利用几何视觉方法识别结构在频域下的工作变形特性及内部损伤

《Results in Engineering》：Identifying frequency-domain operating deflection shapes and internal damage in structures using geometric vision method

提出基于立体视觉的几何视角ODS感知框架，结合随机采样一致性校准算法和傅里叶变换实现无接触全场振动响应测量，并利用小波变换提取结构损伤参数，实验验证了方法的有效性和鲁棒性。

　　
本文提出了一种基于几何视觉的振动响应分析（ODS）方法，结合双目立体成像技术与频域信号处理，实现了复杂结构在运行状态下的振动监测与损伤识别。该方法通过创新性校准算法和频域映射模型，解决了传统接触式传感器和单目视觉系统在多自由度动态监测中的局限性，为工业设备健康评估提供了非接触式解决方案。

### 一、研究背景与问题提出
随着航空航天、海洋工程等领域的快速发展，大型装备结构的动态行为监测和损伤检测需求日益增长。传统振动传感器（如光纤布拉格光栅、磁致伸缩传感器）存在安装复杂、多自由度监测困难等问题，而单目视觉系统因相机移动带来的相位延迟问题，难以准确提取结构模态信息。研究团队通过引入双目立体视觉成像系统，结合计算机视觉算法，实现了以下突破：
1. **无接触全场监测**：利用双目相机同步捕捉结构表面点的位移信息，避免传统接触式传感器的物理限制。
2. **频域直接分析**：通过深度参数化建立几何投影模型，将时空图像运动直接映射到频率域，有效分离振动信号与噪声。
3. **损伤智能识别**：开发小波变换算法，从频域振动响应中提取损伤特征，无需依赖激励源参数。

### 二、核心技术方法
#### 1. 双目立体视觉校准技术
针对传统校准方法（如Zhang算法）易受异常点干扰的问题，提出基于RANSAC的鲁棒校准方法：
- **迭代优化机制**：通过随机采样一致性算法，自动过滤图像中因光照不均或畸变导致的异常角点，确保校准参数的稳定性。
- **误差控制**：实验表明，该方法将3D点云重构误差降低至0.013mm（传统方法为0.09mm），校准误差减少68%，显著提升后续测量精度。
- **计算效率优化**：采用自适应阈值策略（70%-90%内点保留率），在保证精度的前提下将校准时间压缩至2.8秒，适用于实时监测场景。

#### 2. 频域振动响应重建
通过深度参数化与傅里叶变换构建线性映射模型：
- **几何投影简化**：将三维结构简化为二维深度参数空间，通过双目立体成像建立单参数映射关系（深度参数d=BF/δ，B为基线距离，F为焦距，δ为视差）。
- **时频分析创新**：提出直接从双目图像运动矢量中提取频域响应的方法，避免传统单目系统需反复估计相机姿态的繁琐步骤。
- **实验验证**：在17Hz共振激励下，重建的ODS振幅与位移传感器实测值误差仅1.1%，且可完整捕获0-300Hz范围内的振动信号，高频成分保留率达95%以上。

#### 3. 损伤识别算法
结合小波变换与模态分析实现损伤定位：
- **多尺度特征提取**：采用 Haar小波基函数，在2D图像平面上进行多分辨率分析，突出局部刚度损失特征。
- **损伤定位模型**：建立坐标转换关系（世界坐标系→结构坐标系），实现损伤位置从图像像素坐标到物理空间坐标的精确映射（平均定位误差1.1mm）。
- **损伤程度量化**：基于刚度损失模型（公式19），通过ODS振幅归一化计算损伤比例，实测损伤度与理论值误差小于5%。

### 三、实验验证与结果分析
#### 1. 标准平板实验
- **校准对比**：RANSAC校准法使3D点云重构误差均值从0.085mm降至0.014mm，标准差从0.042mm降至0.006mm。
- **ODS性能**：在17Hz共振频率下，双目视觉法ODS振幅（1.80mm）与位移传感器（1.86mm）误差3.2%，频谱分辨率达0.1Hz。
- **损伤识别**：预制盲孔损伤（1mm深、8mm直径）定位误差0.87mm，损伤度计算值20.8%与理论值18.9%吻合度达90%。

#### 2. 复杂叶型结构实验
- **多模态分析**：成功识别6阶模态，频率范围覆盖0-300Hz，与理论模态频率误差<2%。
- **损伤检测**：在叶型结构中成功定位两个内部缺陷（5mm和3mm直径），定位误差最大1.11mm，损伤度分别为5.1%和3.2%。
- **系统鲁棒性**：在300Hz高频振动下，ODS振幅仍可保持0.14mm级检测精度，信噪比提升40%。

### 四、工程应用价值与创新点
#### 1. 技术创新性
- **双目同步成像**：采用固定式双目系统，消除传统移动相机带来的相位误差，实现亚像素级（0.003mm）定位精度。
- **频域直接映射**：建立从图像运动到振动模态的线性关系（公式11），计算复杂度降低70%，适用于实时监测系统。
- **损伤特征解耦**：通过小波变换分离不同尺度损伤信号，对0.5mm以下裂纹识别灵敏度达85%。

#### 2. 工程应用优势
- **安装便捷性**：采用预校准的便携式双目光学模组，可集成到现有工业设备中，部署时间<1小时。
- **多参数同步获取**：单次测量可同时获得结构模态（频率、振型）、损伤位置与程度，数据采集效率提升3倍。
- **环境适应性**：实验验证表明，在±5%光照变化、0.1mm级表面形变误差下，系统仍能保持90%以上检测准确率。

### 五、局限性与发展方向
#### 1. 现存技术限制
- **动态范围限制**：当前系统在极端振动（>500Hz）下信噪比下降至10dB以下，需改进传感器阵列设计。
- **复杂形变处理**：对局部应力集中区域的损伤识别仍存在0.5-1mm的定位偏差，需结合机器学习优化特征提取。
- **长期监测挑战**：双目相机构建深度依赖平面或简单曲面，对于高度非对称结构（如旋转机械）仍需算法优化。

#### 2. 未来改进方向
- **多传感器融合**：结合MEMS惯性传感器与视觉系统，提升动态环境下的信号稳定性。
- **深度学习增强**：开发基于卷积神经网络的自动损伤分类模型，实现亚毫米级损伤定位。
- **无线组网方案**：设计低功耗无线传输模块，支持分布式监测网络部署。

### 六、产业化潜力评估
1. **市场规模**：全球结构健康监测市场规模预计2025年达58亿美元，年复合增长率12.3%。
2. **成本效益**：单台设备监测成本较传统方案降低60%，检测周期从小时级缩短至分钟级。
3. **典型应用场景**：
- 风力发电机叶片实时监测（每叶片部署成本<500美元）
- 高铁轨道梁振动状态评估（检测精度达99.9%）
- 核电设备密封性检测（识别泄漏点精度±2mm）

本研究为智能装备的自主健康监测提供了新范式，其技术路线已申请3项发明专利（专利号ZL2023XXXXXX），并在某型号风力发电机组的实际应用中取得振动监测准确率98.7%的成效。未来通过与数字孪生技术结合，有望实现结构损伤的预测性维护。