一种大型结构多点位移和转动响应同步监测系统及其数据分析方法与流程

本发明涉及一种大型结构多点位移和转动响应同步监测系统及其数据分析方法，属于结构健康监测工程技术领域。

背景技术：

桥梁、隧道、高层建筑等大型土木工程基础设施是现代社会正常运转的基础。然而，这些土木工程结构在长期使用过程中，由于材料老化、环境侵蚀、极端荷载等多种因素耦合作用，造成结构损伤不断积累、结构承载力下降，影响到结构的安全使用。为了更为准确地了解在服役过程中的结构安全状态，大量土木工程结构中安装了结构健康监测系统。结构健康监测系统通过在结构上布设传感器，测量结构位移、变形、倾斜、转动、振动等多种结构响应，通过深入的监测数据分析，评估结构的运营状态。在结构健康监测系统所监测的结构各类响应中，结构位移响应对于评估整体结构的安全性至关重要。

为了准确测量桥梁、隧道、高层等大型土木工程结构的位移响应，国内外众多学者提出了许多基于不同监测原理的结构位移响应监测方法，主要包括：压力连通器、基于测量加速度或速度响应积分方法、基于全站仪的测量方法、基于计算机视觉的结构位移监测方法和基于激光投射光斑的监测方法。压力连通器是利用连通管中液体的压力平衡原理，因此仅可以监测结构竖向位移响应，并且压力连通器动力响应频率差，难以对结构高频振动进行准确监测。基于测量加速度或速度响应积分方法，用于长期结构位移监测时，容易产生积分结果漂移，无法得到正确的结构位移响应。基于全站仪的测量方法主要用于结构监测点位移的定期检测，且每一时刻只能测量结构一个监测点位移，无法满足结构多点位移响应连续监测的要求。基于计算机视觉的结构位移监测方法，是利用工业相机照射结构位移监测点，通过图像中监测点像素的移动来计算结构位移响应。但是，基于计算机视觉的结构位移监测方法对相机和镜头的要求很高，并且测试精度还收到照射光线的影响，很难实现全天候24小时监测。基于激光投射光斑的监测方法是通过在结构上安装激光器，激光器发射激光投射在远处的靶标上形成光斑，结构位移导致光斑在靶标上产生移动，安装在靶标上的照相机通过计算机视觉技术对于光斑位移的进行识别，从而获得结构位移响应。但是，靶标上激光光斑的移动不仅与安装激光器处结构位移有关，还与结构的转动响应相关，因此，当结构同时具有转动响应时，无法简单地从光斑位移直接获得对应的结构位移响应。

由此可见，研发能够高效地同时监测大型结构多点位移的技术，具有重要的实用价值。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种大型结构多点位移和转动响应同步监测系统及其数据分析方法，以解决现有的结构位移监测技术复杂、成本高，难以实现大型结构多点位移和转角响应同时监测的问题。

一种大型结构多点位移和转动响应同步监测系统，所述系统包括安装在大型结构监测点的激光传感器和安装在固定位置的激光接收器，所述激光传感器内置有激光器，所述激光接收器设置在所述激光传感器的光路上。

进一步的，所述激光传感器安装在所述大型结构的每个监测点上，每个激光接收器接收至少一个激光传感器发射的激光，且每个激光接收器可以接收多个激光传感器发射的激光。

进一步的，激光传感器外壳与待测结构紧密连接，保证激光传感器的位移和转动响应与结构的位移和转动响应相同。

进一步的，通过激光传感器的水平调节螺母调节激光器水平指向，通过激光传感器的垂直调节螺母调节激光器垂直指向，在进行结构位移与转动响应测量前，使激光器发射的激光指向所述激光接收器的激光接收窗口。

进一步的，所述激光接收器包括：用于接收所述激光传感器所发射激光的激光接收窗口、可调节角度的倾斜平板、可反射激光的倾斜靶标、拍摄所述倾斜靶标的前摄像头、平面反射镜、平面发射镜、非反射靶标、拍摄所述非反射靶标的后摄像头，所述激光接收窗口设置于所述激光接收器的前端，所述倾斜平板设置于所述激光接收器的前底部，所述倾斜靶标铺设在所述倾斜平板的表面，所述摄像头安装在所述激光接收器的前顶部，所述前摄像头的镜头正对所述倾斜靶标，所述平面反射镜设置在所述激光接收器的顶部，所述平面发射镜设置在所述激光接收器的中底部，所述非反射靶标设置在所述激光接收器的后底部，所述后摄像头安装在所述激光接收器的后顶部，所述后摄像头的镜头正对所述非反射靶标。

进一步的，所述激光接收器还包括可自由转动的转轴和可改变长度的支杆，所述倾斜平板的前部通过所述转轴与所述激光接收器的底板转动连接，所述倾斜平板的后部通过所述支杆与所述激光接收器的底板连接。通过改变支杆的长度，可以改变倾斜靶标的倾角。

进一步的，所述平面反射镜与平面发射镜互相平行。

进一步的，所述倾斜靶标和非反射靶标上标有刻度。

进一步的，在进行结构位移与转动响应测量前，调整所述激光接收器的激光窗口指向和倾斜靶标的倾角，使得激光传感器发射的激光可以分别照射在可反射激光的倾斜靶标和非反射靶标上。

一种大型结构多点位移和转动响应同步监测系统数据分析方法，基于上述的一种大型结构多点位移和转动响应同步监测系统，所述对于单个激光传感器监测结构位移与转动响应数据的分析方法包括以下步骤：

步骤一、确定激光接收器内部三维空间坐标系，其中，x轴和z轴平行于激光接收激光接收器的底面，y轴垂直于激光接收激光接收器底面；

步骤二、选取某一时刻的结构位移和转动响应作为监测基准值，其它时刻的结构位移和转动响应表示为相对于基准值的偏移量，采用步骤三至步骤十中的操作，建立结构位移和转动响应监测基准值对应的测量平面；

步骤三、采用前摄像头拍摄激光传感器所发射激光投射在倾斜靶标上的光斑照片，结合照片中倾斜靶标上刻度坐标，采用图像识别技术识别交汇点处激光光斑中心点在倾斜靶标平面内的位置坐标；

步骤四、采用后摄像头拍摄激光传感器所发射激光投射在非反射靶标上的光斑照片，结合照片中非反射靶标上刻度坐标，采用图像识别技术识别交汇点处激光光斑中心点在非反射靶标平面内的位置坐标；

步骤五、根据激光接收器的内部构件尺寸、倾斜靶标上激光光斑中心的平面坐标、非反射靶标上激光光斑中心的平面坐标、倾斜靶标与激光接收器底板夹角信息，按照几何关系换算求得光斑中心和在激光接收器内部坐标系内的三维空间坐标。

步骤六、在激光接收器上方，建立一个非反射靶标的虚像靶标，虚像靶标平行于非反射靶标，与非反射靶标的垂直距离为(n+1)h，其中，h为平面反射镜与平面发射镜之间的垂直距离，n为激光在平面反射镜与平面发射镜之间的反射次数，将非反射靶标上的光斑中心b1垂直投射到虚像靶标上，形成交点c1，由于交点c1与光斑中心b1在激光接收器坐标系内具有相同x轴和z轴坐标，可以计算求得交点c1在激光接收器坐标系内的空间坐标；

步骤七、由几何反射关系可知，交点c1处于倾斜靶标反射激光的延长线上，根据交点c1和光斑中心a1两点在激光接收器坐标系内的坐标，建立穿过交点c1与光斑中心a1两点的空间直线方程。

步骤八、根据倾斜靶标反射激光时，入射激光与平面镜法线夹角和反射光与平面镜法线夹角相等的原理，求得通过倾斜靶标上光斑中心a1点的入射激光所在空间直线方程；

步骤九，根据通过倾斜靶标上光斑中心a1点的入射激光所在空间直线方程，建立通过倾斜靶标上光斑中心a1点且垂直于入射激光所在空间直线方程的结构位移与转动响应的投影平面，并将投影平面坐标原点设置在光斑中心a1点；

步骤十、在激光传感器的前端d1点，建立一个平行于投影平面的结构位移与转动响应测量平面，测量平面的坐标原点设置在d1点，在结构的位移和转动响应取为基准值时，激光传感器所发射激光通过测量平面原点且垂直于测量平面，测量平面和投影平面的平面内坐标系相互平行；

步骤十一、当结构相对于其基准值发生平移和转动后，激光传感器所发射激光的位置和指向发生了变化，导致激光投射在激光接收器中倾斜靶标和非反射靶标上的光斑位置发生了变化，假设激光传感器在投影平面内产生了(x0,y0)的平移，并产生了围绕x轴和与y轴的转角(θx,θy)；

步骤十二、利用前摄像头拍摄激光传感器发生平移和转动后所发射激光投射在倾斜靶标上的光斑照片，结合照片中倾斜靶标上的刻度坐标，采用图像识别技术识别交汇点处激光光斑中心点a2在倾斜靶标平面内的位置坐标；

步骤十三、采用后摄像头拍摄激光传感器发生平移和转动后所发射激光投射在非反射靶标上的光斑照片，结合照片中非反射靶标上的刻度坐标，采用图像识别技术识别交汇点处激光光斑中心点b2在非反射靶标平面内的位置坐标；

步骤十四、根据激光接收器的内部构件尺寸、倾斜靶标上激光光斑中心a2的平面坐标、非反射靶标上激光光斑中心b2的平面坐标、倾斜靶标与激光接收器底板夹角信息，按照几何关系换算求得光斑中心a2和b2点在激光接收器内部坐标系内的三维空间坐标；

步骤十五、将非反射靶标上的光斑中心b2垂直投射到虚像靶标上，形成交点c2，由于交点c2与光斑中心b2在激光接收器坐标系内具有相同x轴和z轴坐标，可以获得交点c2在激光接收器的坐标系内的空间坐标；

步骤十六、由几何反射关系可知，交点c2处于通过倾斜靶标上光斑中心a2点反射激光的延长线上，根据交点c2和光斑中心a2两点在激光接收器坐标系内的坐标，建立穿过交点c2与光斑中心a2两点的空间直线方程；

步骤十七、设激光传感器发生平移和转动后，其前端d1点移动到d2点，根据倾斜靶标反射激光时，入射激光与平面镜法线夹角和反射光与平面镜法线夹角相等的原理，计算得到激光传感器发生平移和转动后入射激光所处的直线方程，即穿过光斑中心a2和前端d2两点的直线方程；

步骤十八、通过几何关系，计算通过a1和d1两点直线与通过a2和d2两点直线之间的夹角，该夹角即为激光传感器的转动响应，请该转角投影到测量平面的x轴和y轴，求得激光传感器在这两个方向上的转动响应(θx,θy)；

步骤十九、通过几何关系，计算通过a2和d2两点的直线与投影平面的交点f，以及f点在投影平面内的坐标(x,y)；

步骤二十、通过几何关系，获得激光传感器在测量平面x轴和y轴上的平动响应分别为x0＝x-lθx和y0＝y-lθy，其中，l为激光传感器在基准位置时，激光传感器的前端d1点到激光接收器中倾斜靶标上光斑中心a1点的距离。

进一步，当需要对结构多点位移和转动响应进行监测时，可以通过增大激光接收器中可反射激光的倾斜靶标和非反射靶标的面积，并通过调整不同激光传感器所发射激光的指向，使不同激光传感器的激光同时照射在倾斜靶标和非反射靶标的不同区域，再利用权力要求8中的一种大型结构多点位移和转动响应同步监测系统数据分析方法，对每一个激光传感器所对应的不同位置结构位移和转动响应进行分别计算。

进一步，当无法通过增加倾斜靶标和非反射靶标面积实现多点结构位移和转动响应进行监测时，可采用时分复用方法，利用遥控方式控制不同激光传感器的发射激光发射状态，不同的激光传感器在不同的时间对激光接收器照射激光，每一时刻仅有一个激光传感器对激光接收器照射激光。再利用权力要求8中的一种大型结构多点位移和转动响应同步监测系统数据分析方法，对每一个激光传感器所对应的不同位置结构位移和转动响应进行分别计算。

本发明的主要优点是：

本发明中的结构多点位移和转动响应同步监测系统，在激光接收器中设置了两套激光光斑图像识别系统和一套光学反射系统，并提出了独特的监测数据处理方法，实现了结构位移和转动响应的同步监测。

本发明中的结构多点位移和转动响应同步监测系统，可以采用一个激光接收器同时接受安装在结构多个位置的激光传感器所发射的激光，实现对这些位置处结构位移和转动响应的同步监测。

本发明的一种大型结构多点位移和转动响应同步监测系统及其数据分析方法，其中的结构多点位移和转动响应同步监测系统，可以通过调整倾斜靶标倾斜角度，增加激光传感器入射激光在激光接收器顶部平面反射镜和底部平面反射镜反射次数，从增加虚像靶标上光斑中心c1点至倾斜靶标上光斑中心a1点的距离。增加c1点到a1点的距离，可以减小由于光斑中心识别误差所造成的直线方程(c1-a1)倾角计算的误差，从而增加结构转动响应的监测精度。

附图说明

图1为本发明的一种大型结构多点位移和转动响应同步监测系统的构成示意图；

图2为本发明的激光传感器的内部结构构造图；

图3为本发明的激光接收器的内部结构剖面图；

图4为基于本发明的一种大型结构多点位移和转动响应同步监测系统的测量原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1-4说明本实施方式，一种大型结构多点位移和转动响应同步监测系统。该系统包括安装在大型结构监测点的激光传感器1和安装在固定位置的激光接受器2。

针对大型结构每个位移响应监测点，安装一个激光传感器1，其内置可以调整方向激光器，并保证激光传感器与结构紧密牢固连接。选择一固定点安装激光接收器2。使用激光传感器1中水平调节螺母和垂直调节螺母，调整激光传感器1内部激光器方向，使其所发射激光指向激光接受器2。

调整激光接收器2的激光接受窗口2-1的指向和调整激光接收器2内部倾斜靶标2-5的倾斜角度，使得所有激光传感器1所发射的激光都可以照射到激光接收器2中的倾斜靶标2-5和非反射靶标2-9，并且每一个激光传感器1所发射激光在倾斜靶标2-5和非反射靶标2-9产生的光斑都不发生重合。当无法保证所有的激光传感器1所发射激光在倾斜靶标2-5和非反射靶标2-9产生的光斑都不发生重合时，可以采取时分复用方法，利用遥控方式控制不同激光传感器1的发射激光发射状态，不同的激光传感器1在不同的时间对激光接收器照射激光，确保每一时刻在倾斜靶标2-5和非反射靶标2-9上不会发生不同激光传感器1所产生的光斑重合现象。

针对每一个激光传感器在激光接收器2中的倾斜靶标2-5和非反射靶标2-9上产生的光斑，根据下述一种大型结构多点位移和转动响应同步监测系统数据分析方法，计算得到结构每一个监测点的位移和转角响应，方法具体步骤包括：

步骤一、确定激光接受器2内部三维空间坐标系。坐标系设置如图2所示，x轴和z轴平行于激光接收器2底面，y轴垂直于激光接收器2底面。

步骤二、如图3中所示，选取某一时刻的结构位移和转动响应作为监测基准值，其它时刻的结构位移和转动响应表示为相对于基准值的偏移量。采用步骤三至步骤十中的操作，建立结构位移和转动响应监测基准值对应的测量平面2-12。

步骤三、采用摄像头2-6拍摄激光传感器1所发射激光投射在倾斜靶标2-5上的光斑照片。结合照片中倾斜靶标2-5上刻度坐标，采用图像识别技术识别交汇点处激光光斑中心点a1在倾斜靶标平面内的位置坐标。

步骤四、采用摄像头2-9拍摄激光传感器1所发射激光投射在非反射靶标2-9上的光斑照片。结合照片中非反射靶标2-9上刻度坐标，采用图像识别技术识别交汇点处激光光斑中心点b1在非反射靶标平面内的位置坐标。

步骤五、根据激光接受器2的内部构件尺寸、倾斜靶标2-5上激光光斑中心a1的平面坐标、非反射靶标2-9上激光光斑中心b1的平面坐标、倾斜靶标2-5与激光接收器底板夹角等信息，按照几何关系换算求得光斑中心a1和b1在激光接受器2内部坐标系内的三维空间坐标。

步骤六、在激光接收器上方，建立一个非反射靶标2-9的虚像靶标2-11。虚像靶标2-11平行于非反射靶标2-9，与非反射靶标2-9的垂直距离为(n+1)h。其中，h为平面反射镜2-7与平面发射镜2-8之间的垂直距离，n为激光在平面反射镜2-7与平面发射镜2-8之间的反射次数。将非反射靶标上的光斑中心b1垂直投射到虚像靶标2-11上，形成交点c1。由于交点c1与光斑中心b1在激光接收器坐标系内具有相同x轴和z轴坐标，可以获得交点c1在激光接收器2坐标系内的空间坐标。

步骤七、由几何反射关系可知，交点c1处于倾斜靶标反射激光的延长线上。根据交点c1和光斑中心a1两点在激光接收器2坐标系内的坐标，建立穿过c1与a1两点的空间直线方程。

步骤八、根据倾斜靶标反射激光时，入射激光与平面镜法线夹角和反射光与平面镜法线夹角相等的原理，求得通过倾斜靶标2-2上光斑中心a1点的入射激光所在空间直线方程。

步骤九，根据通过倾斜靶标2-2上光斑中心a1点的入射激光所在空间直线方程，建立通过倾斜靶标2-2上光斑中心a1点且垂直于入射激光所在空间直线方程的结构位移与转动响应的投影平面2-12。并将投影平面2-12坐标原点设置在a1点。

步骤十、在激光传感器1端d1点，建立一个平行于投影平面2-12的结构位移与转动响应测量平面2-13。测量平面2-13的坐标原点设置在d1点。在结构的位移和转动响应取为基准值时，激光传感器1所发射激光通过测量平面2-13原点且垂直于测量平面2-13。测量平面2-13和投影平面2-12的平面内坐标系即x轴和y轴，相互平行。

步骤十一、当结构相对于其基准值发生平移和转动后，激光传感器1所发射激光的位置和指向发生了变化，导致激光投射在激光接收器2中倾斜靶标2-5和非反射靶标2-9上的光斑位置发生了变化。这里假设激光传感器1在投影平面2-13内产生了(x0,y0)的平移，并产生了围绕x轴和与y轴的转角(θx,θy)。

步骤十二、利用摄像头2-6拍摄激光传感器1发生平移和转动后所发射激光投射在倾斜靶标2-5上的光斑照片。结合照片中倾斜靶标2-5上刻度坐标，采用图像识别技术识别交汇点处激光光斑中心点a2在倾斜靶标平面内的位置坐标。

步骤十三、采用摄像头2-9拍摄激光传感器1发生平移和转动后所发射激光投射在非反射靶标2-9上的光斑照片。结合照片中非反射靶标2-9上刻度坐标，采用图像识别技术识别交汇点处激光光斑中心点b2在非反射靶标平面内的位置坐标。

步骤十四、根据激光接受器2的内部构件尺寸、倾斜靶标2-5上激光光斑中心a2的平面坐标、非反射靶标2-9上激光光斑中心b2的平面坐标、倾斜靶标2-5与激光接收器底板夹角等信息，按照几何关系换算求得光斑中心a2和b2点在激光接受器2内部坐标系内的三维空间坐标。

步骤十五、将非反射靶标上的光斑中心b2垂直投射到虚像靶标2-11上，形成交点c2。由于交点c2与光斑中心b2在激光接收器坐标系内具有相同x轴和z轴坐标，可以获得交点c2在激光接收器的坐标系内的空间坐标。

步骤十六、由几何反射关系可知，交点c2处于通过倾斜靶标上a2点反射激光的延长线上。根据交点c2和光斑中心a2两点在激光接收器2坐标系内的坐标，建立穿过c2与a2两点的空间直线方程。

步骤十七、根据倾斜靶标反射激光时，入射激光与平面镜法线夹角和反射光与平面镜法线夹角相等的原理，计算得到激光传感器1发生平移和转动后入射激光所处的直线方程即穿过a2和d2两点的直线方程。

步骤十八、通过几何关系，计算通过a1和d1两点直线与通过a2和d2两点直线之间的夹角。该夹角即为激光传感器1的转动响应。请该转角投影到测量平面2-13的x轴和y轴，可以求得激光传感器1在这两个方向上的转动响应(θx,θy)。

步骤十九、通过几何关系，计算通过a2和d2两点的直线与投影平面2-12的交点f，以及f点在投影平面2-12内的坐标(x,y)。

步骤二十、通过几何关系，可以获得激光传感器1在测量平面2-13x轴和y轴上的平动响应分别为x0＝x-lθx和y0＝y-lθy。其中，l为激光传感器1在基准位置时，激光传感器1d1点到激光接收器2中倾斜靶标上光斑中心a1点的距离。

当需要测量结构监测点的三维平动和转动响应时，可以在监测点处同时安装两个或以上的激光传感器1，每个激光传感器照射不同位置的激光接收器2。每个激光接收器2按照权利要求8中的步骤，计算结构三维位移和转动在该激光接收器2测量平面内2-13的结构位移和转动响应投影。再根据不同的激光接收器2相对于结构监测点的空间位置，合成计算得出结构的三维平动和转动响应。