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地震振动台的多高速相机同步动态位移测量系统

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发布时间：2015-07-14
有效日期：2059-07-21
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产品详情

应用背景
振动台广泛用于土木工程中模拟复杂建筑结构及城市基础设施在有地震时的地震效应分析，是模拟地震作用的反应规律及抗震研究的关键设备。以振动台进行建筑抗震实验是现有条件下能获得最接近于真实数据的实验手段。
结构动力模型试验是研究结构非线性动力响应与地震破坏形态的一种重要方法，也是验证数值模拟分析方法的一种有效手段。由于需要建造尽可能还原真实建筑物理特性的模型进行实验，单次振动实验的成本十分高昂，花费很大的人力、时间与物力,这些时间成本和和经济成本都极大限制了建筑模型振动试验的次数。因此，在振动实验中获取尽可能多的实验数据对建筑模型振动实验非常重要。

传统测试方法面临的问题
如下图，传统的地震模拟振动实验中，通常会在模型上安装拉线传感器、加速度计、应变传感器来量测模型结构的动力响应。

振动实验测试系统示意图

为了取得尽可能多的数据，实验中会在模型结构上安装很多个传感器，这些附着设备在振动实验中可能会和模型本身产生相互作用，影响数据精度。另外，随着振动强度增加，模型结构会出现破损甚至倒塌。一般为保护成本高昂的传感器，当目标建筑模型处于濒临溃散的关键时刻，需要中断实验并取下附着的昂贵测量设备避免其在崩塌中损毁，这样不但无法获取极为重要的溃散过程中目标模型的各部位各项参数，而且在濒临毁坏的模型上取传感器的过程本身也是不安全的。
此外，接触式传感器还有个根本的缺陷：仅能获取模型表面固定位置点的一维信息，难以反映模型振动过程中的空间三维动态变化。而模型在XYZ三个方向上都有运动，不是只沿架设传感器方向运动。
为了克服传统接触式传感器的缺点，出现了很多非接触式的振动测量技术，主要有包括激光多普勒振动计（LDV，LaserDoppler Vibrometers）、GPS（GlobalPositioning System）、InSAR（InterferometricSynthetic Aperture Radar）和摄像测量（Videogrammetry）技术。
前三种技术虽然可以实现非接触测量，但仍然存在如下问题：
LDV传感器是单点测量，仅能监测模型的局部变化，如果需要对模型进行整体监测时，则需要大量的LDV传感器，LDV价格昂贵，制约了其在实践中广泛应用。
GPS和InSAR技术除了价格昂贵之外，数据采集频率一般低于10Hz，难以满足高频振动、模型瞬间倒塌或断裂等破坏过程的监测。

振动台测量引入计算机摄像测量技术
摄像测量技术是传统摄像测量学、计算机视觉、数字图像处理等学科交叉融合形成的一种新型测量手段，具有非接触、高精度、自动化、动态测量、实时测量、环境适应性强等优点，被应用于许多领域。振动台动力模型研究便是其一个成功应用的领域。

摄像测量原理
这种方法原理上类似人类的双眼视觉，通过运用两个或者多个高速相机对同一个景物从不同位置成像，从视差中恢复待测目标的坐标信息。

测量原理示意图

摄像测量系统示意图

摄像测量流程
完整的计算机摄像测量的过程主要包括摄像测量网络构建、高速图像数据获取与长时间记录、图像数据处理和数据后处理四部分。
振动台试验所采用的缩尺模型往往在振动测试中具有很高的振动频率，采用普通摄像机无法得到满足要求的测量结果，因此，摄像测量系统须采用高速相机，其拍摄频率是振动频率的数倍。
在后续处理中，对获得的高速图像序列进行分析，高精度的定位预先粘贴在动力模型结构上的多个跟踪标志点，进而通过计算获得振动过程中多个跟踪点的高精度的空间坐标数据。

模型上的测量跟踪点

人工标志点图案

现场拍摄图像序列图

高速摄像测量总体技术流程图

摄像测量技术的优点
1、与传统普通接触式传感器采集结果进行比较，该系统采用非接触式的光学测量手段，不会对被测目标造成任何干扰与影响。
2、远距离测量与灵活的高速相机分布设置，同时观测到立体模型不同面的情况。
3、远程拍摄手段无须担心目标崩溃倒塌时会损坏测量设备，相比于需要在目标垮塌前取下的接触式测量设备，测试的便利性、流畅性、可靠性与安全性均大大提高，试验成本也更低。
4、在工程中，由于受现场条件和测试技术的限制，特殊结构的位移测量往往存在困难，例如：高塔结构的位移传感器安装困难，一般采用在安装加速度传感器，在数据处理时，通过二次积分得到位移，但是数值积分过程涉及到积分算法选取及滤波频率选取等人为主观因素，因此，数值积分误差较大。采用非接触性动态位移测试方法直接测量结构的位移，消除了传统测试方法的误差。
5、除开跟踪点的动力学信息外，被测建筑模型何时产生浅裂纹，裂纹扩张蔓延情况，模型何时产生严重破损，模型濒临垮塌和整个垮塌过程这一系列过程均被高速图像系统完整存储起来，可有效替代以往基于经验和人眼反应速度的实验记录并提供远超出以往信息的连续图像序列数据。
6、在高成本振动模拟实验次数限定的情况下，多路高速相机系统从不同的角度同步记录振动实验的细节，可以显著的提高每次地震振动模拟实验的实验质量，为地质灾害防治研究与建筑防震抗震研究提供优质的数据源。

解决方案
整个测量系统采用的设备包括高速相机、高精度同步控制器、长时间高速图像实时记录系统、三脚架、辅助照明光源、全站仪等测绘仪器（可以采用甲方自有仪器）和人工标志。
高速摄像系统中，高速相机具有高分辨率高帧率，通过长时间高速图像实时记录系统进行实时高速图像存储，通过软件回放可对记录的高速图像进行逐帧查看，并可转存图像为通用格式。高速摄像测量系统系统参数如下：
高速相机有不同的配置，可供用户根据自己的实际要求选择。