基于红外激光光源的远距离微小位移测试系统设计

韩伟 黄文浩 刘涌 高震宇

摘 要：本文以建筑物结构沉降监测为应用背景，采用计算机视觉测量技术，精度高、非接触，适时监测，智能化，组网传输，实现远程监控量测，开发出一种远距离非接触式多测量点的微小位移监测系统，对三维微小位移测量方法进行研究，广泛应用于建筑物形变量检测，通过对比不同时间点的形变值和沉降值，累计产生的位移量曲线变化来判断建筑物整体稳定的变化趋势。本课题研究并提出的基于计算机视觉的远距离微小位移检测方法，弥补了传统检测方法的不足，为实际工程问题的解决提供了一种新的思路。

关键词：非接触 微小位移 监测系统

中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）01（a）-0004-02

建筑物的结构动态位移信息是在建筑施工和使用中极其有价值的原始数据，对建筑物的安全保障、维护有着极其重要的意义。传统的多种位移监测方法多为人工测量方法，在实际中有很大的局限性。本文提出了一种基于计算机视频技术的远距离微小位移检测方法。以建筑物建设过程和建设后的沉降监测为应用背景，开发出了基于红外激光光源的远距离非接触式建筑物沉降和倾斜的微小位移测量监测系统。

1 设计构思

基于红外激光光源的远距离微小位移测试系统设计如下。

1.1 系统设计要求

（1）实现视频测量点的监测位移收敛，在30m远的距离，测量点的面内微小位移测量精度达到1mm。（2）数据处理、传输、曲线显示和报警信息发布功能。

1.2 系统设计内容和步骤

（1）标志点的设计：设计精确的靶型标志点，实现测量标识和标定功能的统一。（2）研究光的变化对目标物的影响：根据检测现场复杂的背景环境，设计能够增强目标物在图片中效果的照明系统。（3）图像处理与分析：对采集到的图像进行图像预处理，分割、靶标参数检测，分析出目标物的状态。（4）用户界面设计：开发更加有效人机界面，从而使建筑物某处点面上某测点的变形量及变形速率得到直观形象的展示。（5）传感网络搭建：建立检测装置和系统管理上位机之间的分布式通信。（6）建立数据库：保存每个时间采集分析的变形量数据。

2 基于机器视觉的建筑物沉降监测系统

根据实际需求，系统分为3个部分：单目视觉测量部分、信号传输部分和信号接收显示部分，如图1、图2所示。

每个检测站点分别由摄像机、三个环形标志物、一套光源系统、一个ZigBee节点和一台处理数据的PC机构成一个节点的视觉测量系统。标志点布置在洞壁上待测位移处，摄像机的广角镜头对准自身前方5～10m处的各个标志点，每隔一定时间进行拍摄。下位机处理摄像机拍摄的图像，计算出标志点的位置和不同时刻标志点的偏移量，通过ZigBee传输给洞口的上位机，上位机对每次传输来的数据进行存储、分析、显示，并通过对比设置好的警戒数值，判断是否超出警戒线，若超出范围则实现声音和画面同时报警。

2.1 单目视觉测量系统

系统最重要的指标是测量精度，即在10m远的距离，对靶标位移的测量精度需要达到1mm。

从原理上说，镜头焦距、被拍摄物体到镜头的距离和所需成像的大小等因素共同决定摄像机视场的大小，如图3所示。

2.2 光源设计

由于隧道内和施工现场的环境复杂多变，为了保证摄像机拍摄到稳定清晰地图像，设计一套安装到摄像机镜头边缘的同轴可见光照明系统，标志点采用特殊的回光反射膜制成，基本能够全反射回可见光，周围物体暗淡不清的情况下，标志点在CCD上呈现出边缘清晰的高亮白色圆环。

2.3 靶标设计

根据需求和单目视觉测量原理，靶标的设计需要满足如下要求：（1）靶标要有足够的亮度要求。（2）靶标位于图像中不同的位置时，需要对每一个位置都标定出图像尺寸和实际尺寸之间的比例关系。（3）靶标代表了测量点的位置，因此靶标形状要满足测量标志点的设计原则。

基于上述原则，并兼顾实际应用时操作的简便。本文靶标设计成环形同心圆型的靶标。该靶标的设计兼具标定功能和测量功能。

2.4 系统软件结构

软件设计方案可以分为3个部分：图像处理、界面显示报警（系统管理）和数据传输。在系统中，图像处理的主要目的是对拍摄到的环形靶标进行识别和目标分割，计算出靶标圆环中心位置的图像坐标，通过对比计时器设定的每一时刻的靶心坐标，计算出靶心的位置变化量和位移速度，最终得到横向和纵向的变形曲线。整体流程如图4所示。

3 结语

本文以实际工程项目为研究背景，采用了计算机视觉及图像处理的非接触式、远距离微小位移监测技术，设计了特殊的靶标。将靶标设置于隧洞壁带测量点处，采用摄像机远距离拍摄多个靶标，通过图像处理与分析，计算出靶标在不同时刻的偏移量，实现微小位移测量。以此視觉测量系统为核心，开发了沉降与变形量测系统。本文对该系统的各项关键技术进行了详细阐述，为远距离微小位移测量提出了解决方案。

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