[发明专利]一种基于单目视觉的低频振动校准方法

说明书

本发明公开了一种基于单目视觉的低频振动校准方法，利用具有径向畸变的非线性摄像机模型实现高精度的摄像机标定；提出一种有效的图像增强方法实现不同运动方向模糊图像的增强，以保证增强边缘的位置精度；然后基于Zernike矩的亚像素边缘检测方法实现增强序列图像的高精度特征边缘提取；基于视觉测量模型测量特征边缘的空间运动位移，利用同步采集的低频振动传感器及低频振动测量仪的输出电压信号实现低频振动校准。本方法在有效保证校准精度的前提下，可稳定、可靠、快速的实现低频振动校准。本方法解决了现有低频振动校准方法对于低频振动传感器及测量仪存在校准精度有限、过程繁琐、系统复杂，不适用于宽频率范围校准的不足。

技术领域

本发明属于振动计量与测试领域，尤其适用于宽频率范围内高精度、稳定、可靠的低频振动校准。

背景技术

低频振动传感器及低频振动测量仪正在越来越多地应用于地震预测、桥梁与建筑监测、矿质勘探等领域。低频振动传感器及测量仪的灵敏度对于其准确的振动测量极其重要。低频振动校准用于确定低频振动传感器及测量仪的灵敏度，其是确保振动测量数据准确、可靠、有效的前提。因此，对于低频振动校准的研究具有十分重要的意义。

常用的低频振动校准方法分为比较法与绝对法两大类，其中，最为常用的绝对法包括激光干涉法与地球重力法。比较法利用灵敏度已知的标准低频振动传感器与被校低频振动传感器及测量仪背靠背安装，使它们具有相同的输入激励。然而，其校准精度受限于标准传感器的校准精度，通常不能满足高精度校准的需求；地球重力法通过转台向被校低频振动传感器及测量仪提供精确已知的当地重力加速度作为激励，以实现高精度的校准。但受到转台离心加速度的影响，其最大校准频率通常较低；激光干涉法通过激光干涉仪测量长冲程振动台向被校低频振动传感器及测量仪提供的输入激励，当激励信号频率大于0.2Hz时校准精度高，当小于0.2Hz时由于存在由导轨弯曲引入的校准误差，校准精度下降。传统的低频振动校准方法不能满足宽频率范围内高精度的低频振动传感器及测量仪校准需求。基于单目视觉的测量方法已广泛用于许多精密测量领域，通过单目视觉方法的高精度位移测量可改善低频振动校准精度。

因此，针对目前低频振动校准方法对于低频振动传感器及测量仪校准的校准精度有限、过程繁琐、系统成本高及校准频率范围受限等不足，本发明提出一种可适用于宽频率范围、过程简单、成本低、校准精度高的低频振动校准方法。

发明内容

针对目前低频振动校准方法无法适用于宽频率范围、精度有限、过程复杂及成本高等不足，本发明实施实例提供一种高精度的低频振动校准方法，包括：

(1)基于径向畸变的非线性模型摄像机标定：通过棋盘格靶标图像的X角点亚像素检测，实现高精度的摄像机标定；

(2)平面运动序列图像的增强与特征边缘提取：用于序列图像特征边缘的准确提取；包括：基于高斯曲线拟合特征边缘邻域灰度梯度，基于梯度光流法检测模糊图像运动方向，实现不同运动方向模糊图像的增强，基于Zernike矩方法的增强序列图像亚像素特征边缘提取；

(3)特征边缘的空间运动位移测量与输出电压信号测量：通过摄像机标定确定的矩阵H与提取的序列图像特征边缘计算特征边缘的空间运动位移，并计算低频振动传感器及低频振动测量仪的输出电压信号峰值；

(4)低频振动传感器及低频振动测量仪的校准：利用测量的序列图像的特征边缘的空间运动位移计算相应的输入激励加速度峰值，通过输出电压信号峰值与激励加速度峰值，确定其灵敏度与幅频特性。

一种基于单目视觉的低频振动校准方法，所述校准方法包括以下步骤，

S1：利用棋盘格靶标图像X角点的亚像素坐标检测，实现基于径向畸变的非线性模型摄像机标定；

S2：针对运动产生的图像模糊，基于特征边缘邻域灰度梯度的高斯曲线拟合与基于梯度光流法的相邻两帧图像运动方向检测，实现不同运动方向图像的增强，利用基于Zernike矩的方法提取增强图像的亚像素特征边缘；