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基于数字图像匹配方法的结构模态参数识别
| 论文题名： | 基于数字图像匹配方法的结构模态参数识别 |
| 关键词： | 桥梁工程;健康监测;数字图像相关;匹配算法;随机子空间;模态参数识别 |
| 摘要： | 桥梁健康监测是保障桥梁在全寿命周期内安全服役的重要手段之一，变形监测和模态参数识别是其重要的一部分，它反映了桥梁的整体刚度和动力性能。传统的接触式桥梁变形测量技术受桥址处地势的限制且测量过程费时耗力甚至是不可能完成的，因此在桥梁健康监测中的使用面临着巨大的挑战，数字图像相关（DIC）方法因其非接触式测量、精度高、鲁棒性强等优势在实验力学领域得到了广泛的应用，但在桥梁健康监测中的应用不多。因此，开展基于DIC方法的桥梁变形监测及模态参数识别具有十分重要的科学意义和工程价值。 论文是国家重点研发计划（2021YFB2601000）项目子题—桥隧不可及部位精细感知共性技术与装备研发的一部分，将DIC方法用于桥梁结构领域并联合协方差驱动的随机子空间（COV-SSI）方法，实现非接触式的桥梁变形测量和工作模态参数自动识别。论文从数字图像匹配算法的计算精度、鲁棒性，离轴相机成像模型以及COV-SSI算法关键参数的敏感性分析三个角度进行了研究。首先，针对图像匹配中与初值估计精度有关的非凸问题，提出了基于牛顿下山理论的亚像素级图像匹配迭代算法（FA-ND算法），并通过随机散斑模拟实验对算法的计算精度和鲁棒性进行了验证；其次，研究了位移标定模型中测点位移单位转换的精度问题，提出了基于2D-DIC方法的物距自动计算方法及对应的离轴相机成像模型；再次，开展了Hankle矩阵行块数i、系统阶次N对COV-SSI算法模态参数识别的敏感性分析，并给出了参数i和N的取值建议和方法；最后，通过结构模型试验分析了联合FA-ND算法和COV-SSI算法的非接触式桥梁结构工作模态参数自动识别系统的工作性能和使用范围。主要的研究内容和结果如下： （1）研究了一种对迭代初值精度不敏感的亚像素级图像匹配迭代算法，通过随机散斑数值模拟实验和室内试验分析了FA-ND算法的计算结果，结果表明FA-ND算法具有良好的匹配精度和鲁棒性。 （2）提出了一种基于二维DIC方法的物距自动计算方法及增强型离轴相机成像模型，克服了激光测距法难以保证激光在结构表面的光点与图像参考子区中心点不重合的缺陷；并根据基准物距计算值推算图像内任意测点的物距，提高了将测点像素位移转换为几何位移的精度。 （3）基于COV-SSI算法的工作模态参数识别方法，开展了Hankle矩阵行块数i、系统阶次N对模态参数识别精度的敏感性研究，并给出了相应的取值建议和方法。 （4）提出了基于数字图像匹配技术的桥梁结构工作模态参数自动识别系统，并通过结构模型试验分析了该系统的工作性能和使用范围。 研究结论可为桥隧不可及部位的精细感知及健康监测提供参考。 |
| 作者： | 李奇洪 |
| 专业： | 土木工程 |
| 导师： | 刘龄嘉;周勇军 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 长安大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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