[发明专利]一种基于光流法的结构微幅振动工作模态分析方法

说明书

本发明公开一种基于光流法的结构微幅振动工作模态分析方法，属于结构振动测量领域。该方法包括以下步骤：第一：采集振动过程视频；第二：利用视频选择感兴趣的区域，并提取该区域的结构轮廓点；第三：提取结构轮廓点的表观运动响应；第四：将结构轮廓点的位移时域数据转换为频域数据，并分析得出结构的模态频率的近似值；第五：放大轮廓点的振动响应；第六：辨识结构的模态频率和阻尼比。与现有技术相比，本发明的优点为：本发明的分析方法实现非接触式测量，高精度、低成本地得到结构的模态参数，同时提取结构的轮廓点作为结构的特征点，得到的振动响应数据具有代表性。

技术领域

本发明涉及结构振动测量领域，更具体地，涉及一种基于光流法的结构微幅振动工作模态分析方法。

背景技术

目前，对结构振动的测量大多使用的是接触式的方法，该方法对于小型结构，传感器的质量和附加刚度会对被测结构的动力学特性产生显著影响；对于大型结构，传感器的安装过程和后续的维护比较复杂且成本较高。

利用激光多普勒效应的非接触式测量方法可克服接触式测量的缺点，但是其测量耗时较长，无法同时获取结构上多点的振动响应数据，且设备成本高昂。通过对结构的振动过程进行视频采集，再利用图像处理算法对视频图像进行处理得到结构振动的响应数据。该方法可实现非接触式测量，还具有相对较低的成本。

现有技术中公开了与数字图像相关(DIC)的技术。公开号为CN105424350 的专利提出了基于机器视觉的薄壁件模态测试方法及系统，其利用CCD工业相机采集薄壁件的振动过程，对采集的图像序列进行处理以获取结构的振动特性；公开号为CN106989812的专利提出了基于摄影测量技术的大型风机叶片模态测试方法，其利用一对CMOS/CCD工业相机对风机叶片振动过程进行采集，通过双相机立体匹配和三维重建技术计算得到结构振动响应；公开号为 CN109459127的专利提出了一种基于图像处理算法非接触式叶片风振测量方法，其使用相机对叶片风速下振动过程进行采集，通过MATLAB对每一帧图像进行处理，得到叶片的振动响应速度；公开号CN112146834A的专利提出了结构振动位移测量方法及装置，其采集的视频为贴在结构上的红色方标靶的振动过程，通过一系列的图像处理得到红色方标靶的位移数据。数字图像相关技术需要事先在结构上进行喷涂标记点，这四个专利分别使用了反光贴、反光编码标志、荧光靶标和红色方标靶作为特征点，以特征点的振动数据代表结构的振动数据。

本发明利用光流法获取结构轮廓点的振动响应数据，其中轮廓点是结构边缘灰度值具有较大梯度变化的点，能够很好地代表结构的振动响应。利用随机子空间法对时域数据进行处理，可以得到结构的模态参数。

发明内容

为解决背景技术中接触式测量方法和数字图像相关技术(DIC)的不足之处，本发明提供一种基于光流法的结构微幅振动工作模态分析方法。该方法实现非接触式测量，高精度、低成本地得到结构的模态参数，提取结构的轮廓点作为结构的特征点，得到的振动响应数据具有代表性。另外，在视频中选取感兴趣区域，利用光流法仅跟踪该区域中结构边缘点的光流运动，计算效率高。通过利用包括但不限于随机子空间法、频域分解法、希尔伯特-黄变换法和提取的虚拟测点的响应数据辨识结构的模态频率和阻尼比，准确度高。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下。

一种基于光流法的结构微幅振动工作模态分析方法，包括以下步骤：

S1.利用录像设备对结构的振动过程进行采集，获取振动过程的视频；

S2.利用图像处理程序在所述视频的第一帧上选择感兴趣的区域，并提取该感兴趣区域的结构轮廓点；

S3.通过视觉方法提取结构轮廓点的表观运动响应；

S4.利用快速傅里叶变换将结构轮廓点的位移时域数据转换为频域数据，分析频域数据的峰值得出结构的模态频率的近似值；