CN101718529B - 多光束形变检测装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种多光束形变检测装置，由探测器、数字信号处理器DSP、电脑PC、激光器组和棱镜反射靶标组成，棱镜反射靶标安装在待测点，探测器和激光器组安装在测量点，通过调整激光器组，使其发射的激光束组经棱镜反射靶标反射后，在探测器上形成重叠光斑，利用光电跟踪宏像素迭代质心法确定重叠光斑的质心，通过质心偏移距离进一步确定待测点形变。本发明的显著效果是：能有效避免环境变化、空气湍流和杂散光的影响，测量数据准确，检测精度高，且结构简单，成本低，操作方便，能实现长期在线监测。

Description

多光束形变检测装置及其使用方法

技术领域

本发明属于形变测量领域，具体是一种通过测量多束激光的光斑移动情况来检测待测点形变的装置及其使用方法。

背景技术

检测桥梁等现代化大型建筑的下沉及其移动，在现代路桥建筑中起着重要的作用。采用光学方法可实现桥梁挠度高精度实时检测。在光学方法中，激光法、激光图像法和光电成像法是比较重要的三种方法。

重庆大学刘念东等人采用激光法测量桥梁挠度：利用激光良好的方向性，固定在桥梁被测点的激光器随着桥梁的挠度变化，照射在CCD上的激光光斑中心也随之发生改变，通过获取光斑的中心位置来得到桥梁的挠度变化。

重庆大学董辉等人采用激光图像法测量桥梁挠度：激光器固定在桥梁被测结构上，从激光器发出的准直激光束照射在远处固定的半透射接收屏上形成一个圆形光斑，面阵CCD摄像机置于靠近接收屏的正后方。一旦被测结构在外界环境影响下沿竖直方向发生了位移，通过计算机计算出光斑在接收屏上中心位置的变化量，就能够反映出桥梁在该测点的挠度变化。

西安电子科技大学杨继红等人采用条码标尺测试靶的光电成像法测挠度：在桥梁的测试点上安装一个条码标尺测试靶，通过光学系统把编码标尺的中心位置在线阵CCD器件的光敏面上形成光学图像。连续摄取并测量多幅CCD图像，通过分析各测量黑白条的边沿相对于中央定位白条的初始位置的变化，便可绘制出桥梁动态振动曲线。

但是由于容易受背景杂散光的影响，激光法、激光图像法和光电成像法只在距离较近和天气情况良好的场合中效果明显，其它情况的高精度检测无法实现。同时，由于对桥梁挠度无法长期在线监测，为桥梁检测的实时预防和准确检测带来一定的障碍。

现有形变检测装置和方法的缺点：受天气变化和空气湍流影响大，检测精度不高，无法长期在线监测。

发明内容

本发明的目的是提供一种不易受环境变化、空气湍流和杂散光干扰、检测精度高、且能长期在线监测的多光束形变检测装置及其使用方法。

为达到上述目的，本发明所述的一种多光束形变检测装置，包括探测器、数字信号处理器DSP和电脑PC，所述探测器由光学天线和光电图像传感器CCD组成，该光学天线的光学信号输出端连接所述光电图像传感器CCD的光学信号输入端，该光电图像传感器CCD的数据输出端连接所述数字信号处理器DSP的数据输入端，该数字信号处理器DSP的数据输出端连接所述电脑PC的数据输入端；

其关键在于：还包括棱镜反射靶标和激光器组，其中，所述棱镜反射靶标由第一棱镜面和第二棱镜面组成，所述激光器组由n个激光器组成，该激光器组发射的激光束组经所述第一棱镜面反射给所述第二棱镜面，再经该第二棱镜面反射后，汇聚到所述光学天线上。

准直后的多个LD激光束传输到棱镜反射靶标后，经过棱镜反射靶标反射，通过探测器的光学天线接收后，再传输到探测器的CCD上成像，经图像处理技术即可得到光斑的位置。多光束传输技术是一种非相干光束叠加技术，增加激光源数量，利用多光束传输的方式，可有效避免天气或湍流的影响，使获得的光斑位置更加准确，检测精度更高。

所述n个激光器对称排布在同一圆周上，每个激光器输出光线向该圆周中心线聚集，且每个激光器输出光线与该圆周中心线的夹角为β；其中，所述圆周中心线与所述圆周平面垂直且过该圆周的圆心。

所有激光器的激光投射方向一致，否则会影响测量精度。这里可使用三个对称排布在圆周上的激光器，但仍会受到天气等诸多因素影响，测量效果较差；也可使用五个以上对称排布在圆周上的激光器，但是增加了不必要的成本。所以，选择4个成对称排布的激光器是最合适的，即能达到良好的测量精度，又能有效控制成本。

所述第一棱镜面和第二棱镜面之间的夹角为α。

所述激光器组发射的激光束组经所述棱镜反射靶标反射后，汇聚到所述探测器上形成重叠光斑。

必须经过准确的光学设计，确保所有激光器的激光投射方向一致，保证反射后投射到探测器上的激光束光斑都能重合。

多光束形变检测装置的使用方法，其关键在于：按照以下步骤进行：

步骤一，安装所述多光束形变检测装置，其中棱镜反射靶标安装在待测点，所述探测器和激光器组安装在测量点；

步骤二，在所述探测器上获取所述重叠光斑；

步骤三，利用光电跟踪宏像素迭代质心法确定所述重叠光斑的质心；“光电跟踪宏像素迭代质心法”是本发明人于2008年12月30日申请的一项发明专利(申请号：200810237295.9)，该方法迭代环节少、计算量小、定位速度快、抗噪声能力强、目标像素覆盖率高、定位精度高、误差小，适用于低信噪比非对称光斑图像的高精度定位。

步骤四，当待测点出现形变干扰后，获取所述重叠光斑质心的移动距离H；

步骤五，确定所述待测点的形变Δy，其表达式为： $\mathrm{\Δy}=\frac{H}{2k\·\mathrm{tg}(\mathrm{\α}/2)},$ 其中，k为探测器接收参数，α为所述棱镜反射靶标的两个反射面之间的夹角。

利用多光束传输技术得到的重叠光斑不会受到湍流和天气的影响，重叠光斑质心移动的距离真实的反映出待测点形变的变换情况，利用此方法测得的形变更加准确，精度更高。

所述待测点和测量点之间的光场距离L的选取范围为：L₀≤2L≤L₀+ΔL，其中，L₀为所述激光器组发射的激光束光场的近场区域，ΔL为该激光束光场的远场区域。

距离光源不同位置处的光场分布不一样，在近场区域L₀，光场是不连续分布的四个光斑图像，在远场区域ΔL，光场是一个连续分布的重叠光斑图像，要使探测器处于远场区域，这时获得的多个光斑图像将有效重合，有利于重叠光斑质心的确定，使测得的质心位移更加准确，测量精度更高。

本发明的显著效果是：能有效避免环境变化、空气湍流和杂散光的影响，测量数据准确，检测精度高，且结构简单，成本低，操作方便，能实现长期在线监测。

附图说明

图1为多光束形变检测装置的结构图；

图2为激光器组的排布位置图；

图3激光器的激光投射示意图；

图4为激光器组光场分布的示意图；

图5为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1，将本发明提供的多光束形变检测装置，应用到桥梁形变检测上：

如图1所示，多光束形变检测装置，由探测器1、棱镜反射靶标2和激光器组3组成，将探测器1和激光器组3安装在岸边，将棱镜反射靶标2安装在桥的主梁的下表面，棱镜反射靶标2的两个反射面之间的夹角α＝64°。激光器组3发射的激光束组经棱镜反射靶标2的第一棱镜面反射给棱镜反射靶标2的第二棱镜面，经第二棱镜面反射后，被光学天线4接收，并在光电图像传感器CCD上形成一重叠光斑，数字信号处理器DSP将CCD中的重叠光斑信息取出，采用光电跟踪宏像素迭代质心法对图像数据进行处理，并将结果输出给电脑PC显示。

如图2所示，激光器组3由4个激光器组成，对称排布在圆周上，该圆周的直径2R＝10cm。

如图3所示，4个激光器输出光线向该圆周中心线聚集，且每个激光器输出光线与该圆周中心线的夹角β＝0.3°；其中，所述圆周中心线与所述圆周平面垂直且过该圆周的圆心。

如图4所示，激光器组3发射的激光束光场的近场区域L₀＝960m，在近场区域内，光斑不重叠，激光束光场的远场区域ΔL＝40m，在远场区域内，光场是一个连续分布的重叠光斑图像。所以，在安装多光束形变检测装置时，需要仔细调整激光器组3的角度β，使探测器1安装在远场区域内。由于本发明中，探测器1和激光器组3安装在同一位置，故待测点和测量点之间的光场距离L的选取范围为：960m≤2L≤1000m。

如图5所示，多光束形变检测装置的使用方法，其特征在于：按照以下步骤进行：

安装多光束形变检测装置，其中棱镜反射靶标2安装在桥的主梁的下表面，所述探测器1和激光器组3安装在岸边的测量点；

打开多光束形变检测装置的激光器，经反射后，将在多光束形变检测装置的探测器1上形成重叠光斑；

采用光电跟踪宏像素迭代质心法确定重叠光斑的质心；

待车辆通过大桥，待测点出现挠度干扰后，获取重叠光斑的质心在竖直方向上的移动距离H。

确定桥梁的挠度Δy，其表达式为： $\mathrm{\Δy}=\frac{H}{2k\·\mathrm{tg}(\mathrm{\α}/2)},$ 其中，k为探测器接收参数。通过对桥梁的挠度的测量，判断桥梁是否存在安全隐患，如果桥梁挠度超出了正常范围，则需对桥梁进行检修。

实施例2，将本发明提供的多光束形变检测装置，应用到山体滑坡检测上：在待测山顶安装棱镜反射靶标2，在测量点安装探测器1和激光器组3，激光器组3发射的激光束组经棱镜反射靶标2反射后，在探测器1上形成重叠光斑，采用光电跟踪宏像素迭代质心法确定重叠光斑的质心。经过3-6个月或更长时间，待测点出现形变干扰后，获取重叠光斑的质心的移动距离H，确定山体待测点形变，进而确定山体的形变情况。如果山体发生了较大的变化，则需采取相应的滑坡预防措施。

其工作情况如下：将棱镜反射靶标2安装在待测点，将探测器1和激光器组3安装在测量点；调整激光器组3，使激光器组3发射的激光束组经棱镜反射靶标2反射后，在探测器1上形成重叠光斑；在数字信号处理器DSP中利用光电跟踪宏像素迭代质心法确定重叠光斑的质心，并通过重叠光斑的质心在竖直方向移动的距离H确定待测点的形变Δy，并在电脑PC上显示检测结果。

Claims (6)

1.一种多光束形变检测装置，包括探测器(1)、数字信号处理器DSP和电脑PC，所述探测器(1)由光学天线(4)和光电图像传感器CCD组成，该光学天线(4)的光学信号输出端连接所述光电图像传感器CCD的光学信号输入端，该光电图像传感器CCD的数据输出端连接所述数字信号处理器DSP的数据输入端，该数字信号处理器DSP的数据输出端连接所述电脑PC的数据输入端；

其特征在于：还包括棱镜反射靶标(2)和激光器组(3)，其中，所述棱镜反射靶标(2)由第一棱镜面和第二棱镜面组成，所述激光器组(3)由n个激光器组成，该激光器组(3)发射的激光束组经所述第一棱镜面反射给所述第二棱镜面，再经该第二棱镜面反射后，汇聚到所述光学天线(4)上。

2.根据权利要求1所述的多光束形变检测装置，其特征在于：所述n个激光器对称排布在同一圆周上，每个激光器输出光线向该圆周中心线聚集，且每个激光器输出光线与该圆周中心线的夹角为β；其中，所述圆周中心线与所述圆周平面垂直且过该圆周的圆心。

3.根据权利要求1所述的多光束形变检测装置，其特征在于：所述第一棱镜面和第二棱镜面之间的夹角为α。

4.根据权利要求1所述的多光束形变检测装置，其特征在于：所述激光器组(3)发射的激光束组经所述棱镜反射靶标(2)反射后，汇聚到所述探测器(1)上形成重叠光斑。

5.如权利要求4所述的多光束形变检测装置的使用方法，其特征在于：按照以下步骤进行：

步骤一，安装所述多光束形变检测装置，其中棱镜反射靶标(2)安装在待

测点，所述探测器(1)和激光器组(3)安装在测量点；

步骤二，在所述探测器(1)上获取所述重叠光斑；

步骤三，利用光电跟踪宏像素迭代质心法确定所述重叠光斑的质心；

步骤四，当待测点出现形变干扰后，获取所述重叠光斑质心的移动距离H；

步骤五，确定所述待测点的形变Δy，其表达式为：其中，k为探测器接收参数。

6.根据权利要求5所述的多光束形变检测装置的使用方法，其特征在于：所述待测点和测量点之间的光场距离L的选取范围为：L₀≤2L≤L₀+ΔL，其中，L₀为所述激光器组(3)发射的激光束光场的近场区域，ΔL为该激光束光场的远场区域。 

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