【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于水下電纜振動測量，特別涉及基于視覺測量的水下電纜三維渦激振動實驗裝置及方法。
技術介紹
1、水下地形和水流環境復雜多變，在電纜下方由于水流波浪等造成的沖刷而經常出現不同類型的懸空段。當水流及波浪經過電纜懸空段時，會在電纜后方形成交替脫落的漩渦。由于漩渦不斷脫落，電纜也會在橫流向受到交替變化的升力的作用，當漩渦脫落頻率即電纜所受升力的頻率與電纜所具有的一階固有頻率接近時，將發生“鎖定”現象。處于頻率鎖定現象時電纜橫流向振動幅值突增，持續的振動易引發電纜的疲勞損傷。
2、相對于真實水環境中管線實驗，在實驗水槽內通過構建模型實驗來研究水下管線渦激振動，縮減了實驗成本和周期，同時也能夠直觀獲取管線的渦激振動動力特性。目前，國內外的水下管線渦激振動模型實驗中的振動測試大多數依賴于應變片、加速度傳感器等接觸式裝置，這些儀器緊貼管道表面隨著管道振動，會改變管道周圍的流場環境和管道本身的屬性，如密度、彈性模量、泊松比、壁面粗糙度等對管道振動起關鍵影響的物理參數。此外大多數渦激振動實驗研究為了簡化模型，將管線運動限制在垂向范圍內，往往忽略了管線的水平運動。
3、然而針對水下電纜這種細長比較大的柔性結構，具有顯著水重和正常阻力的電纜容易下垂，渦激振動過程中水平和垂向雙向耦合強度大，并具有不均勻的多模態動態響應。同時電纜為多層材料所組成的柔性結構，其振動影響因素眾多，其中抗彎剛度是不可忽略的因素，這也使得電纜各層振動的位移和應變不一致，電纜相對于海底管道和立管，其渦激振動特性較為復雜。而采用接觸測量的手段將極大影
技術實現思路
1、本專利技術的目的在于提供基于視覺測量的水下電纜三維渦激振動實驗裝置及方法，以解決采用接觸測量的手段將極大影響電纜周圍漩渦發放過程，破壞原有的流場分布，也使得電纜固有頻率、彈性模量、抗彎剛度等本征參數與實驗設計值產生偏差，進而影響實驗結果的問題。
2、為實現上述目的，本專利技術采用以下技術方案：
3、基于視覺測量的水下電纜三維渦激振動實驗裝置，包括波流水槽、造波造流器、電纜模型、靶點和數據采集裝置；造流器設置在波流水槽內的一端，電纜模型設置在造流器的出口方向，靶點設置在電纜模型上，數據采集裝置設置在電纜模型側面，用于采集電纜模型的振動數據。
4、進一步的，造波造流器的輸出端連接有導流器，用于均布水流。
5、進一步的，波流水槽內的另一端設置有消波裝置，用于消除波浪的反射波。
6、進一步的，電纜模型通過模型支架固定在導流器側面，在電纜模型上在水平和豎直兩側均勻布置紅色矩形的靶點。
7、進一步的，數據采集裝置為兩個防水高幀率攝像機，一個防水高幀率攝像機正對電纜模型下方中間位置，用于觀測電纜橫向振動；另一個防水高幀率攝像機與電纜模型處于同一水平高度，正對電纜模型布置。
8、進一步的，波流水槽內還設置有浪高儀和流速儀器，浪高儀和流速儀器均浸沒于波流水槽的水中，浪高儀用于測量所述波浪面的高度，流速儀與電纜模型處于同一水平高度，用于測量所述波流水槽中水流流速。
9、基于視覺測量的水下電纜三維渦激振動實驗裝置的實驗方法，包括以下步驟：
10、構建電纜模型；
11、采用實驗裝置采集到的靶點圖像數據，進行圖像增強；
12、對視覺增強的圖像進行標定處理，基于靶點中心位移的像素轉換，得到電纜模型水平和豎直的實際位移距離。
13、進一步的，構建電纜模型，具體包括：
14、根據電纜原型計算出電纜原型剛度、設定試驗比尺，得到電纜原型和電纜模型抗彎剛度相似下的模型壁厚，根據模型壁厚制得電纜模，隨后在電纜模型灌入配重物，將電纜兩端密封，得到基于抗彎剛度相似的電纜模型；
15、其中：抗彎剛度相似下的模型壁厚??：
16、取??s、??、??作為基本量，運用??定理進行量綱分析，得電纜抗彎剛度相似準數π；
17、
18、由抗彎剛度相似準數得抗彎剛度比尺
19、
20、式中，??ei為抗彎剛度比尺，??ρ為密度比尺，此處??ρ=1，??g為加速度比尺，重力相似下??g=1，??l為長度比尺；
21、電纜模型抗彎剛度keim由下式計算：
22、
23、式中，??m為模型材料彈性模量；??為模型外徑；??為模型壁厚。
24、由式得：
25、
26、式中，??eip為電纜原型抗彎剛度，??eim為電纜模型抗彎剛度；
27、進一步可得抗彎剛度相似下模型壁厚??：
28、。
29、進一步的，圖像增強：
30、使用retinex算法對圖像進行增強的步驟如下：首先，對原始電纜視覺圖像進行高斯濾波，得到模糊后的圖像；然后，對每個尺度下的模糊圖像進行累加計算；最后，根據權重對累加結果進行加權平均，得到增強的電纜視覺圖像。
31、進一步的，基于靶點中心位移的像素轉換，得到電纜模型水平和豎直的實際位移距離：
32、利用函數返回靶點模板和對應搜索區的像素值，通過代數運算得到每個靶點模板的矩不變量特征值，再于對應的搜索識別區中進行矩不變量特征值的比對，得到與模板匹配的靶點點位置，將靶點中心位移的像素個數換算成實際長度，從而計算得到其電纜水平和豎直的實際距離。
33、與現有技術相比，本專利技術有以下技術效果：
34、本專利技術通過設置所述靶點對所述電纜模型位置標定，通過所述視覺捕捉器捕捉所述靶點的坐標變化，能夠利用計算機程序提取視覺測量的數據，該方式不與所述電纜模型相接觸，不影響所述電纜模型周圍的流場。同時視覺捕捉器浸沒于水中，避免了光線折射，減小了測量誤差結果更加準確。
35、本專利技術克服了傳統實驗法只測量渦激振動管線垂向運動，該裝置能夠實現所述海底電三維渦激振動的測試，能夠測量所述懸浮隧道截斷模型的垂向和橫向位移、振動頻率等物理量，更加接近真實中電纜渦激振動行為。
36、本專利技術基于抗彎剛度相似原理制作電纜模型，電纜模型可以通過控制模型管壁厚度滿足抗彎剛度相似（即ei相似），來達到結構彈性模量相似的效果。
37、采用圖像增強方式對圖像數據進行處理，本專利技術基于retinex理論對視覺數據進行處理，通過模擬人類視覺感知機制來改善圖像的視覺效果，該算法針能夠有效地改善圖像的亮度、對比度和顏色，使圖像更加清晰和鮮明。這意味著在試驗中，能夠有效地改善圖像的亮度、對比度和顏色，使圖像更加清晰和鮮明，從而實現的電纜渦激振動位移有效監測。
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1.基于視覺測量的水下電纜三維渦激振動實驗裝置，其特征在于，包括波流水槽、造波造流器（1）、電纜模型（3）、靶點（4）和數據采集裝置；造流器（1）設置在波流水槽內的一端，電纜模型（3）設置在造流器（1）的出口方向，靶點（4）設置在電纜模型（3）上，數據采集裝置設置在電纜模型（3）側面，用于采集電纜模型（3）的振動數據。
2.根據權利要求1所述的基于視覺測量的水下電纜三維渦激振動實驗裝置，其特征在于，造波造流器（1）的輸出端連接有導流器（2），用于均布水流。
3.根據權利要求1所述的基于視覺測量的水下電纜三維渦激振動實驗裝置，其特征在于，波流水槽內的另一端設置有消波裝置（10），用于消除波浪的反射波。
4.根據權利要求2所述的基于視覺測量的水下電纜三維渦激振動實驗裝置，其特征在于，電纜模型（3）通過模型支架（5）固定在導流器（2）側面，在電纜模型（3）上在水平和豎直兩側均勻布置紅色矩形的靶點（4）。
5.根據權利要求1所述的基于視覺測量的水下電纜三維渦激振動實驗裝置，其特征在于，數據采集裝置為兩個防水高幀率攝像機（6），一個防水高幀率
6.根據權利要求1所述的基于視覺測量的水下電纜三維渦激振動實驗裝置，其特征在于，波流水槽內還設置有浪高儀（7）和流速儀器（9），浪高儀（7）和流速儀器（9）均浸沒于波流水槽的水中，浪高儀（7）用于測量所述波浪面的高度，流速儀（9）與電纜模型（3）處于同一水平高度，用于測量所述波流水槽中水流流速。
7.基于視覺測量的水下電纜三維渦激振動實驗裝置的實驗方法，其特征在于，基于權利要求1至6任意一項所述的實驗裝置，包括以下步驟：
8.根據權利要求7所述的基于視覺測量的水下電纜三維渦激振動實驗裝置的實驗方法，其特征在于，構建電纜模型，具體包括：
9.根據權利要求7所述的基于視覺測量的水下電纜三維渦激振動實驗裝置的實驗方法，其特征在于，圖像增強：
10.根據權利要求7所述的基于視覺測量的水下電纜三維渦激振動實驗裝置的實驗方法，其特征在于，基于靶點中心位移的像素轉換，得到電纜模型水平和豎直的實際位移距離：
...【技術特征摘要】
1.基于視覺測量的水下電纜三維渦激振動實驗裝置，其特征在于，包括波流水槽、造波造流器（1）、電纜模型（3）、靶點（4）和數據采集裝置；造流器（1）設置在波流水槽內的一端，電纜模型（3）設置在造流器（1）的出口方向，靶點（4）設置在電纜模型（3）上，數據采集裝置設置在電纜模型（3）側面，用于采集電纜模型（3）的振動數據。
2.根據權利要求1所述的基于視覺測量的水下電纜三維渦激振動實驗裝置，其特征在于，造波造流器（1）的輸出端連接有導流器（2），用于均布水流。
3.根據權利要求1所述的基于視覺測量的水下電纜三維渦激振動實驗裝置，其特征在于，波流水槽內的另一端設置有消波裝置（10），用于消除波浪的反射波。
4.根據權利要求2所述的基于視覺測量的水下電纜三維渦激振動實驗裝置，其特征在于，電纜模型（3）通過模型支架（5）固定在導流器（2）側面，在電纜模型（3）上在水平和豎直兩側均勻布置紅色矩形的靶點（4）。
5.根據權利要求1所述的基于視覺測量的水下電纜三維渦激振動實驗裝置，其特征在于，數據采集裝置為兩個防水高幀率攝像機（6），一個防水高幀率攝像機（6）...
【專利技術屬性】
技術研發人員：黃賢濤，李勝首，趙斌，黃惠明，
申請(專利權)人：大唐水電科學技術研究院有限公司，
類型：發明
國別省市：
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