(shè)置不同電機(jī)旋轉(zhuǎn)加速度和最大速度來(lái)模擬不同沉降速度。測(cè)量前將移動(dòng)平臺(tái)的位移設(shè)置到22 mm 行程位置處，然后采集100 張條紋圖像，計(jì)算每張條紋圖中漢寧窗變密度曲線的對(duì)稱中心在成像傳感器中的成像位置，再取其平均值作為該位置條紋中漢寧窗變密度條紋的中心位置。再將移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)到位置2 mm 行程位置處，采集100 張條紋圖像，同樣取每張條紋圖像中漢寧窗變密度條紋對(duì)稱中心的平均值。然后將已知位移20 mm 除以兩個(gè)位置的像素坐標(biāo)絕對(duì)值，求出位移比例系數(shù)。在實(shí)際的測(cè)量中是不可以預(yù)先讓被測(cè)結(jié)構(gòu)下沉一定位移的，所以可以在相機(jī)安裝位置設(shè)置一個(gè)豎直方向移動(dòng)平臺(tái)或升降平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)確定相對(duì)位移的產(chǎn)生。應(yīng)注意的是，位移比例系數(shù)的計(jì)算應(yīng)該是在條紋的安裝位置、相機(jī)的成像位置及成像參數(shù)等都確定好后進(jìn)行標(biāo)定，在測(cè)量中改變條紋、相機(jī)位置參數(shù)或者鏡頭成像參數(shù)都應(yīng)該進(jìn)行重新標(biāo)定。

在前面模擬中分析了光照條件不同情況下的測(cè)量效果，只要能夠?qū)l紋信號(hào)進(jìn)行采集成像，即使在低條紋對(duì)比度的情況下也具有較好的測(cè)量精度。因此，在晚上或者光照條件較差時(shí)只需增加一個(gè)穩(wěn)定的外部光源即可使條紋獲得較好的成像對(duì)比度，從而保證沉降位移監(jiān)測(cè)效果。而在實(shí)際的測(cè)量環(huán)境中，外部光照條件還會(huì)隨著太陽(yáng)光照的改變而變化。為了進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證，在兩種光照條件下對(duì)10 mm 的連續(xù)位移進(jìn)行了測(cè)量。實(shí)驗(yàn)中采用強(qiáng)外置光源來(lái)改變條紋的光照條件以模擬強(qiáng)太陽(yáng)光照情況，正常室內(nèi)光照條件模擬正常光照情況。兩種光照條件下的成像條紋強(qiáng)度曲線如圖7(a)和圖7(b)所示?？梢娬Ｊ覂?nèi)光照條件下成像條紋強(qiáng)度信息可正常獲取，對(duì)比度正常；而強(qiáng)光照條件下會(huì)導(dǎo)致條紋反射光過(guò)于強(qiáng)烈，從而使成像傳感器過(guò)曝光，使成像條紋變形。

圖7 不同光照條件下線性移動(dòng)平臺(tái)下降位移測(cè)量結(jié)果Fig.7 Measurement results of decline displacement for linear mobile platform under different illumination conditions

標(biāo)定完位移比例系數(shù)后，將移動(dòng)平臺(tái)加速度和最大速度分別設(shè)置為2 mm/s2和2 mm/s，設(shè)置移動(dòng)平臺(tái)從22 mm 連續(xù)下降至2 mm。在前面兩種光照條件下對(duì)移動(dòng)平臺(tái)的沉降位移進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量結(jié)果如圖7(c)所示，可見在兩種光照條件下皆可準(zhǔn)確獲得結(jié)構(gòu)的位移信息。因此，提出的條紋圖像處理方法對(duì)條紋成像質(zhì)量要求不高，可適用于實(shí)際環(huán)境光照多變的測(cè)量場(chǎng)合。為了對(duì)不同速率沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將移動(dòng)平臺(tái)加速度和最大速度分別設(shè)置為1 mm/s2和0.5 mm/s。分別設(shè)置移動(dòng)平臺(tái)從22 mm 連續(xù)下降至2 mm 和12 mm 位移處，下沉過(guò)程中連續(xù)采集條紋圖像并經(jīng)處理后得到實(shí)際沉降位移曲線如圖7(d)所示。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該測(cè)量方法可在遠(yuǎn)距離測(cè)量條件下實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的大范圍內(nèi)沉降位移的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

為了對(duì)該實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量位移精度進(jìn)行分析，使移動(dòng)電動(dòng)平臺(tái)產(chǎn)生間歇下沉位移分別為10 μm、25 μm 和50 μm 的3 種運(yùn)動(dòng)，每下沉一次位移后停留1 s。通過(guò)該測(cè)量系統(tǒng)得到的位移曲線如圖8 所示。由圖8(a)可知，在階梯沉降步長(zhǎng)為10 μm 時(shí)得到的位移曲線存在一定的噪聲，但是整體上還能準(zhǔn)確分辨出每一個(gè)步長(zhǎng)之間的位移差。步長(zhǎng)為25 μm 和50 μm 的測(cè)量結(jié)果可以較好地得到與實(shí)際的沉降位移一致的下沉曲線。因此該測(cè)量系統(tǒng)在該條件下可實(shí)現(xiàn)小于10 μm 下沉位移的測(cè)量，具有較好的位移測(cè)量精度。

圖8 不同間歇沉降位移實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果Fig.8 Experimental measurement results of different intermittent settlement displacements

5 結(jié)論

本文提出了一種基于漢寧窗變密度條紋和視覺相機(jī)的儲(chǔ)罐沉降位移監(jiān)測(cè)新方法，通過(guò)軟件建模仿真分析了影響該測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度的各種影響因素。模擬結(jié)果表明，條紋圖像的信噪比大于20 dB 以上即可達(dá)到較好的測(cè)量效果，在滿足條紋頻率信息準(zhǔn)確提取的條件下，增加光照條件，提升條紋的對(duì)比度和增加條紋的采樣分辨率對(duì)測(cè)量性能的提升有一定提升，但不顯著。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可精確地實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)大沉降范圍內(nèi)位移的測(cè)量，測(cè)量距離為7.5 m 條件下沉降位移測(cè)量精度可優(yōu)于10 μm。隨著視覺測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，各類高性能的成像系統(tǒng)將得到更為廣泛的使用，該測(cè)量系統(tǒng)組成和測(cè)量原理簡(jiǎn)單，可方便地應(yīng)用于各類線性位移的測(cè)量中，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。后期將進(jìn)一步研究該測(cè)量方法在結(jié)構(gòu)傾斜測(cè)量方面的應(yīng)用，進(jìn)一步擴(kuò)展其測(cè)量維度。