[发明专利]基于希尔伯特变换的土木工程结构动态监测相位评估方法

说明书

本发明公开了一种基于希尔伯特变换的土木工程结构动态监测相位评估方法，按照以下步骤进行：S1、计算得到图像序列I_n(x,y,t)的谐振频率f_s；S2、利用二维快速傅里叶变换处理图像序列I_n(x,y,t)得到频率矩阵F(u,v,t)；S3、使用巴特沃斯理想带通滤波器得到滤波后的频率矩阵F_B(u,v,t)；S4、利用二维傅里叶逆变换处理滤波后的频率矩阵F_B(u,v,t)得到单周期为I_s(x,y,t)的图像序列；S5、基于希尔伯特变换处理单周期为I_s(x,y,t)的图像序列，计算评估图像的运动。采用以上方法，不仅解决了传统PME方法强烈依赖于被测对象的先验知识的问题，而且大幅提升了计算效率，更适合于动态结构监测，为民用基础设施的动态监测提供了一种更加简单实用的新方法。

技术领域

本发明涉及土木工程结构动态监测技术领域，具体涉及一种基于希尔伯特变换的土木工程结构动态监测相位评估方法。

背景技术

许多土木工程结构，包括桥梁、水坝、公路和建筑物，都是几十年前建造的，已经超过了设计寿命。结构健康监测(简称SHM)能够实现更低的成本基于条件的维护，执行结构状态预测，并消除意外灾难性故障。

用于SHM的标准有线加速度计是劳动密集型的仪器结构，因为布线问题和物理放置都很麻烦。并且，密集地测量一个结构是十分困难和繁琐的，效率低下。此外，当结构比加速度计的尺寸小时，加速度计的附加质量也会影响监测结果的准确性。

因此，应运而生了非接触式测量方法，虽然能够克服上述大多数缺点，但是在无损检测(简称NDT)的情况下，用超声波检测或其他类似的方法来检测一个大型结构仍然是非常耗时的。其他非接触式振动测量技术，如扫描激光测振仪的位移测量，不需要在结构上安装传感器或诱导质量载荷效应，就能提供高空间分辨率的传感能力，然而，这些测量设备相对昂贵，并且要求按顺序进行测量，当所需的传感区域较大时，还是可能会耗费大量时间和劳力。

作为一种非接触方法，数码摄像机的成本相对较低，操作灵活，并能提供非常高的空间分辨率的同时测量。结合图像处理算法、基于视频的测量已经成功地用于各种类型结构的振动测量，最近，SHM中引入了数字图像相关技术(简称DIC)和三维点跟踪技术(简称3DPT)。然而，这些方法通常需要散斑模式或高对比度标记放置在结构表面，再基于图像强度相关性估计运动场。一方面，这些要求提出了表面准备和目标安装问题，特别是当测量面积大或难以达到时，由于目标需要放置在结构上，这就抵消了相机易于测量的优点。另一方面，基于图像的强度相关法对噪声和干扰非常敏感，如场景光照的突然变化，会导致估计的运动场产生误差。因此，无目标测量且不需要任何准备的相位运动估计算法(简称PME)被引入SHM。相位行为对光度变形相对不敏感(如阴影、高光等)，相位轮廓提供了一个很好的近似运动场。基于相位的计算机视觉算法在结构运动估计中可以使用结构或图像的自然特征给定正常的光照条件，从而避免上述表面损坏。

PME是基于Gabor小波分析相位的，而Gabor小波本质上是一个由高斯包络调制的正弦函数，因此高斯包络区域与图像信息区域的匹配直接影响算法的效果。在实际应用中，PME算法强烈依赖于被测对象的先验知识，通常需要对信号频率进行预测，否则，将导致图像和运动场的相位识别错误，造成相位评估结果不准确。

解决以上问题成为当务之急。

发明内容

为解决以上的技术问题，本发明提供了一种基于希尔伯特变换的土木工程结构动态监测相位评估方法。

其技术方案如下：

一种基于希尔伯特变换的土木工程结构动态监测相位评估方法，其要点在于，按照以下步骤进行：

S1、计算得到图像序列I_n(x,y,t)的谐振频率f_s；