一种基于白光数字图像频域分析法的深基坑检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于位移与变形测量领域，具体涉及一种基于白光数字图像频域分析法的 深基坑检测方法。
【背景技术】
[0002] 深基坑是为建筑结构基础开挖的临时性坑井，其作用是提供空间使基础施工得以 顺利开展，使结构的砌筑作业得以按照设计所指定的位置进行。基坑支护体系是临时结构， 安全储备较小，具有较大的风险性。基坑工程施工过程中应进行监测，并应有应急措施。基 坑工程监测是指基坑在开挖过程中，用精密仪器、设备对支护结构、周边环境，例如岩体、建 筑物、道路、地下设施等的位移、倾斜、沉降、应力、开裂、基底隆起、土层孔隙水压力以及地 下水位的动态变化等进行综合监测。
[0003] 位移与变形的研宄方法主要包括理论分析，有限元模拟和实验测量等。理论分析 主要是根据物体的受载方式，建立力学模型，利用解析法得到物体的位移与变形。如赵德 文等利用解析法研宄抛物线模拔矩形件位移，J. Wang等利用三维力学模型来研宄中国大范 围的地壳运动，M. Kashtalyan等利用弹性理论研宄了功能梯度材料受载时的位移，B. J. Zhu 等利用超奇异积分方程研宄了复合材料断裂时的位移；有限元模拟主要是根据物体的边界 条件，建立有限元模型，计算出位移与变形。如程东幸等以龙滩水电站工程边坡为例研宄了 反倾岩质边坡变形特征，Andrew Boryor等研宄了人头骨断裂时的位移，Roland W.等研宄 了金属材料在模压铸造时的位移，Η. Y. Subramanya等研宄了压电材料的I型裂纹尖端的三 维位移场。
[0004] 实验测量则是结合各种实验方法和实验仪器直接对物体的三维位移与变形进行 测量。如Butters提出来的电子散斑干涉法，秦玉文等总结了该方法的发展历程并结合该 方法和散斑剪切干涉法研宄了电子错位散斑干涉技术，张熹等研宄了该方法的三维测量技 术，Post提出了云纹干涉法，戴福隆等研宄了该方法的三维位移测量方法，美国的Peters 和Ranson、日本的Yamaguch提出的数字图像相关法，Sutton等发展了该方法的三维测量技 术，亢一澜、陈金龙等研宄了数字标记法和该方法的三维测量技术，兰孝奇等讨论了利用全 球定位系统（GPS)来研宄大坝的三维变形。实验测量由于其具有直观性和准确性的优点， 得到了广泛的应用。特别是在处理较为复杂的问题时，理论分析和有限元模拟往往得不到 理想的结果，而实验测量则可以避免进行复杂的分析，直接通过测量得到位移与变形。
[0005] 目前，虽然位移与变形的测量方法较多，但各种方法的都存在着不足之处。例如激 光干涉法，其灵敏度和精度较高，但该方法光路复杂，操作困难，硬件设施昂贵，并且对环境 与振动等条件要求较高，很难实现工程上实地测试。光学三角法虽然对硬件设备，环境与振 动要求较低，但是该方法受到所测刚体的条件限制较大。网格法对光路要求简单，硬件设施 成本较低，但是对所测试件表面的网格制作要求比较高，且很难实现细微观的测试。云纹干 涉法的光路复杂，硬件设施成本较高，对测试环境要求较高且调试较为困难。三维数字图像 相关法光路简单，操作方便，且能实现实验结果数字化等优点，但是该方法本身也有不足之 处，例如数字图像相关法是对光强的分布进行相关运算，因此对于表面斑纹特征和照明仍 有一定要求；相关运算是通过窗口的平移实现，因此受到刚体转动的影响；变形前后的测 试点的匹配也容易出现误匹配的问题。
【发明内容】
[0006] 本发明目的之一在于提供一种测试方法简单，使用条件简单，应用广泛的基于白 光数字图像频域分析法的深基坑检测方法。
[0007] 本发明提供的一种基于白光数字图像频域分析法的深基坑检测方法，包括如下步 骤：
[0008] 步骤Sl :利用数字图像输入设备分别记录试件变形或移动前后的灰度对比图像；
[0009] 步骤S2 :将所述灰度对比图像上传至图像处理系统；
[0010] 步骤S3 :所述图像处理系统将所述上传的灰度对比图像数字化；
[0011] 步骤S4 :以试件表面随机的灰度分布或特征斑纹为载体，对所述数字化的灰度对 比图像通过白光数字图像频域分析法提取位移信息；
[0012] 所述步骤S4中，所述白光数字图像频域分析法包括如下步骤：
[0013] 假定gj^y)表示试件变形前的位置，gl(x，y)表示相应的变形后的位置，因此有：
[0014] gi (x, y) = g〇 ((x+u), (y+v)) (I)
[0015] 对变形前g(l(X，y)的光振幅进行傅立叶变换，可得：
[0016] G0 (Xf, Yf) = / / g〇 (x, y) exp [~2 π i (xXf+yYf) ] dxdy (2)
[0017] 在分析区域足够小，区域内各点位移u、v可以假定为常数时，对变形后gl(x，y)的 光振幅进行傅立叶变换，可得：
[0018] G1(XflYf) =If g〇 (x+u, y+v) exp [-2 π i (xXf+yYf) dxdy = G0(XflYf) exp [-2 π i (uXf+vYf) ] (3)
[0019] 式⑶乘以然后再与式⑵相加得到：
[0031] 对（7)式中的4式进行运算，可得：
【主权项】
1. 一种基于白光数字图像频域分析法的深基坑检测方法，其特征在于，包括如下步 骤： 步骤S1 ;利用数字图像输入设备分别记录试件变形或移动前后的灰度对比图像； 步骤S2 ;将所述灰度对比图像上传至图像处理系统； 步骤S3 ;所述图像处理系统将所述上传的灰度对比图像数字化； 步骤S4 试件表面随机的灰度分布或特征斑纹为载体，对所述数字化的灰度对比图 像通过白光数字图像频域分析法提取位移信息； 所述步骤S4中，所述白光数字图像频域分析法包括如下步骤： 假定坑片y)表示试件变形前的位置，gi(X，y)表示相应的变形后的位置，因此有： gi(x,y) =g〇 ((x+u), (y+v)) (1) 对变形前g(i(x，y)的光振幅进行傅立叶变换，可得； G〇 (Xf,Yf) = / /g〇 (X,y)exp[-2 31i(xXf+yYf) ]dxdy似 在分析区域足够小，区域内各点位移u、v可W假定为常数时，对变形后gi(X，y)的光振 幅进行傅立叶变换，可得： Gi(X^Yf) = / /g〇(x+u，y+v)exp[-2 3ii(xXf+yYf)dxdy=G〇(X^Yf) exp [-2 3Ti(uXf+vYf) ] (3) 式做乘We^"j，然后再与式似相加得到： G 0 (Xf，Yf) + 〇1 (Xf，Yf)e_A=G0 (Xf，Yf)(1 +e_i口刊"xrYfHAi]) (4) 令： Aj狂f，Yf) = |Gn(Xf，Yf)+Gi(Xf，Yf)e-"j'|2 (5) 式妨取模再平方，得； Aj 狂f，Yf) = 2B〇(f，Yf) [1+cos(2 31 (uXf+vYf) +A_1.) ] (6) 令Aj分别等于0, 31 /2, 31，3 31化可得到； A〇= 2B狂。Yf) +2B狂f, Yf) cos (2 31 (uXf+v巧） Ai = 2B狂h Yf) -2B狂f, Yf)sin(231(uXf+vYf)) (7) A2= 2B狂。Yf) -2B狂f, Yf) cos (2 31 (uXf+v巧） As=2B狂f, Yf) +2B狂f, Yf)sin(231(uXf+vYf)) 对（7)式中的4式进行运算，可得：
在此方向上的条纹间距为Ar，Ar=rw-ivJfOJ
(10考虑到成像的放大倍数M，式（10) 中还应含有系数M，最后得到位移变化量：
【专利摘要】本发明提供了一种基于白光数字图像频域分析法的深基坑检测方法，包括如下步骤：步骤S1：利用数字图像输入设备分别记录试件变形或移动前后的灰度对比图像；步骤S2：将所述灰度对比图像上传至图像处理系统；步骤S3：所述图像处理系统将所述上传的灰度对比图像数字化；步骤S4：以试件表面随机的灰度分布或特征斑纹为载体，对所述数字化的灰度对比图像通过白光数字图像频域分析法提取位移信息。本发明使用的白光数字图像频域分析法的测试系统简单，对于测试表面一般无需特殊处理，测试条件简单，不需要隔振台，可以在任何场地使用，应用范围广泛。
【IPC分类】G01B11-02, G01B11-16
【公开号】CN104792270
【申请号】CN201510180604
【发明人】杨新伟, 李君君, 石文广, 战启芳, 田瑞兰, 刘晓庆
【申请人】石家庄铁路职业技术学院
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年4月16日