论文总字数：62553字

摘 要

近年来，新型的桥梁检测技术开始被人们更多的关注。本文介绍了目前世界上几种比较流行的结构模态识别方法以及数字图像处理技术。以简单结构的动力响应特性为对象，研究是否能结合数字图像处理技术和数字信号分析技术来计算分析出物体的模态参数。

本文的主要工作及成果如下：

1. 总结了目前国内外的桥梁检测技术在工程领域应用的当前状况与前景。
2. 对数字图像处理与图像测量的相关知识进行了总结。提供了将数字图像处理技术运用于结构模态识别中的一般思路。
3. 系统的介绍了模态分析的。对和的各种经典算法进行了总结，分析出其各自适用的场合 ，介绍了本文的主要研究内容
4. 设计简单结构的振动试验，建立有限元模型并设计试验工况
5. 详细介绍了如何通过MATLAB软件实现视频图像的采集与分解、图像预处理与边缘检测、结构的模态识别的算法
6. 通过对比视频图像实测数据得到的模态参数与通用有限元软件数值仿真得到的模态参数，论证了基于视频图像数字采集基于数字信号处理技术进简单结构行参数识别的精确性和可靠性

关键词：图像处理；目标识别；模态分析；频域分解；简单结构；MATLAB

Abstract

In recent years, more and more attention has been paid to the new type of bridge inspection technology. This paper has introduced several methods of the structure modal identification at domestic and abroad as well as several popular digital image processing technology, and studied whether the combination of digital image processing technology and digital signal analysis technology can be used to analyze the Modal parameters of the structure.

The main work and achievements of this paper are as follows:

1. Summarized the present situation and prospect of the development and application of bridge detection technology both at home and abroad

2. summarized the related knowledge of digital image processing and image measurement, and introduce the general idea of applying digital image processing technology to structural modal identification

3. Systematically introduced the basic theory of modal analysis . summarized the various classical algorithms in frequency domain and time domain method, analyzed their respective applicable occasions, and introduced the main research contents of this paper

4. Designed a simple structure of the vibration test, establish the finite element model and design the test condition

5. This paper introduces how to realize the image image acquisition and decomposition, image preprocessing and edge detection, and the modal recognition algorithm of structure by MATLAB software

6. Compared the modal of the measured data analyzed by MATLAB and the Simulation of General Finite Element Software ANSYS as well as the result analyzed by business Software DASP, proved the accuracy and reliability of parameter identification by digital image processing and digital signal processing technology

Keywords: image processing; target recognition; modal analysis; frequency domain decomposition; simple structure; Matlab

目 录

摘要 l

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第一章 绪论 1

1.1 本课题的研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 本文的研究内容 3

第二章 数字图像处理基础与发展现状 5

2.1 数字图像概述 5

2.2 数字图像预处理 5

2.2.1 灰度转换 5

2.2.2 图像的滤波处理 6

2.2.3 形态学图像处理 7

2.2.4 图像分割 7

2.3 边缘检测 7

2.3.1 经典边缘检测法 8

2.3.2 基于卷积神经网络的边缘处理 9

第三章 数字信号处理与模态识别 11

3.1 引言 11

3.2 实验模态分析与模态分析基本理论 11

3.3 频域分析 11

3.3.1 傅里叶变换理论 12

3.3.2 周期信号的三角型Fourier级数 12

3.3.3 周期信号的指数型Fourier级数 13

3.3.4 非周期信号的傅里叶积分表示 14

3.3.5 频域法模态分析的基本原理： 16

3.4 时域识别法 17

3.4.1 ITD法 18

3.4.2 STD法 18

3.4.3 最小二乘复指数法 18

3.4.4 ARMA 模型时间序列分析法 19

3.4.5 随机减量法 19

3.4.6 随机子空间法 19

3.4.7 NEx T 法 20

第四章 试验设计 21

4.1 实验目的 21

4.2 试验模型 21

4.3 有限元模型 22

4.4 试验工况与方案 23

第五章 基于高帧率数字视频的全结构振动响应自动识别技术 25

5.1 视频图像采集与预处理 25

5.2 数字图像边缘检测与动态位移信号提取 26

5.3 实测数据处理 31

5.4 MATLAB算法实现 37

5.4.1 定义主函数 37

5.4.2 计算功率谱密度函数并进行模态分析 37

5.4.3 显示计算结果 37

5.4.4 子函数中的奇异值分解 38

5.4.5 手动选取峰值频率的程序设计 38

5.4.6 计算频率和振型 39

5.5 小结 40

第六章 针对振动响应视频识别结果的模态分析及准确性验证 41

6.1 引言 41

6.2 不同分析方法得到的结构试验模态分析结果 41

6.2.1 Matlab二次开发得到的自振频率与振型 41

6.2.2 使用FFT变换并根据结构动力学原理计算出的自振频率与振型 70

6.3 基于有限元分析的模态分析结果 74

6.4 对比分析与准确性验证 79

第七章 结论与展望 83

7.1 结论 83

7.2 展望 83

参考文献 84

致 谢 86

绪论

本课题的研究背景及意义

自从开始实行改革开放以后，我国花了大力气投入基础设施建设中，建成了很多的大中小型桥梁。这不仅促进了地区经济发展，改善了人民生活水平，还加强了地区之间的沟通，使得我国的交通状况得到了极大的改善。通过最近这几十年的建设和研究，我国在桥梁设计与施工方面已经身处世界前列，建成的一系列大桥和特大桥也在引领者行业的标准。二十一世纪以来，我国又迎来了一波新的桥梁建设高潮，我国建设跨海大桥的帷幕以上海的东海大桥为开端被拉开。在超千米斜拉桥方面，我国的上海卢浦大桥和苏通大桥刷新了世界纪录。为了解决桥面面铺装的持久性不佳的问题，在上海的崇明桥隧工程，使用了连续技术。

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