[发明专利]一种高速铁路桥梁基础沉降变形的车载动态监测方法

摘要

本发明提供一种高速铁路桥梁基础沉降变形的车载动态监测方法，通过在轨检车上集成摄像、惯性和光电测量装备，组成轨检车平台运动参数（高程、位置、姿态）和轨检车/高速铁路轨道相对位姿同步测量系统，该测量系统在测量轨检车平台高程基础上同步补偿轨检车平台相对铁轨的晃动量，从而得到轨道的实际高程，再与基准值比较得到轨道的沉降量。由于高速铁路轨道与桥梁基础沉降是同步一体的，通过轨道沉降量测量得到高速铁路桥梁基础的沉降变形量。

主权项

1.一种高速铁路桥梁基础沉降变形的车载动态监测方法，通过在轨检车上集成摄像、惯性和光电测量装备，组成轨检车平台运动参数和轨检车/高速铁路轨道相对位姿同步测量系统，其特征在于，该测量系统在测量轨检车平台高程基础上同步补偿轨检车平台相对铁轨的晃动量，从而得到轨道的实际高程，再与基准值比较得到轨道的沉降量，测量分成四个过程：(1)检测车平台位置姿态参数高精度摄像测量，通过在地面设置摄像标志，在检测车上安装摄像测量系统，当检测车行经地面摄像标志处时对地面摄像标志成像，通过对图像的分析，利用摄像测量方法实现对检测车沉降和姿态参数进行动态高精度测量，具体可采用如下两种方案：基于立体分布标志的摄像测量和利用平面反射镜的摄像测量，a)基于立体分布标志的沉降摄像测量所述基于立体分布标志的沉降摄像测量，具体为：在铁路外的地面上布置空间立体分布的多个摄像测量标志，摄像标志间的相对关系已知,通过对图像上标志间成像关系的分析，实现对检测车沉降和姿态参数的分别测量，由于动态测量中检测车平台会发生晃动，车载摄像测量系统指向和姿态会发生变化，利用立体分布标志中垂直铁路方向布设的标志间的像点的相对关系仅对检测车的高程敏感，而基本不受相机姿态影响的特点测量检测车沉降量，利用摄像测量系统拍摄垂直铁路线方向布设的地面标志，设前标志距离桥梁为L1，前后标志间的距离为L2，前标志高度为H2，后标志高度为H3，摄像测量系统在沉降前高H1，当沉降ΔH1时，前后标志杆相对于摄像测量系统视点产生ΔH2的相对高差，利用该高差成像分析测量得到检测车平台的沉降，立体标志的控制点在沉降前后由于视点的高差变化会在像机图像上发生位移，沉降前图像中前后标志杆顶端的高差为h0，沉降后，标志杆顶端图像发生了相对位移，标志杆顶端的高差变为h，不同的沉降量引起的位移变化h～h0不同，据此测量摄像测量系统固连的检测车平台的沉降量，前后标志杆的图像位移差Δh＝h0‑h与两个物理位移量ΔH1和ΔH2的关系根据相似三角形原理推得：其中ΔH1为桥梁沉降量，即摄像测量系统下降量，ΔH2为桥梁沉降ΔH1时前后标志杆相对于摄像测量系统视点相对高差变化，L1为前标志到桥梁距离，L2为前后标志间的距离，K为摄像系统1个像素对应的空间高度，Δh为前后标志杆的图像位移差；通过在铁路外侧沿轨道方向依次布置标志，利用固连于检测车的像机对标志成像，通过图像分析计算检测车姿态，假设沿轨道方向前后标志的顶端处于同一水平面，则根据对前后标志成像的高度差异就可以测量成像系统俯仰角，假设前后标志在图像中的间距为L，双标志成像高度差为Δh，则检测车俯仰角为其中α为检测车俯仰角，Δh为前后标志杆的图像位移差，L为前后标志在图像中的间距；b)利用平面反射镜的摄像测量所述利用平面反射镜的摄像测量方法，具体为：在铁路外地面上布置平面镜设施，在检测车上安装摄像机成像分析系统和点光源，利用车载摄像系统拍摄并检测平面镜中车载点光源的像点，通过图像分析，测量点光源像点在平面镜中的移动，计算检测车平台的高度变化，实现对铁路基础的沉降测量，在桥梁外布置平面镜设施，利用车载摄像系统拍摄并检测平面镜中车载点光源的像点，当发生沉降时，点光源和摄像系统随同检测车沉降，点光源在平面镜中的像点就会发生移动，当摄像机和点光源沉降量为d时，视点从P处变化到P′处，对应平面镜中的点光源的像点平移距离d′，d′和d的关系由平面镜光线反射原理推导得到，如当像机正视平面镜时d＝d′，通过测量平面镜中点光源像点相对平面镜基准线的位移测量检测车平台的沉降量；检测车动态晃动时像机姿态发生变化，但只要位置不变，点光源在平面镜中的像点相对平面镜中心基准线的位置就不变，即本方案的平台沉降测量不受检测车动态晃动的影响，沉降前后与摄像机固连的点光源位置发生变化，经摄像机成像后，其镜面反射像点和镜面的相对成像关系发生变化，由中心透视投影成像原理，物点P到光轴的距离X与像点p到光轴的距离x满足其中X为物点P到光轴的距离，u为物距，x为像点p到光轴的距离，f为焦距，故由像点位移d₀得像机沉降量为其中ΔH为桥梁沉降量，d₀为像点位移变化，u为物距，f为焦距；(2)经摄像测量修正并长距离保持精度的惯性测量；(3)检测车平台/铁轨相对晃动位姿的精密光电测量；(4)桥梁沉降监测数据处理。