CN102901448B - 视频摄像与激光测距仪同轴光电测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种视频摄像与激光测距仪同轴光电测量装置，它包括五个部分：I是视频摄像和激光测距仪同轴光电测量系统；II是一个带大变倍比变焦镜头的高清晰度视频监控系统；III是可显示水平和俯仰角度的带精密刻度盘电动防震云台；IV是信息传输网络系统；V是后端视频接收显示装置。本发明光电测量装置的优点在于：本发明采用把激光测距和能精密测角的电动云台相结合的测量方法，特别是采用视频摄像和激光测距仪同轴的光电测量系统方式，既实现中远程监测量，简化了测量的计算，又能提高测量的精度。本发明可作为对工地现场进行中远程适时监控的系统，又可起到测量系统快速对准待测目标的导向作用，提高测试效率。

Description

视频摄像与激光测距仪同轴光电测量装置

技术领域

本发明涉及光电测量装置。它适用于需要通过远程监控方式，对被观测物体进行检测、质量分析和资料存储等的领域。特别适用于大型公共建筑施工过程中，对工程质量进行适时远程质量监控的场合。

背景技术

随着大中型公共工程设施（如楼宇、大中型水利工程、高速公路交通工程、大型体育娱乐设施等）的大量起建，群众和政府对它们的质量和安全性越来越关注。分别建立了一系列杜绝质量事故防范制度，如建立了待用建材的预检制度和工程中的监理制度等。待用的建材都必须经过有质量检测资质的单位对取样和送检的样品进行检验，对样品合格的批次产品均打上与样品同样批号的标识。在实施现场，工程监理可随机复检，以保证用材可靠性。随着工程的全面展开，数量不多的监理往往难以应付，质量追溯可行性更差。加上商业利益的驱使，偷工减料、换材混料的事件时有发生，导致工程的远期质量和安全难以保证。因此，提出了研发在后方能全天候适时地摄录监控工地施工的现场情况，又能随机地对所用的材料和施工质量进行远程视频监控和测量的新型光电测量装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可用于大中型公共工程建设工地的中远程视频监控的、能适时监控摄录、能随机复检验证用材和部分工艺质量的视频摄像与激光测距仪同轴光电测量装置。

本发明技术方案如下：一种视频摄像和激光测距仪同轴光电测量装置，其特征在于：它包括五个部分：I是视频摄像和激光测距仪同轴光电测量系统（该部分为本发明的重点）；II是一个带大变倍比变焦镜头的高清晰度视频监控系统；III是可显示水平和俯仰角度的带精密刻度盘电动防震云台；IV是信息传输网络系统；V是后端视频接收显示装置。

本发明测量装置采用视频摄像和激光测距仪同轴光电测量装置及精密云台结合的测量方式，并通过与大变倍比变焦距摄像镜头作为视频监控光学系统的组合。

其工作原理是：将本发明光电测量装置安装在施工工地视野较佳的位置或吊装在长臂大吊车合适的位置上。通过电动调整（属于已有技术），使视频监控系统II处在中短焦，对施工现场进行大范围监控。根据需要，把焦距调整到长焦距，对定点进行放大监控。由于测量系统I和监控系统II的光轴是相互平行，所以激光测距仪上的视频摄像头同时也捕捉到监控系统范围内的景物的图像。视频监控系统II实际上起着测量系统I的导向作用。通过后端视频接收显示装置进行遥控（属于已有技术），使电动云台水平或俯仰转动，使所定的点和视频摄像机上成的十字分划像的中心点重合。可以用脉冲或相位式激光测距仪起动激光进行测距。与此同时，在后端视频接收显示装置上，也同时显示出相对云台水平面中心轴的水平转角和俯仰转角值。

本发明光电测量装置的优点在于：根据目前迅速发展的大中型公共工程建设的需要，采用把激光测距和能精密测角的电动云台相结合的测量方法，特别是采用视频摄像和激光测距仪同轴的光电测量系统方式，既实现中远程监测量，简化了测量的计算，又能提高测量的精度。

本发明光电测量装置的优点还在于增设了与测量系统光轴相互平行的带一个大变倍比变焦距镜头的视频摄像系统。它可作为对工地现场进行中远程适时监控的系统，又可起到测量系统快速对准待测目标的导向作用，提高测试效率。

附图说明：

图1是本发明光电测量装置的总体结构示意图。其中：（a）是主视结构示意图，（b）是（a）的左视图，（c）是接收显示装置。

其中，I是视频摄像和激光测距仪同轴光电测量系统；II是一个带大变倍比变焦镜头的高清晰度视频监控系统；III是可显示水平和俯仰角度的带精密刻度盘电动防震云台；IV是信息传输网络；V是后端视频接收显示装置。

图2是本发明光电测量装置的测量系统的光学结构示意图。A是测距仪的激光发射光路，，其中A1前置保护玻璃，A2、A3是转向小棱镜，A4、A5是产生正弦波和位相差光栏装置，A6是激光器。B是激光束回波接收光路的大物镜、C是透可见光反近红外光的棱镜组合、D是位相计算器件、E是内调焦透镜、F是正像棱镜、G是带双线十字分划的分划板、H是测距仪目镜。I是视频转接摄像镜头。J是CCD或CMOS摄像器件。

图3是本发明光电测量装置的测量系统测量空间放置的物体的计算原理示意图。

具体实施方式：

如图1所示，本发明的I是视频摄像和激光测距仪同轴光电测量系统；II是一个带大变倍比变焦镜头（其最大焦距设为fˊmax）的高清晰度视频监控系统；III是可显示水平和俯仰角度的带精密刻度盘电动防震云台；IV是信息（包括图象、数据等）传输网络系统（可以用RFID方式、或通过电力线“电力猫PLC”方式、或同轴电缆等方式）；V是后端视频接收显示装置。

所述的视频摄像和激光测距仪同轴光电测量系统I和带大变倍比变焦镜头的高清晰度视频监控系统II的光轴在同一垂直面上调整成相互平行。

所述的视频摄像和激光测距仪同轴光电测量系统I的光轴垂直面必须通过所述的可显示水平和俯仰角度的带精密刻度盘电动防震云台IV的垂直方向转轴的中心。

本发明光电测量装置的测量方案是：如图3所示，AB是空间待测物的尺寸。测量时，通过遥控精密电动云台，把待测物的A点移到测量系统上视频十字分划板像的中心（它和激光测距仪接收到的激光束回波经物镜的聚焦点的像重合），起动测距仪的激光，测出原点与A点的距离OA和与光轴水平面的俯仰夹角α。然后，通过水平方向云台的转动，把B点调到视频十字分划板像垂直方向双分划线的中间，可测得水平转角γ。通过转动俯仰方向的云台，把待测的B点移到测量系统上视频十字分划板像的中心，启动测距仪的激光，测出原点与B点的距离OB和与光轴水平面的俯仰夹角β。由图3可得：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{BD}}=\stackrel{\‾}{\mathrm{BE}}-\stackrel{\‾}{\mathrm{AF}},$ $\stackrel{\‾}{\mathrm{OF}}=\stackrel{\‾}{\mathrm{OA}}\×\mathrm{COS\α},$ $\stackrel{\‾}{\mathrm{OE}}=\stackrel{\‾}{\mathrm{OB}}\×\mathrm{COS\β},$

$\stackrel{\‾}{\mathrm{EF}}=\sqrt{{\stackrel{\‾}{\mathrm{OF}}}^2+{\stackrel{\‾}{\mathrm{OE}}}^2-2\stackrel{\‾}{\mathrm{OF}}\×\stackrel{\‾}{\mathrm{OE}}\×\mathrm{COS\γ}}$

$\stackrel{\‾}{\mathrm{AB}}=\sqrt{{\stackrel{\‾}{\mathrm{AD}}}^2+{\stackrel{\‾}{\mathrm{BD}}}^2}=\sqrt{{\stackrel{\‾}{\mathrm{EF}}}^2+{\stackrel{\‾}{\mathrm{BD}}}^2}$

上述测量方案也适用于测量建材管径。

如图2所示为本发明光电测量装置的视频摄像和激光测距仪同轴光电测量系统，适应中远程距离（60米以内）更高测量精度的要求，本发明采用相位式激光测距仪。A是测距仪的激光发射光路，其中A1是前置保护玻璃，A2、A3是转向小棱镜，A4是产生正弦波和位相差光栏装置，A5是准直透镜，A6是激光器。B、C、D构成测距仪激光束回波接收光路，其中B是激光束回波接收光路的大物镜，它的焦距为f’_物；C是透可见光反近红外光的棱镜组合；D是位相计算器件。A、B、C、E、F、G和H构成激光测距仪的瞄准光路，其中E是内调焦透镜；F是正像棱镜；G是带双线十字分划的分划板；H是测距仪目镜，其焦距为f’_目。I是视频转接摄像镜头，其焦距为f’_视频。J是CCD或CMOS摄像器件。I把G十字分划及被观测物成像在摄像器件J上。视频摄像和激光测距仪同轴光电测量系统的组合焦距f’_OE=f′_物×f’_{视 频}/f’_目。新构成的视频摄像“电子目镜”，其光电放大倍率M_OE，由下式求出：M_OE=f’_视频/f’目×D_显示屏/D_摄像器件。其中，D_显示屏是视频监示器对角线尺寸，D_摄像器件是摄像器件有效像面对角线尺寸。Dist为视频转接摄像镜头的最大相对畸变。

本发明光电测量装置必须满足的条件是：

1.2<f′_OE／f′_物<1.6……⑴

1.5<f′_OE∕f′max<2.5……⑵

2.5<M_OE/M_目<5……⑶

Dist≦︱±3%︱……⑷

设定上述必须满足条件的目的是：

条件⑴设定的目的是使视频摄像和激光测距仪同轴光电测量系统的组合焦距比原激光测距仪的焦距更长，利于把目标放得更大，提高激光测距的测量精度。同时，焦距越长抖动越严重，为了防止抖动引起图像不稳影响测量精度，设定了最大焦距范围。

条件⑵设定的目的是保证起导向作用的监控系统，在最长焦时能提供稍大于测量系统的视场，以利于测量系统更快对准目标。

条件⑶设定的目的是保证在显示屏上看的景物和分划板成的像比通过目镜用眼睛直看的像至少大2.5倍以上，以利于对准。同时，设定放大比的范围，目的是不使成像质量变差。

条件⑷设定的目的是保证待测的目标中的某一点处在视场边缘时，不会因畸变过大，影响水平角的测量精度。

本发明光电测量装置的主要特征是：采用把激光测距和能精密测角的电动云台相结合的测量方法，特别是采用视频摄像和激光测距仪同轴的光电测量系统方式，并提出应满足的条件：1.2<f′_OE／f′_物<1.6，2.5<M_{O E}/M_目<5，Dist≦︱±3%︱，既能实现中远程测量，简化了测量的计算，又能提高测量的精度。

本发明光电测量装置的特征还在于增设了与测量系统光轴相互平行的一个带大变倍比变焦距镜头的视频监控系统。它可作为工地现场进行中远程适时监控的系统；同时提出了应满足的条件：1.5<f′_OE∕f′max<2.5，使它在最长焦时能提供稍大于测量系统的视场，以利于测量系统更快找到目标，可起到测量系统快速对准待测目标的导向作用，提高测试效率。

实施例

本发明光电测量装置的实施例：带大变倍比变焦镜头的高清晰度视频监控系统中的大变倍比变焦镜头的焦距为f′_变为6mm～60mm,f′max=60mm本发明光电测量装置的测量系统：f′_物=103mm,f′_目=8.6mm，和f′_视场=12.2mm,计算可得：f′_OE=146.1mm,M_目=29.07x。如果D_摄像器件=6mm(1/3″器件)，当计算机采用下列尺寸显示屏时：15″屏时，D_显示屏=381mm,可得：M _OE≈90x；

17″屏时，D_显示屏=431.8mm，可得：M _OE≈102x。

Claims (6)

1.一种视频摄像和激光测距仪同轴光电测量装置，其特征在于：它包括五部分：I是视频摄像和激光测距仪同轴光电测量系统；II是带大变倍比变焦镜头的高清晰度视频监控系统；III是能显示水平和俯仰角度的带精密刻度盘电动防震云台；IV是包括图象、数据信息传输网络；V是后端视频接收显示装置；

它必须满足的条件是：

1.2<f′_OE/f′_物<1.6   ……⑴

2.5<M _OE/M_目<5   ……(2)

Dist≦︱±3％︱   ……(3)

其中：

f’_OE是视频摄像和激光测距仪同轴光电测量系统的组合焦距；

f′_物是激光束回波接收光路的大物镜B的焦距；

M_OE是视频摄像和激光测距仪同轴光电测量系统所构成的“电子目镜”的光电放大倍率；

Dist为视频转接摄像镜头的最大相对畸变。

2.根据权利要求1所述的视频摄像和激光测距仪同轴光电测量装置，其特征在于：所述的视频摄像和激光测距仪同轴光电测量系统I和带大变倍比变焦镜头的高清晰度视频监控系统II的光轴在同一垂直面上调整成相互平行。

3.根据权利要求2述的视频摄像和激光测距仪同轴光电测量装置，其特征在于：所述的视频摄像和激光测距仪同轴光电测量系统I的光轴垂直面必须通过所述的能显示水平和俯仰角度的带精密刻度盘电动防震云台III的俯仰方向转轴的中心。

4.根据权利要求1所述的视频摄像和激光测距仪同轴光电测量装置，其特征在于：所述的视频摄像和激光测距仪同轴光电测量系统中采用相位式激光测距仪，所述的激光测距仪的瞄准光路由测距仪的激光发射光路A、激光束回波接收光路的大物镜B、透可见光反近红外光的棱镜组合C、位相计算器件D、内调焦透镜E、正像棱镜F、带双线十字分划的分划板G、测距仪目镜H、视频转接摄像镜头I、CCD或CMOS摄像器件J依序构成；

所述的激光发射光路A由前置保护玻璃A1，位于保护玻璃A1的与激光束回波接收光路的大物镜B相邻面中心上的第一转向小棱镜A2，和位于保护玻璃A1外的一侧的、且光路与第一转向小棱镜A2垂直的第二转向小棱镜A3，产生正弦波和位相差光栏装置A4、A5，且A5是准直透镜，A6是激光器。

5.根据权利要求1所述的视频摄像和激光测距仪同轴光电测量装置，其特征在于：所述的视频摄像和激光测距仪同轴光电测量系统的组合焦距f’_OE＝f′_物×f’_视频/f’_目，新构成的视频摄像“电子目镜”，其光电放大倍率M_OE＝f’_视频/f’_目×D_显示屏/D_摄像器件；

其中，

f’_视频是视频转接摄像镜头I的焦距；

f’_目是测距仪目镜的焦距；

D_显示屏是视频监示器对角线尺寸；

D_摄像器件是摄像器件有效像面对角线尺寸；

Dist是视频转接摄像镜头的最大相对畸变。

6.根据权利要求1所述的视频摄像和激光测距仪同轴光电测量装置，其特征在于：它还需满足的条件：1.5<f′OE/f′max<2.5；

其中：f′max是带大变倍比变焦镜头的高清晰度视频监控系统II中的大变倍比变焦镜头的最大焦距。