CN101430198B - 一种无衍射光电子光靶 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无衍射光电子光靶，包括依次位于光轴上的平顶角锥棱镜(1)、滤光片(2)、圆锥透镜(3)和CCD图象传感器(4)，从平顶角锥棱镜以角度α入射的平行光束，依次透过平顶角锥棱镜、滤光片、圆锥透镜后，成为同心光环形状的无衍射光，并投射在CCD图象传感器上，根据同心光环中心的位置，可以测量入射光的角度α。再结合固定于镜筒(9)上的倾角计(7)测出的倾斜角和滚动角，就可以确定本无衍射光电子光靶的完整方位角。由于是采用数字图象处理方法确定同心光环的位置，相对于用光强重心法。本发明有更好的抗环境光干扰能力，以及更高的相对测量分辨率。本发明可用于隧道盾构施工中的掘进机姿态角测量，也可用于其他类似场合的方位角测量。

Description

一种无衍射光电子光靶

技术领域

本发明属于方位角测量装置，具体涉及一种无衍射光电子光靶，可在地铁隧道、公路隧道等盾构施工中用于掘进机的导向测量。

背景技术

盾构隧道掘进技术是地下暗挖隧道的一种工程建设技术，它是利用特有的盾壳作为支护，防止地层的坍塌，以保证在其内部安全地进行开挖和衬砌等各种作业。盾构机分软土隧道掘进机和岩石隧道掘进机。随着隧道长度的增加，隧道曲线复杂程度也不断增加，为确保隧道的贯通精度，隧道施工中掘进机定位导向技术也相应得到发展，其中包括激光定向技术和陀螺仪定向技术。

目前在盾构施工中实际使用的导向系统有三种产品：陀螺仪、ZED导向系统和VMT导向系统。它们的原理不同，但都能测量盾构机施工过程中的姿态，即盾构的俯仰角、滚动角和水平摆角。

陀螺仪的基本结构是一个高速旋转的转子和各自分别固定在两个轴承上的两个框架。在没有外力矩的情况下，高速旋转的转子的角动量的大小和方向在惯性空间中保持不变。当陀螺仪固定在盾构掘进机上时，就能实时显示掘进机的方位角。陀螺仪的缺点是时滞较大，且结构重心的偏离和轴承的摩擦力所引起的力矩，会使陀螺仪的方位产生漂移。

ZED导向系统由英国ZED公司生产，它是个具有透明屏幕的长方形盒子，用来接收来自激光经纬仪的激光束，它能测量激光束照射在其靶面上的位置和入射角度。该导向系统安装在盾构前部的托架上，可以每隔50mm间距水平移动，也可以3°的角度转动，因此能覆盖更大的目标区域。其工作原理为：激光束通过前部透明屏幕进入目标单元(部分散射)，部分光击中安装在单元底部和侧面的传感器，传感器可以探测光束进入屏幕时的位置；其余的光束通过透镜到达安装在轴心上的传感器，此传感器装在单元的后部，用来测量光束的倾角。后部的传感器与前部透明屏幕距离较大。从传感器出来的信号被转换成电信号，并通过单元后部的电缆输入到控制单元。

VMT导向系统由德国VMT公司生产。电子激光系统ELS固定在盾体上，它接收到入射激光束时，在水平及垂直方向上确定入射点的位置，从而确定水平摆角。另外，其内部倾角计测量滚动角与俯仰角。其工作原理：ELS内部与ELS前面板平行的是所谓的“阴屏”。当给ELS通电以后，阴屏就会转动。阴屏之间有空隙所以能够透光。阴屏转动所处的角度的不同，当激光束入射在阴屏上时，透过的光多少不一。在阴屏的背后是光敏感电子元件，激光射到这些电子元件上从而测出入射激光的强度。当激光的强度达到最大值时，此时“阴屏”所处的角度被记录下来。这个位置的角度与激光束在ELS靶上的入射角(水平摆角)精确吻合。在ELS靶内置两个倾角计，分别测出隧道掘进机的滚动角和仰俯角。该导向系统每2秒输出一次数据。ELS靶和全站仪之间距离通过光电全站仪测定，为此在ELS靶上安装有一个反射棱镜。

专利文献“隧道掘进施工导向系统的电子激光靶”(公开号：CN1560434A，公开日为2005年1月5日)也提出一种方位角测量装置，它是由平顶角锥棱镜、平凸透镜、位置敏感传感器PSD、处理电路组成，其原理是直接利用全站仪的测距激光，透过平顶角锥棱镜顶点处磨平的小平面，经透镜后聚焦到焦平面处的PSD上，则其在PSD上的位置直接与测距激光的方位角对应，据此可测出测距激光的入射方位角。该技术方案的角度测量是通过测量聚焦在位置敏感传感器PSD或CCD上的光斑的重心位置来实现的，这种方法有以下缺点，一是背景光也必然加入到光强度的位置平均计算中来，因此，背景光的方向和强弱必然会影响光斑重心位置的测量结果，从而造成误差；二是实际透镜焦点光斑的强度分布必然受各种像差的影响，因此，光焦斑的能量较分散，当入射光在入射光栏上的分布发生不均匀变化时，光焦斑上的能量分布也将发生相应的变化，从而也将导致测量误差。

发明内容

本发明提供一种无衍射光电子光靶，该电子光靶具有较强的抗环境光干扰能力，以及较高的相对测量分辨率。

本发明提供的无衍射光电子光靶，其特征在于：它包括平顶角锥棱镜、滤光片、圆锥透镜和CCD图象传感器；

平顶角锥棱镜为顶点部位削有一个小平面的角锥棱镜，且该平面与平顶角锥棱镜的入射平面平行；

平顶角锥棱镜、滤光片、圆锥透镜和CCD图象传感器沿同一轴向依次布置，CCD图象传感器的光敏面与圆锥透镜的轴线垂直；；

圆锥透镜的锥角θ、圆锥透镜的顶点到CCD图象传感器光敏面的距离L和平顶角锥棱镜的小平面的边长h1分别满足下式(I)、(II)和(III)的要求：

λ/[2(n-1)θ]＞10ε                (I)

Lω＜A                             (II)

$h1\×\frac{\sqrt{3}}{6}>1+d\×\tan (\mathrm{\ω}/2)---\left(\mathrm{III}\right)$

其中，λ为入射光的波长，n为圆锥透镜的折射率，ε为CCD图象传感器的像素尺寸，d为平顶角锥棱镜的小平面到圆锥透镜顶点的距离，ω是本无衍射光电子光靶入射光视场角的变化范围，A是CCD图象传感器光敏面的的宽度。

本发明的无衍射光电子光靶，在图像传感器CCD 上所投射的不是一个光点，而是一个由一系列等间隔同心光环所组成的图案，在用数据处理器采集了该图案后，要用数字图像处理的方法来确定该同心光环图案的结构中心，而不是用求全部图案光强重心的方法，因此，只要背景光不淹没光环，从而影响每一个光环位置的判断，就不会影响最后中心的计算精度，因此，本发明具有更高的抗环境光干扰能力。同时，由于本发明在计算光环整体中心位置坐标的过程中，利用了大量光环的位置数据，因此，由这许多光环数据来确定它们的共同中心将具有更高的精度和抗各种干扰的稳定性，可以达到亚像素的分辨率，从而在相同的CCD像素数条件下，本系统可以达到更高的测量精度。

附图说明

图1为本发明的光学原理图；

图2为平顶角锥棱镜的结构示意图；

图3为圆锥透镜的结构示意图；

图4为本发明的一种实施例系统示意图。

具体实施方式

本发明的方位角测量装置的光学原理是：图1中任一角度α入射的平行光束，透过平顶角锥棱镜顶点部位的小平面后，成为较窄的一束平行光；该平行光通过滤光片和圆锥透镜后，成为无衍射光；无衍射光在CCD平面上的投影，是一系列同心光环，光环中心的位置h由入射光的角度α决定，光环中心的位置h可以用数字图象处理的软件方法求取，从而可以测得入射光的角度α＝arctan(h/L)，L是圆锥透镜顶点到CCD平面的距离。

平顶角锥棱镜顶点部位的小平面与平顶角锥棱镜的入射面平行，两个面构成一个玻璃平板。

滤光片的作用是有选择地透过特定波长的激光，而将其他波长的背景光阻挡滤除，并且减弱激光束入射到CCD上的强度，使CCD输出信号不失真。

为了同心光环的数字图像处理的需要，圆锥透镜的锥角θ要满足：

λ/[2(n-1)θ]＞10ε        (I)

其中，n为圆锥透镜的折射率，ε为CCD的像素尺寸，这样，CCD上的同心光环的间隔就大于10个CCD像素ε。

L要满足：

Lω＜A            (II)

其中，ω是本无衍射光电子光靶入射光视场角的量程变化范围，A是CCD的宽度。

为了在入射光视场角变化范围内，圆锥透镜的顶点都处于光束内，且距光束边缘的距离大于1mm，平顶角锥棱镜的小平面的边长h1要满足：

$h1\×\frac{\sqrt{3}}{6}>1+d\×\tan (\mathrm{\ω}/2)---\left(\mathrm{III}\right)$

d为平顶角锥棱镜的小平面到圆锥透镜顶点的距离。

结合入射光的角度α和倾角计测得的掘进机的倾斜角和滚动角，本发明的方位角测量装置就可以计算掘进机前部中心的位置坐标，从而判断其与理论设计隧道曲线的偏差，并反馈给控制操作人员调整掘进方向。

在图1中，通过平顶角锥棱镜1的任一角度α入射的平行光束，透过平顶角锥棱镜顶点部位的小平面5后，再通过滤光片2、圆锥透镜3，投射到CCD图象传感器4上，其光斑是一系列同心光环，光环中心的位置h由入射光的角度α决定，光环中心的位置h可以用数字图象处理的软件方法求取，从而可以计算入射光的角度α＝arctan(h/L)。

在图2中，平顶角锥棱镜的b1、b2、b3三条棱边两两垂直且等长；q1、q2、q3三条棱边等长且构成平顶角锥棱镜入射面1，激光由此面入射；h1、h2、h3三条棱边构成平顶角锥棱镜顶点处的小平面5，小平面5与入射面1平行，激光由此面出射，因此，出射光与入射光平行。

在图3中，N为圆锥透镜底面，M为圆锥透镜锥面，θ为圆锥透镜母线和底面的夹角。

下面通过借助实施例将更加详细说明本发明，且以下实施例仅是说明性的，本发明并不受这些实施例的限制。

如图4所示，本发明电子光靶包括平顶角锥棱镜1、滤光片2、圆锥透镜3、CCD图象传感器4、倾角计7和数据处理器8。

镜筒9置于机箱6内；平顶角锥棱镜1前方机箱6侧面上有一窗口玻璃平板10，窗口玻璃平板10用于透过激光，同时避免机箱外部的潮气和尘埃进入机箱内部，以保护机箱内部的设备；平顶角锥棱镜1、滤光片2、圆锥透镜3位于镜筒9内，CCD图象传感器4位于镜筒9的末端，平顶角锥棱镜1、滤光片2、圆锥透镜3和CCD图象传感器4沿镜筒9轴向依次布置；平顶角锥棱镜1为顶点部位削有一个小平面的角锥棱镜，且该平面与平顶角锥棱镜1的入射平面平行；CCD图象传感器4的光敏面与圆锥透镜3的轴线垂直；倾角计7固定安装在镜筒9外壁上。数据处理器8分别与CCD图象传感器4及倾角计7相连，用于计算光环的中心和电子光靶的方位角。

平顶角锥棱镜顶点部位的小平面与平顶角锥棱镜的入射面平行，两个面构成一个玻璃平板。滤光片的作用是有选择地透过特定波长的激光，而将其他波长的背景光阻挡滤除，并且减弱激光束入射到CCD上的强度，使信号不失真。

在上述结构中，圆锥透镜的锥角θ、圆锥透镜顶点到CCD平面的距离L和平顶角锥棱镜的小平面的边长h1分别满足上式(I)、(II)和(III)的要求，因此，CCD上的同心光环的间隔大于10个CCD像素ε实例：

平顶角锥棱镜的边长80mm；平顶角锥棱镜的小平顶边长h1＝10mm；滤光片的孔径φ20，透过率＝1％；圆锥透镜的孔径φ20，锥角θ＝0.001弧度，材料为有机玻璃；圆锥透镜到CCD距离L＝32mm；CCD像素1300×1200，单元像素尺寸4.7μm；倾角计选用型号：数字输出双轴倾角传感模块NS-15/PL2；数据处理器采用计算机。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种无衍射光电子光靶，其特征在于：它包括平顶角锥棱镜(1)、滤光片(2)、圆锥透镜(3)和CCD图象传感器(4)；

平顶角锥棱镜(1)为顶点部位削有一个小平面的角锥棱镜，且该平面与平顶角锥棱镜(1)的入射平面平行；

平顶角锥棱镜(1)、滤光片(2)、圆锥透镜(3)和CCD图象传感器(4)沿同一轴向依次布置，CCD图象传感器(4)的光敏面与圆锥透镜(3)的轴线垂直；圆锥透镜的锥角θ、圆锥透镜(3)的顶点到CCD图象传感器光敏面的距离L和平顶角锥棱镜的小平面的边长h1分别满足下式(I)、(II)和(III)的要求：

λ/[2(n-1)θ]＞10ε    (I)

Lω＜A                 (II)

$h1\×\frac{\sqrt{3}}{6}>1+d\×\tan (\mathrm{\ω}/2)---\left(\mathrm{III}\right)$

其中，λ为入射光的波长，n为圆锥透镜的折射率，ε为CCD图象传感器的像素尺寸，d为平顶角锥棱镜的小平面到圆锥透镜顶点的距离，ω是本无衍射光电子光靶入射光视场角的变化范围，A是CCD图象传感器光敏面的宽度。

2.根据权利要求1所述的无衍射光电子光靶，其特征在于：它还包括机箱(6)、倾角计(7)、数据处理器(8)和镜筒(9)；

镜筒(9)置于机箱(6)内，平顶角锥棱镜(1)、滤光片(2)、圆锥透镜(3)位于镜筒(9)内，倾角计(7)固定安装在镜筒(9)的外壁上；数据处理器(8)分别与CCD图象传感器(4)及倾角计(7)相连，计算光环中心的位置和电子光靶的方位角。

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