CN101975566A - 一种路基表面沉降远程多点监测系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种路基表面沉降远程多点监测系统与方法，属于光学和几何位置测量领域。该系统包括中央处理单元和基准光源装置为源节点、多个位于被测点带光源的路基表面沉降远程监测装置为节点的链状结构。该方法采用每个监测装置测得前一个装置的相对沉降，累计得到该装置相对基准光源装置的相对沉降，再将基准光源装置溯源到国家水准点，得到被测点的绝对沉降。精度要求高时，可增加可溯源的误差补偿装置构成闭环测量，对累积误差进行修正。本发明测量时无需机械位移，耗电量低，适于野外无交流供电的环境；通过链状结构，实现远距离观测点溯源，易于建立统一测量基准；通过闭环方式，对测量中的累积误差进行修正，提高测量精度。

Description

一种路基表面沉降远程多点监测系统与方法

技术领域

本发明属于光学测量和几何位置测量技术领域，涉及一种路基表面沉降远程多点监测系统与方法。

背景技术

路基沉降测量在轨道安全检测及监测中起着重要作用。目前用于测量道路路基沉降观测装置主要有水杯沉降仪、沉降板测量装置、剖面沉降仪、PVC管沉降仪、磁环沉降仪等。以上现有技术普遍存在以下三个主要缺点：第一依靠人工测量或纪录，测量效率低，检测精度低；第二选择基准点时，稳定性和低成本不能兼得；第三测量不能远程监控，也不能进行自动测量。

《一种利用激光远程测量路基沉降的装置与方法》(专利号：ZL200810222753.1)。该发明使用激光自动测量路基的沉降，并将测量数值通过无线通信网络传送到中央处理单元，从而实现对观察点路基沉降的远程监测。但该装置与方法仍然存在以下问题：

基于成像原理，测量前需要人工标定成像倍率，而实际施工过程中，精确测量成像物距有一定难度，得到的成像倍率与实际成像倍率存在一定的偏差，影响测量结果；目标与测量装置一对一测量，测量成本偏高；光源强度不可调、光电器件的动态范围较小，难以消除杂散光，制约着该装置的适用范围。

《一种自适应扫描路基沉降远程监测装置与方法》(申请号：200810222753.1)。该发明自动标定成像倍率、自动调制探测器或调节探测目标消除杂散光对测量的影响、通过扫描利用一个探测器测量多个目标，实现可溯源且有统一标准的路基沉降远程自动测量。但该装置与方法仍然存在以下问题：

电动旋转台耗电量较大，不宜在无交流电供电条件下使用，且扫描装置成本较高，大量布点存在困难。

发明内容

本发明的目的是，针对目前已发明的路基沉降测量装置及方法中存在的缺陷，提出一种新的路基表面沉降远程多点监测系统与方法。

为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案：

一种路基表面沉降远程多点监测系统，由基准光源装置、多个带光源的路基表面沉降远程监测装置和中央处理单元组成，基准光源装置和带光源的路基表面沉降远程监测装置共用同一个中央处理单元，中央处理单元以有线或无线方式与其进行连接；其特征在于：本发明的多点监测系统包括位于路基沉降变形区以外的一个基准光源装置作为源节点、多个带光源的路基表面沉降远程监测装置作为节点的链状结构；

其中基准光源装置由光源和固定观察桩组成，光源安装在固定观察桩上，固定观察桩埋设在路基沉降变形区以外，不发生沉降或者其沉降量小于被测点沉降量百分之五的地点；带光源的路基表面沉降远程监测装置由带光源的沉降测量单元和沉降检测桩组成，带光源的沉降测量单元安装在沉降检测桩上，沉降检测桩埋设在待测点处。

带光源的沉降测量单元包括窗口玻璃、成像透镜、光电位置探测器、信号处理电路、电源模块、通信模块、安装盒；所述窗口玻璃与成像透镜嵌入安装盒前壁，且窗口玻璃光轴与成像透镜光轴重合；所述光电位置探测器固定于信号处理电路上；所述信号处理电路、电源模块、通信模块都固定于安装盒内；所述信号处理电路分别与电源模块、通信模块连接；带光源的沉降测量单元还包括第三点光源、第四点光源；所述第三点光源、第四点光源垂直相距Dⁱ嵌入安装盒后壁；所述信号处理电路分别与电源模块、通信模块、第三点光源、第四点光源连接。

一种路基表面沉降远程多点监测方法一，其特征在于所述方法包括以下步骤：

步骤一，安装：在路基沉降观测路段附近不发生沉降或者其沉降量小于被测点沉降量百分之五的地点的地方设置基准光源装置，在该路段以链状结构设置多个带光源的路基表面沉降远程监测装置；调整与基准光源装置最近的带光源的路基表面沉降远程监测装置，使基准光源装置的第一点光源、第二点光源透过成像透镜在光电位置探测器上成像时，成像关系满足近轴条件；调整其他带光源的路基表面沉降远程监测装置，使与其对应的前一个监测装置的第三点光源和第四点光源透过该装置的成像透镜在光电位置探测器上成像时，成像关系满足近轴条件；

步骤二，溯源：用全站仪或其他高精度仪器测量基准光源与邻近国家水准点的高度差，得到基准光源的绝对高度SH₀；

步骤三，标定：与基准光源装置最近的带光源的沉降测量单元Ⅰ₁测得基准光源装置的第一点光源、第二点光源像点的初始位置S₁₁、S₁₂；已知第一点光源与第二点光源相距D₁，得放大率A₁＝(S₁₁-S₁₂)/D₁；其他带光源的沉降测量单元Ⅰ_i测得与之对应的前一沉降测点单元的第三点光源、第四点光源像点的初始位置S_i1、S_i2；已知第三点光源、第四点光源距离D_i，得放大率A_i＝(S_i1-S_i2)/D_i；

步骤四，测量：与基准光源装置最近的带光源的沉降测量单元Ⅰ₁测得基准光源装置的第一点光源、第二点光源像点的实时位置S′₁₁或S′₁₂；由放大率A₁可得第一点光源或第二点光源相对带光源的沉降测量单元Ⅰ₁的实时高度差h₁₁＝A₁·(S′₁₁-S₁₁)或h₁₂＝A₁·(S′₁₂-S₁₂)，其中h₁₁＝h₁₂；其他带光源的沉降测量单元Ⅰ_i测得与之对应的前一个监测装置的第三点光源、第四点光源像点的实时位置S′_i1或S′_i2；由放大率A_i可得第三点光源或第四点光源相对带光源的沉降测量单元Ⅰ_i的实时高度差h_i1＝A_i·(S′_i1-S_i1)或h_i2＝A_i·(S′_i2-S_i2)，其中h_i1＝h_i2；

步骤五，计算沉降：基准光源作为基准点，第i个带光源的沉降测量单元Ⅰ_i相对于基准点的沉降

或

在对测量精度要求高的情况下，所述系统还包括设置在沉降变形区外的多个误差补偿装置；所述误差补偿装置包括固定观察桩和误差补偿单元；所述每一个误差补偿单元以链状结构中的不同的带光源的沉降测量单元的第三点光源、第四点光源作为测量目标；所述光源、一个误差补偿单元以及之间的链状结构中包括的多个带光源的沉降测量单元构成一个闭环测量回路；误差补偿单元与闭环测量回路数量相等。采用误差补偿装置所获得的测量精度误差小于多个带光源的沉降测量单元的累积误差。误差补偿单元包括窗口玻璃、成像透镜、光电位置探测器、信号处理电路、电源模块、通信模块、安装盒；所述窗口玻璃与成像透镜嵌入安装盒前壁，且窗口玻璃光轴与成像透镜光轴重合；所述光电位置探测器固定于信号处理电路上；所述信号处理电路、电源模块、通信模块都固定于安装盒内，且信号处理电路分别与电源模块、通信模块连接。

采用误差补偿装置后的路基表面沉降远程多点监测方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

步骤一，安装：在路基沉降观测路段附近不发生沉降或者其沉降量小于被测点沉降量百分之五的地点设置基准光源装置与多个误差补偿装置，在该路段以链状结构设置多个带光源的路基表面沉降远程监测装置；调整与基准光源装置最近的带光源的路基表面沉降远程监测装置，使基准光源装置的第一点光源、第二点光源透过成像透镜在光电位置探测器上成像时，成像关系满足近轴条件；调整误差补偿装置，使与其对应的监测装置的第三点光源、第四点光源透过该装置的成像透镜在光电位置探测器上成像时，成像关系满足近轴条件；调整其他带光源的路基表面沉降远程监测装置，使与其对应的第三点光源、第四点光源透过该装置的成像透镜在光电位置探测器上成像时，成像关系满足近轴条件；

步骤二，溯源：用全站仪或其他高精度仪器测量基准光源、各个误差补偿单元与邻近国家水准点的高度差，得到基准光源、各个误差补偿单元的绝对高度SH₀、SH_k，以及各个误差补偿单元与基准光源的相对高度DH_k＝SH_k-SH₀；

步骤三，标定：与基准光源装置最近的带光源的沉降测量单元测得基准光源装置的第一点光源、第二点光源像点的初始位置S₁₁、S₁₂；已知第一点光源与第二点光源相距D₁，得放大率A₁＝(S₁₁-S₁₂)/D₁；其他带光源的沉降测量单元测得与之对应的前一个监测装置的第三点光源、第四点光源像点的初始位置S_i1、S_i2；已知第三点光源、第四点光源相距D_i，得放大率A_i＝(S_i1-S_i2)/D_i；误差补偿单元测得与之对应的监测装置的第三点光源、第四点光源像点的初始位置S_k1、S_k2；已知第三点光源、第四点光源相距D_k，得放大率A_k＝(S_k1-S_k2)/D_k；

步骤四，测量：与基准光源装置最近的带光源的沉降测量单元测得基准光源装置的第一点光源、第二点光源像点的实时位置S′₁₁或S′₁₂；由放大率A₁可得第一点光源或第二点光源相对带光源的沉降测量单元的实时高度差h₁₁＝A₁·(S′₁₁-S₁₁)或h₁₂＝A₁·(S′₁₂-S₁₂)，其中h₁₁＝h₁₂；其他带光源的沉降测量单元测得与之对应的前一个监测装置的第三点光源、第四点光源像点的实时位置S′_i1或S′_i2；由放大率A_i可得第三点光源或第四点光源相对带光源的沉降测量单元的实时高度差h_i1＝A_i·(S′_i1-S_i1)或h_i2＝A_i·(S′_i2-S_i2)，其中h_i1＝h_i2；误差补偿单元测得与之对应的监测装置的第三点光源或第四点光源像点的实时位置S′_k1或S′_k2；由放大率A_k可得第三点光源或第四点光源相对沉降测量单元的实时高度差h_k1＝A_k·(S′_k1-S_k1)或h_k2＝A_k·(S′_k2-S_k2)，其中h_k1＝h_k2，记为H_k；

步骤五，计算沉降：基准光源作为基准点，第i个带光源的沉降测量单元Ⅰ_i相对于基准点的沉降

或

步骤六，闭环误差补偿：光源为基准点，第i个带光源的沉降测量单元相对于基准点的补偿后沉降(i_k-1＜i≤i_k或0＜i≤i₁)。

以上，如无特殊说明，i为沉降测量单元编号，k为误差补偿单元编号，i₁、i_k-1、i_k分别为第1个、第k-1个、第k个误差补偿单元对应的沉降测量单元编号，P为第i个沉降测量单元与基准点之间所有沉降测量单元的集合，j为该集合内沉降测量单元编号；其中i、j、k为正整数。

本发明的有益效果在于，测量时无需机械位移，耗电量低，适于野外无交流供电的环境；采用距离一定的点光源组作为被测目标，测量时精确标定沉降与点光源像点位移的比例关系，消除因成像倍率不准引起的沉降测量误差；通过链状结构，实现远距离观测点溯源，易于建立统一测量基准。

附图说明

图1是带光源的路基表面沉降远程监测装置结构图。

图2是实施例一的路基表面沉降远程多点监测系统示意图(俯视图)。

图3是实施例一的路基表面沉降远程多点监测系统部分主要构件结构图(侧视图)。

图4是实施例二的路基表面沉降远程多点监测系统示意图(俯视图)。

图5是误差补偿装置结构图。

图6是实施例三的路基表面沉降远程多点监测系统示意图(俯视图)。

图7是实施例三的路基表面沉降远程多点监测系统部分主要构件结构图(侧视图)。

图中：

带光源的沉降测量单元Ⅰ、Ⅰ₁、Ⅰ₂、Ⅰ₃、Ⅰ_i、Ⅰ₁′、Ⅰ₂′、Ⅰ₃′、Ⅰ_i′，沉降检测桩Ⅱ、Ⅱ₁、Ⅱ₂、Ⅱ₃，路基Ⅲ，基准光源Ⅳ，固定观察桩Ⅴ、Ⅴ₁，误差补偿单元Ⅵ、Ⅵ₁、Ⅵ_k；

主要部件说明：窗口玻璃1，成像透镜2，光电位置探测器3，信号处理电路4，电源模块5，通信模块6，第三点光源7，第四点光源8，安装盒9，沉降检测桩测杆10，沉降检测桩底板11，控制单元12，第一点光源13，第二点光源14，固定板15；

光滑曲线皆为电气连接。

具体实施方式

实施例一

如图1所示，一种带光源的路基表面沉降远程监测装置，由带光源的沉降测量单元Ⅰ和沉降检测桩Ⅱ组成，带光源的沉降测量单元Ⅰ安装在沉降检测桩Ⅱ上，沉降检测桩Ⅱ埋设在待测点处。

带光源的沉降测量单元Ⅰ包括窗口玻璃1、成像透镜2、光电位置探测器3、信号处理电路4、电源模块5、通信模块6、第三点光源7、第四点光源8、安装盒9。窗口玻璃1与成像透镜2嵌入安装盒9前壁，且窗口玻璃1光轴与成像透镜2光轴重合；第三点光源7、第四点光源8垂直相距20mm嵌入安装盒9后壁；光电位置探测器3固定于信号处理电路4上；信号处理电路4、电源模块5、通信模块6都固定于安装盒9内；信号处理电路4分别与电源模块5、通信模块6、第三点光源7、第四点光源8连接。

光电位置探测器3采用线阵电荷耦合器件或位置敏感探测器。

沉降检测桩Ⅱ由沉降检测桩测杆10、沉降检测桩底板11组成，沉降检测桩底板11埋设于路基Ⅲ中，带动沉降检测桩测杆10以及固定在其上的带光源的沉降测量单元Ⅰ与路基Ⅲ同步沉降。

如图2、图3所示，一种路基表面沉降远程多点监测系统，包括中央处理单元，位于路基沉降变形区以外不发生沉降或者其沉降量小于被测点沉降量百分之五的地点的一个基准光源装置作为源节点、多个带光源的路基表面沉降远程监测装置作为节点的链状结构。基准光源装置和带光源的路基表面沉降远程监测装置共用同一个中央处理单元，中央处理单元以有线或无线方式与其进行连接。

基准光源装置由基准光源Ⅳ和固定观察桩Ⅴ组成，基准光源Ⅳ安装在固定观察桩Ⅴ上，固定观察桩Ⅴ埋设在路基沉降变形区以外，不发生沉降或者其沉降量与被测点相比可忽略的地点。

基准光源Ⅳ包括控制单元12和光源单元；

控制单元12固定在固定观察桩Ⅴ上，包括控制电路、电源模块与通信模块，用于接收指令、调节光源单元的光强；

光源单元包括第一点光源13、第二点光源14和固定板15，第一点光源13、第二点光源14相距20mm固定在固定板15上，第一点光源13、第二点光源14与控制单元12连接，固定板15垂直固定在固定观察桩Ⅴ上。

接下来介绍利用上述路基表面沉降远程多点监测系统实现的一种路基表面沉降远程多点监测方法一，包括下列步骤：

步骤一，安装：在路基沉降观测路段附近不发生沉降的或者其沉降量小于被测点沉降量百分之五的地点设置基准光源装置，在该路段以链状结构设置多个带光源的路基表面沉降远程监测装置；调整与基准光源装置最近的带光源的路基表面沉降远程监测装置Ⅰ₁，使基准光源装置的第一点光源13、第二点光源14透过沉降远程监测装置Ⅰ₁的成像透镜2在光电位置探测器3上成像时，成像关系满足近轴条件；调整其他带光源的路基表面沉降远程监测装置Ⅰ₂、Ⅰ₃、…、Ⅰ_i、…，使对应的前一个路基表面沉降远程监测装置的第三点光源7、第四点光源8透过该装置的成像透镜2在光电位置探测器3上成像时，成像关系满足近轴条件；

步骤二，溯源：用全站仪或其他高精度仪器测量基准光源Ⅳ与邻近国家水准点的高度差，得到基准光源Ⅳ的绝对高度SH₀；

步骤三，标定：与基准光源装置最近的带光源的沉降测量单元Ⅰ₁测得基准光源装置的第一点光源13、第二点光源14像点的初始位置S₁₁、S₁₂；已知第一点光源13与第二点光源14相距D₁，得放大率A₁＝(S₁₁-S₁₂)/D₁；其他带光源的沉降测量单元Ⅰ_i测得与之对应的前一沉降测点单元Ⅰ_i-1的第三点光源7、第四点光源8像点的初始位置S_i1、S₁₂；已知第三点光源7、第四点光源8相距D_i，得放大率A_i＝(S_i1-S_i2)/D_i，本实施例中D₁＝D_i＝20mm；

步骤四，测量：与基准光源装置最近的带光源的沉降测量单元Ⅰ₁测得基准光源装置的第一点光源13、第二点光源14像点的实时位置S′₁₁或S′₁₂；由放大率A₁可得第一点光源13或第二点光源14相对带光源的沉降测量单元Ⅰ₁的实时高度差h₁₁＝A₁·(S′₁₁-S₁₁)或h₁₂＝A₁·(S′₁₂-S₁₂)，其中h₁₁＝h₁₂；其他带光源的沉降测量单元Ⅰ_i测得与之对应的前一个监测装置Ⅰ_i-1的第三点光源7、第四点光源8像点的实时位置S′_i1或S′_i2；由放大率A_i可得第三点光源7或第四点光源8相对带光源的沉降测量单元Ⅰ_i的实时高度差h_i1＝A_i·(S′_i1-S_i1)或h_i2＝A_i·(S′_i2-S_i2)，其中h_i1＝h_i2；

步骤五，计算沉降：光源为基准点，第i个带光源的沉降测量单元Ⅰ_i相对于基准点的沉降

或

实施例二

如图1所示，本实施例的一种带光源的路基表面沉降远程监测装置，与实施例一相同。

如图4所示，本实施例的一种路基表面沉降远程多点监测系统，包括中央处理单元，位于路基沉降变形区以外的一个基准光源装置作为源节点、多个带光源的路基表面沉降远程监测装置作为节点的双链结构。本实施例系统与实施例一的唯一区别在于采用双链结构。

本实施例的一种路基表面沉降远程多点监测方法，与实施例一相同。

本实施例的有益效果在实施例一的基础上，采用双链结构，在保证测量精度的前提下，测量范围较实施例一可扩大一倍。

实施例三

如图1所示，本实施例的一种带光源的路基表面沉降远程监测装置，与实施例一相同。

如图5所示，一种误差补偿装置，包括固定观察桩Ⅴ₁′和误差补偿单元Ⅵ′。

误差补偿单元Ⅵ′包括窗口玻璃1′、成像透镜2′、光电位置探测器3′、信号处理电路4′、电源模块5′、通信模块6′、安装盒9′；窗口玻璃1′与成像透镜2′嵌入安装盒9′前壁，且窗口玻璃1′光轴与成像透镜2′光轴重合；光电位置探测器3′固定于信号处理电路4′上；信号处理电路4′、电源模块5′、通信模块6′都固定于安装盒9′内，且信号处理电路4′分别与通信模块5′、电源模块6′连接。误差补偿装置与路基表面沉降远程监测装置相比，除减少了第三点光源7、第四点光源8之外，其余部件及安装结构均相同。

如图6、图7所示，本实施例的一种路基表面沉降远程多点监测系统，与实施例一的系统区别在于，本系统还包括设置在沉降变形区外的多个误差补偿装置Ⅵ₁，Ⅵ₂，…，Ⅵ_k，…。

每一个误差补偿装置的误差补偿单元Ⅵ_k以链状结构中的不同的带光源的沉降测量单元Ⅰ_i的第三点光源7、第四点光源8作为测量目标；基准光源Ⅳ、一个误差补偿单元Ⅵ_k以及之间的链状结构中包括的多个带光源的沉降测量单元Ⅰ₁、Ⅰ₂、……，Ⅰ_i构成一个闭环测量回路；误差补偿单元Ⅵ_k的数量与闭环测量回路数量相等。

基于上述路基表面沉降远程多点监测装置实现的一种路基表面沉降远程多点监测方法二，包括下列步骤：

步骤一，安装：在路基沉降观测路段附近不发生沉降的地方设置基准光源装置与多个误差补偿装置，在该路段以链状结构设置多个带光源的路基表面沉降远程监测装置；调整与基准光源装置最近的带光源的路基表面沉降远程监测装置，使基准光源装置的第一点光源13、第二点光源14透过成像透镜2在光电位置探测器3上成像时，成像关系满足近轴条件；调整误差补偿装置，使与其对应的监测装置Ⅰ_i的第三点光源7、第四点光源8透过该装置的成像透镜2在光电位置探测器3上成像时，成像关系满足近轴条件；调整其他带光源的路基表面沉降远程监测装置，使与其对应的前一个监测装置的第三点光源7、第四点光源透8过该装置的成像透镜2在光电位置探测器3上成像时，成像关系满足近轴条件；

步骤二，溯源：用全站仪或其他高精度仪器测量基准光源Ⅳ、各个误差补偿单元Ⅵ_k与邻近国家水准点的高度差，得到基准光源Ⅳ、各个误差补偿单元Ⅵ_k的绝对高度SH₀、SH_k，以及各个误差补偿单元Ⅵ_k与基准光源Ⅳ的相对高度DH_k＝SH_k-SH₀；

步骤三，标定：与基准光源装置最近的带光源的沉降测量单元Ⅰ₁测得基准光源装置的第一点光源13、第二点光源14像点的初始位置S₁₁、S₁₂；已知第一点光源13与第二点光源14相距D₁，得放大率A₁＝(S₁₁-S₁₂)/D₁；其他带光源的沉降测量单元Ⅰ_i测得与之对应的前一个监测装置的第三点光源7、第四点光源8像点的初始位置S_i1、S_i2；已知第三点光源7、第四点光源8相距D_i，得放大率A_i＝(S_i1-S_i2)/D_i；误差补偿单元Ⅵ_k测得与之对应的监测装置Ⅰ_i的第三点光源7、第四点光源8像点的初始位置S_k1、S_k2；已知第三点光源7、第四点光源8相距D_k，得放大率A_k＝(S_k1-S_k2)/D_k，本实施例中D₁＝D_i＝D_k＝20mm；

步骤四，测量：与基准光源装置最近的带光源的沉降测量单元Ⅰ₁测得基准光源装置的第一点光源13、第二点光源14像点的实时位置S′₁₁或S′₁₂；由放大率A₁可得第一点光源13或第二点光源14相对带光源的沉降测量单元Ⅰ₁的实时高度差h₁₁＝A₁·(S′₁₁-S₁₁)或h₁₂＝A₁·(S′₁₂-S₁₂)，其中h₁₁＝h₁₂；其他带光源的沉降测量单元Ⅰ_i测得与之对应的前一个监测装置的第三点光源7、第四点光源8像点的实时位置S′_i1或S′_i2；由放大率A_i可得第三点光7源或第四点光源8相对带光源的沉降测量单元Ⅰ_i的实时高度差h_i1＝A_i·(S′_i1-S_i1)或h_i2＝A_i·(S′_i2-S_i2)，其中h_i1＝h_i2；误差补偿单元Ⅵ_k测得与之对应的监测装置Ⅰ_i的第三点光源7或第四点光源8像点的实时位置S′_k1或S′_k2；由放大率A_k可得第三点光源7或第四点光源8相对沉降测量单元Ⅰ_i的实时高度差h_k1＝A_k·(S′_k1-S_k1)或h_k2＝A_k·(S′_k2-S_k2)，其中h_k1＝h_k2，记为H_k；

步骤五，计算沉降：与实施例一步骤五相同；

步骤六，闭环误差补偿：光源Ⅳ为基准点，第i个带光源的沉降测量单元Ⅰ_i相对于基准点的补偿后沉降

(i_k-1＜i≤i_k或0＜i≤i₁)。

本实施例的有益效果在实施例一的基础上，通过闭环补偿方式，对测量中的累积误差进行修正，相对于实施例一提高了测量精度，适用于对测量精度要求高的路段，此处对测量精度要求高的情况为测量精度小于多个带光源的沉降测量单元的累积误差。

实施例四

如图1所示，本实施例的一种带光源的路基表面沉降远程监测装置，与实施例一相同。

如图5所示，本实施例的一种误差补偿装置，与实施例三相同。

本实施例的一种路基表面沉降远程多点监测系统，包括中央处理单元，位于路基沉降变形区以外的一个基准光源装置作为源节点、多个带光源的路基表面沉降远程监测装置作为节点的双链结构。本实施例系统与实施例二的唯一区别在于本系统还包括设置在沉降变形区外的多个误差补偿装置。

本实施例的一种路基表面沉降远程多点监测方法，与实施例三相同。

本实施例的有益效果在实施例一和实施例二的基础上，通过闭环方式，对测量中的累积误差进行修正，相对于实施例一和实施例二提高了测量精度；采用双链结构，在保证测量精度的前提下，测量范围较实施例三可扩大一倍。

以上，如无特殊说明，i为沉降测量单元编号，k为误差补偿单元编号，i₁、i_k-1、i_k分别为第1个、第k-1个、第k个误差补偿单元对应的沉降测量单元编号，P为第i个沉降测量单元与基准点之间所有沉降测量单元的集合，j为该集合内沉降测量单元编号；其中i、j、k为正整数。

Claims (6)

1.一种路基表面沉降远程多点监测系统，由基准光源装置、多个带光源的路基表面沉降远程监测装置和中央处理单元组成，基准光源装置和带光源的路基表面沉降远程监测装置共用同一个中央处理单元，中央处理单元以有线或无线方式与其进行连接；其特征在于：

本发明的多点监测系统包括位于路基沉降变形区以外的一个基准光源装置作为源节点、多个带光源的路基表面沉降远程监测装置作为节点的链状结构；

其中基准光源装置由基准光源(Ⅳ)和固定观察桩(Ⅴ)组成，基准光源(Ⅳ)安装在固定观察桩(Ⅴ)上，固定观察桩(Ⅴ)埋设在路基沉降变形区以外，不发生沉降或者其沉降量小于被测点沉降量百分之五的地点；带光源的路基表面沉降远程监测装置由带光源的沉降测量单元(Ⅰ)和沉降检测桩(Ⅱ)组成，带光源的沉降测量单元(Ⅰ)安装在沉降检测桩(Ⅱ)上，沉降检测桩(Ⅱ)埋设在待测点处。

2.根据权利要求1所述的一种路基表面沉降远程多点监测系统，其特征在于：带光源的沉降测量单元(Ⅰ)包括窗口玻璃(1)、成像透镜(2)、光电位置探测器(3)、信号处理电路(4)、电源模块(5)、通信模块(6)、安装盒(9)；所述窗口玻璃(1)与成像透镜(2)嵌入安装盒(9)前壁，且窗口玻璃(1)光轴与成像透镜(2)光轴重合；所述光电位置探测器(3)固定于信号处理电路(4)上；所述信号处理电路(4)、电源模块(5)、通信模块(6)都固定于安装盒(9)内；所述信号处理电路(4)分别与电源模块(5)、通信模块(6)连接，带光源的沉降测量单元(Ⅰ)还包括第三点光源(7)、第四点光源(8)；所述第三点光源(7)、第四点光源(8)垂直相距D_i嵌入安装盒(9)后壁；所述信号处理电路(4)还分别与第三点光源(7)、第四点光源(8)连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种路基表面沉降远程多点监测系统，其特征在于：在对测量精度要求高的情况下，所述系统还包括设置在沉降变形区外的多个误差补偿装置；所述误差补偿装置包括固定观察桩(Ⅴ₁′)和误差补偿单元(Ⅵ′)；所述每一个误差补偿单元(Ⅵ_k)以链状结构中的不同的带光源的沉降测量单元(Ⅰ_i)的第三点光源(7)、第四点光源(8)作为测量目标；所述基准光源(Ⅳ)、一个误差补偿单元(Ⅵ_k)以及之间的链状结构中包括的多个带光源的沉降测量单元(Ⅰ₁)、(Ⅰ₂)、……，(Ⅰ_i)构成一个闭环测量回路；误差补偿单元与闭环测量回路数量相等。

4.根据权利要求3所述的一种路基表面沉降远程多点监测系统，其特征在于：所述对测量精度要求高的情况为测量精度小于多个带光源的沉降测量单元的累积误差。

5.基于权利要求1或2所述一种路基表面沉降远程多点监测系统的一种路基表面沉降远程多点监测方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

步骤一，安装：在路基沉降观测路段附近不发生沉降的地方设置基准光源装置，在该路段以链状结构设置多个带光源的路基表面沉降远程监测装置；调整与基准光源装置最近的带光源的路基表面沉降远程监测装置(Ⅰ₁)，使基准光源装置的第一点光源(13)、第二点光源(14)透过沉降远程监测装置(Ⅰ₁)的成像透镜(2)在光电位置探测器(3)上成像时，成像关系满足近轴条件；调整其他带光源的路基表面沉降远程监测装置(Ⅰ₂、Ⅰ₃、…、Ⅰ_i、…)，使与其对应的前一个监测装置的第三点光源(7)、第四点光源(8)透过该装置的成像透镜(2)在光电位置探测器(3)上成像时，成像关系满足近轴条件；

步骤二，溯源：用全站仪或其他高精度仪器测量基准光源(Ⅳ)与邻近国家水准点的高度差，得到基准光源(Ⅳ)的绝对高度SH₀；

步骤三，标定：与基准光源装置最近的带光源的沉降测量单元(Ⅰ₁)测得基准光源装置的第一点光源(13)、第二点光源(14)像点的初始位置S₁₁、S₁₂；已知第一点光源(13)与第二点光源(14)相距D₁，得放大率A₁＝(S₁₁-S₁₂)/D₁；其他带光源的沉降测量单元(Ⅰ_i)测得与之对应的前一沉降测点单元(Ⅰ_i-1)的第三点光源(7)、第四点光源(8)像点的初始位置S_i1、S_i2；已知第三点光源(7)、第四点光源(8)相距D_i，得放大率A_i＝(S_i1-S_i2)/D_i；

步骤四，测量：与基准光源装置最近的带光源的沉降测量单元(Ⅰ₁)测得基准光源装置的第一点光源(13)、第二点光源(14)像点的实时位置S′₁₁或S′₁₂；由放大率A₁可得第一点光源(13)或第二点光源(14)相对带光源的沉降测量单元(Ⅰ₁)的实时高度差h_11＝A₁·(S′₁₁-S₁₁)或h₁₂＝A₁·(S′₁₂-S₁₂)，其中h₁₁＝h₁₂；其他带光源的沉降测量单元(Ⅰ_i)测得与之对应的前一个监测装置(Ⅰ_i-1)的第三点光源(7)、第四点光源(8)像点的实时位置S′_i1或S′_i2；由放大率A_i可得第三点光源(7)或第四点光源(8)相对带光源的沉降测量单元(Ⅰ_i)的实时高度差h_i1＝A_i·(S′_i1-S_i1)或h_i2＝A_i·(S′_i2-S_i2)，其中h_i1＝h_i2；

步骤五，计算沉降：以光源(Ⅳ)为基准点，第i个带光源的沉降测量单元(Ⅰ_i)相对于基准点的沉降

或

6.基于权利要求3所述一种路基表面沉降远程多点监测系统的一种路基表面沉降远程多点监测方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

步骤一，安装：在路基沉降观测路段附近不发生沉降的地方设置基准光源装置与多个误差补偿装置，在该路段以链状结构设置多个带光源的路基表面沉降远程监测装置；调整与基准光源装置最近的带光源的路基表面沉降远程监测装置，使基准光源装置的第一点光源(13)、第二点光源(14)透过成像透镜(2)在光电位置探测器(3)上成像时，成像关系满足近轴条件；调整误差补偿装置，使与其对应的监测装置Ⅰ_i的第三点光源(7)、第四点光源(8)透过该装置的成像透镜(2)在光电位置探测器(3)上成像时，成像关系满足近轴条件；调整其他带光源的路基表面沉降远程监测装置，使与其对应的前一个监测装置的第三点光源(7)、第四点光源(8)透过该装置的成像透镜(2)在光电位置探测器(3)上成像时，成像关系满足近轴条件；

步骤二，溯源：用全站仪或其他高精度仪器测量基准光源(Ⅳ)、各个误差补偿单元(Ⅵ_k)与邻近国家水准点的高度差，得到基准光源(Ⅳ)、各个误差补偿单元(Ⅵ_k)的绝对高度SH₀、SH_k，以及各个误差补偿单元(Ⅵ_k)与基准光源(Ⅳ)的相对高度DH_k＝SH_k-SH₀；

步骤三，标定：与基准光源装置最近的带光源的沉降测量单元(Ⅰ₁)测得基准光源装置的第一点光源(13)、第二点光源(14)像点的初始位置S₁₁、S₁₂；已知第一点光源(13)与第二点光源(14)相距D₁，得放大率A₁＝(S₁₁-S₁₂)/D₁；其他带光源的沉降测量单元(Ⅰ_i)测得与之对应的前一个监测装置的第三点光源(7)、第四点光源(8)像点的初始位置S_i1、S_i2；已知第三点光源(7)、第四点光源(8)相距D_i，得放大率A_i＝(S_i1-S_i2)/D_i；误差补偿单元(Ⅵ_k)测得与之对应的监测装置(Ⅰ_i)的第三点光源(7)、第四点光源(8)像点的初始位置S_k1、S_k2；已知第三点光源(7)、第四点光源(8)相距D_k，得放大率A_k＝(S_k1-S_k2)/D_k；

步骤四，测量：与基准光源装置最近的带光源的沉降测量单元(Ⅰ₁)测得基准光源装置的第一点光源(13)、第二点光源(14)像点的实时位置S′₁₁或S′₁₂；由放大率A₁可得第一点光源(13)或第二点光源(14)相对带光源的沉降测量单元(Ⅰ₁)的实时高度差h₁₁＝A₁·(S′₁₁-S₁₁)或h₁₂＝A₁·(S′₁₂-S₁₂)，其中h₁₁＝h₁₂；其他带光源的沉降测量单元(Ⅰ_i)测得与之对应的前一个监测装置的第三点光源(7)、第四点光源(8)像点的实时位置S′_i1或S′_i2；由放大率A_i可得第三点光(7)源或第四点光源(8)相对带光源的沉降测量单元(Ⅰ_i)的实时高度差h_i1＝A_i·(S′_i1-S_i1)或h_i2＝A_i·(S′_i2-S_i2)，其中h_i1＝h_i2；误差补偿单元(Ⅵ_k)测得与之对应的监测装置Ⅰ_i的第三点光源(7)或第四点光源(8)像点的实时位置S′_k1或S′_k2；由放大率A_k可得第三点光源(7)或第四点光源(8)相对沉降测量单元(Ⅰ_i)的实时高度差h_k1＝A_k·(S′_k1-S_k1)或h_k2＝A_k·(S′_k2-S_k2)，其中h_k1＝h_k2，记为H_k；

步骤五，计算沉降：与权力要求5步骤五相同；

步骤六，闭环误差补偿：光源(Ⅳ)为基准点，第i个带光源的沉降测量单元(Ⅰ_i)相对于基准点的补偿后沉降(i_k-1＜i≤i_k或0＜i≤i₁)；

上述步骤中，i为沉降测量单元编号，k为误差补偿单元编号，i₁、i_k-1、i_k分别为第1个、第k-1个、第k个误差补偿单元对应的沉降测量单元编号，P为第i个沉降测量单元与基准点之间所有沉降测量单元的集合，j为该集合内沉降测量单元编号；其中i、j、k为正整数。

Images