基于數(shù)字圖像處理的尾礦壩位移監(jiān)測(cè)

茹乃瑜，牛昱光，杜宏偉

（太原理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，山西 太原 030024）

尾礦壩的安全檢測(cè)是保證礦山尾礦壩安全管理，防止安全事故的發(fā)生的重要手段。根據(jù)國(guó)家規(guī)定的礦山尾礦壩監(jiān)測(cè)的目的和要求，其監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目主要有壩體位移、浸潤(rùn)線高度、干灘長(zhǎng)度、滲流量及庫(kù)水位等。其中壩體位移是尾礦壩最重要的和首要檢測(cè)參數(shù)，也是壩體穩(wěn)定性最直接的反應(yīng)。

目前尾礦壩位移監(jiān)測(cè)傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法有：視準(zhǔn)線法，正、倒垂線法，前方交會(huì)法，測(cè)斜管法和幾何水準(zhǔn)法等。但這些方法都只能監(jiān)測(cè)水平位移或者垂直位移中的一種，而且精度也不是很高，不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，所以這些方法都有很大的局限性[1]。

現(xiàn)代化的監(jiān)測(cè)手段有全站儀和GPS等，精度比較高，其中GPS測(cè)量可達(dá)到亞毫米的相對(duì)定位精度，安裝方便，可實(shí)現(xiàn)全天候的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，但是成本較高，價(jià)格昂貴，在大型的尾礦壩體的應(yīng)用比較廣泛。

本文研究的是一種新興的壩體位移監(jiān)測(cè)方法。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量范圍大、精度較高、成本不高和可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，很好地彌補(bǔ)了以上方法的缺點(diǎn)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要由激光器、準(zhǔn)直系統(tǒng)、光探測(cè)器和信息處理系統(tǒng)等構(gòu)成。其中激光器和激光接收器固定在兩邊山體上，準(zhǔn)直系統(tǒng)則安裝在壩體上，激光器選用穩(wěn)定性較好的氦氖激光器，從光源發(fā)射的激光通過(guò)準(zhǔn)直濾光系統(tǒng)，再經(jīng)高反射率衰減片之后成像到光檢測(cè)器上，在接收器上形成一個(gè)光斑。光源、準(zhǔn)直系統(tǒng)、菲涅爾波帶片、光探測(cè)器在理想狀況下是在一條直線上。當(dāng)壩體發(fā)生位移時(shí)，將帶動(dòng)波帶片同時(shí)移動(dòng)，那么其所成的像在檢測(cè)器上也發(fā)生相應(yīng)的移動(dòng)，通過(guò)測(cè)量探測(cè)器上的光斑的位移量，就可以進(jìn)一步得到準(zhǔn)直系統(tǒng)的位移。

圖1 尾礦壩位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

其中處理器采用三星公司的ARM11芯片s3c6410，CCD攝像頭將拍攝的圖片傳輸給s3c6410，s3c6410讀出圖像數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)字圖像處理，求出位移變化量，處理完成后交付給無(wú)線通信Zigbee模塊。Zigbee模塊發(fā)送給監(jiān)控中心，在監(jiān)控中心通過(guò)VC語(yǔ)言編寫的實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件顯示出來(lái)，同時(shí)發(fā)布到Web站點(diǎn)上，使監(jiān)控人員能夠隨時(shí)隨地進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)異常，并能及時(shí)報(bào)警。

2 準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)

激光腔產(chǎn)生的激光束，既不是平面波，也不是均勻的球面波，而是高斯球面波[2]。高斯光束的特征是準(zhǔn)直性好、光束集中，且發(fā)散角較小，在較短距離的測(cè)量中，光束的發(fā)散并不明顯，可以省去聚焦準(zhǔn)直透鏡，從而降低成本。但在較大長(zhǎng)度中，激光器光束的束腰存在一定的直徑，光束的發(fā)散就比較嚴(yán)重。所以仍需準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)進(jìn)行整形。

準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)多采用二次透鏡的形式，第一次變換透鏡是采用短焦距的聚焦透鏡來(lái)壓縮高斯光束的束腰半徑，使其越小越好。第二次的透鏡焦距較大，其目的是減小高斯光束的發(fā)散角。準(zhǔn)直擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足焦距大于后工作距離，即鏡頭的主面距離光學(xué)系統(tǒng)的焦面較遠(yuǎn)。所以設(shè)計(jì)的系統(tǒng)應(yīng)由雙凸面透鏡和負(fù)凹凸透鏡構(gòu)成。雙凸面透鏡位于像方側(cè)，負(fù)凹凸透鏡位于物方側(cè)，并使凹面向著像方側(cè)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

準(zhǔn)直透鏡系統(tǒng)的參數(shù)還需滿足下面條件

式中：f'1為雙凸透鏡焦距，f'是組合系統(tǒng)的焦距，d2是雙凸面透鏡與負(fù)凹凸透鏡鄰接面之間的距離，r3為負(fù)凹凸透鏡像方側(cè)透鏡面的曲率半徑。式（1）是決定準(zhǔn)直透鏡的NA條件。式（2）與球面像差補(bǔ)償有關(guān)。

因?yàn)楹つ始す馄靼l(fā)射的激光束功率很大，如果CCD上的光照度過(guò)大，就會(huì)使得CCD的輸出飽和而無(wú)法工作。因此需要對(duì)激光進(jìn)行大幅度的衰減，所以還需要加上衰減片，使其透過(guò)率降低。

3 菲涅爾波帶片

菲涅爾波帶片是基于菲涅爾波帶理論的一種光學(xué)元件。菲涅爾波帶片和一般的玻璃透鏡比較，具有無(wú)像差、加工制作簡(jiǎn)單、成本低、面積可以做的很大、抗機(jī)械震動(dòng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，所以常和激光配合使用，用于大型工程中。

菲涅爾波片帶是一種特制的衍射屏，波帶片的成像公式為[3]

式中：S為物距；S'為像距；f為焦距。與透鏡成像公式相似。菲涅爾波帶片的環(huán)數(shù)越多，相應(yīng)地亮度就會(huì)越高，但制作起來(lái)會(huì)困難一些，還會(huì)帶來(lái)一定的誤差，所以實(shí)際中一般取5～8環(huán)。

4 監(jiān)測(cè)原理

圖3為監(jiān)測(cè)原理圖，P為激光源，菲涅爾波帶片L的光心為O，A和A'為CCD光斑接收屏，P經(jīng)過(guò)L成像與A點(diǎn)。Z和Z'分別為光源到透鏡和透鏡到光探測(cè)器的距離。

圖3 監(jiān)測(cè)原理圖

通常情況下，當(dāng)該處大壩發(fā)生位移Δy時(shí)，帶動(dòng)L一起移動(dòng)，L的光心從點(diǎn)O移動(dòng)到O'，同時(shí)，CCD上的像A相應(yīng)地移動(dòng)到像A'。由于CCD定標(biāo)于A點(diǎn)，所以像點(diǎn)的位移量就反映出壩體的位移Δy。根據(jù)三角關(guān)系有

因?yàn)橥哥R組的位置是固定的，所以Z和Z'已知，只要能精確探測(cè)到像點(diǎn)的位移量，就可以進(jìn)而計(jì)算出壩體的位移量。通過(guò)各個(gè)測(cè)點(diǎn)得到壩體變形量。

系統(tǒng)的光接收器每隔一段時(shí)間對(duì)光斑進(jìn)行采樣，計(jì)算出重心位置，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心。

5 接收裝置與圖像處理過(guò)程

接收裝置主要是CCD攝像機(jī)，其中CCD的分辨率D可表示為[4]

式中：S為成像范圍；P表示相應(yīng)的像素?cái)?shù)；K=Z/Z'，是監(jiān)測(cè)點(diǎn)與光源的距離Z和發(fā)射器與接收器的距離Z'的比值。可選取合適分辨率的CCD攝像機(jī)。

CCD成像的理想激光光斑應(yīng)該是個(gè)圓滑的圓點(diǎn)。但在實(shí)際中，存在衍射現(xiàn)象，并且光學(xué)系統(tǒng)也存在一定的像差影響，使光斑發(fā)生變形，則光斑的中心必定會(huì)與實(shí)際位置產(chǎn)生偏差。再加上其他各種各樣的干擾因素，也將引起中心位置的偏移。因此，首先要進(jìn)行數(shù)字平滑濾波，剔除干擾和隨機(jī)誤差，在實(shí)際中使用中值濾波，第二步是取閾值，第三步是求取光斑中心。

常見的中心定位方法有重心提取法、Hough變換法和圓擬合法等，本文采取精度相對(duì)較高并且速度較快的重心提取法來(lái)實(shí)現(xiàn)光斑中心的提取[5]。它的基本原理如下

式中：圖像像元的灰度值為P，重心坐標(biāo)為（x，y），總像元數(shù)為n。實(shí)際中往往對(duì)CCD圖像進(jìn)行多次采樣取平均值，以提高精度。

圖像處理程序流程如圖4所示。

圖4 重心提取流程圖

6 實(shí)驗(yàn)分析

在實(shí)驗(yàn)室中搭建尾礦壩模型，其中位移監(jiān)測(cè)的實(shí)驗(yàn)裝置總長(zhǎng)度為100 m，光源選擇一般的半導(dǎo)體激光器，波長(zhǎng)為605 nm，金屬波帶片的焦距為140 mm，CCD選擇512×512像素的即可滿足精度要求，圖像處理程序選擇MATLAB來(lái)處理。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，先移動(dòng)波帶片，記錄下一組位移量，然后對(duì)應(yīng)地將系統(tǒng)采集到得圖像進(jìn)行處理，用MATLAB求取位移量，將測(cè)量值和實(shí)際值進(jìn)行比對(duì)，即可求取誤差值。圖5是用MATLAB生成的波帶片位移量和相應(yīng)的光斑位移量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論曲線的對(duì)照?qǐng)D像，從圖5可以看出圖像相當(dāng)吻合，基本成線性關(guān)系，滿足位移監(jiān)測(cè)的精度要求。

圖5 系統(tǒng)精度考察

7 結(jié)論

本方法的精度較高，滿足一般的大壩位移監(jiān)測(cè)要求，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)，而且可同時(shí)觀察水平和垂直位移。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，建議在大氣激光線路上加上大氣管道裝置，安裝真空泵，將管道抽成真空以便減少折射影響，可以進(jìn)一步提高精度。總體來(lái)說(shuō)，該方法是監(jiān)測(cè)尾礦壩體位移的一種較理想的方法。

[1] 趙志仁.大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)[M].鄭州：黃河水利出版社，2003.

[2] 周炳琨.激光原理[M].4版.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2000.

[3] 韓軍.工程光學(xué)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2000.

[4] 王曉旭.全自動(dòng)真空激光大壩變形測(cè)量系統(tǒng)的研制[D].大連：大連理工大學(xué)，2005.

[5] 徐亞明，邢誠(chéng)，劉冠蘭，等.幾種激光光斑中心檢測(cè)方法的比較[J].海洋測(cè)繪，2007（2）：1-4.