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岩爆三维运动分析系统

高速摄像机岩爆三维运动分析系统

1 应用背景

岩爆是高地应力区地下洞室开挖过程中岩体突然性破坏的一种自然灾害。它常表现为片状剥落、严重片帮,常常伴有声响及岩片弹射,往往给人员、设备和建筑的安全带来巨大损失。岩爆现象早已引起工程和科学技术人员的重视,已经开展了岩爆机制、发生条件、灾害防治等方面的工作。但是,由于产生岩爆的影响因素较复杂,岩爆的发生机制还不完全清楚。

2 系统介绍

科天健为国内某高校的国家重点实验室开发了岩爆三维运动分析系统,可拍摄和记录岩爆实验过程中的高帧率数字图像,分析岩石碎屑三维运动轨迹,并进行三维动画演示。

系统采用2套AcutEye长时间高速摄像系统组成双目拍摄系统,配置框图如下图1AcutEye系统主要由光学镜头、高速相机和PC存储系统组成。为了保证测量精度,2台相机必须高精度同步拍摄, 科天健自有的同步控制器,可使相机同步时间精度达到1微秒。


图1  系统硬件组成



3 功能特性

1)图像采集:分辨率:1024*1024,帧频:1000fps,拍摄时间:40min

2)自动获取岩爆碎屑的三维运动轨迹、速度、加速度、长度、截面积、体积、质量和动能等信息。

3)测量精度:三维定位精度0.5mm,最小可识别碎屑尺寸为2mm

4)感兴趣目标条件筛选和图像框选。

5)手动测量图像点的三维坐标。

6)保存测量结果文件,三维动画演示轨迹。

4 实验结果展示

以下给出某次岩爆实验测量结果的图片和数据。


图2 立体匹配后的左右像片目标轨迹


图3 不同视角下的目标轨迹三维演示


目标统计信息:

目标总数:250,  轨迹平均点数:28,  总动能:55.31毫焦。

总体积:11641.75mm3,  均值:46.57mm3,  最小:1.57mm3,  最大:1425.14mm3。

总质量:32.597克,  均值:0.130克,  最小:0.004克,  最大:3.990克。

平均长度:5.2mm,  最小:2.1mm,  最大:33.4mm。

平均速度:2.06m/s,  最小:0.30m/s,  最大:10.24m/s。

平均加速度:-2.815m/s2