CN103344212A - 一种用于测量盾构姿态角的激光靶及其测量方法 - Google Patents

Abstract

一种用于测量盾构姿态角的激光靶及其测量方法，涉及一种激光靶，本发明通过在前屏（8）上部的凸透镜安装孔（2）内设置凸透镜（1），可以使激光束聚焦到一点，光斑小、亮度高，使测量精度提高、测程加长，同时使激光束偏离凸透镜光心，成像位置不变，解决了激光束跳动的问题，并使激光靶前屏玻璃面积大幅缩小，有利于激光靶的保护，进一步在第二焦平面（9）上设置后靶屏，有效的解决了光斑不规则、后处理难度大、测量误差大、测程短和激光相对于激光靶位置跳动时，激光靶不能连续捕捉激光，导致自动导向系统不能连续测量的弊端，本发明具有结构简单，操作方便等特点。

Description

一种用于测量盾构姿态角的激光靶及其测量方法

【技术领域】

本发明涉及一种激光靶，具体涉及一种用于测量盾构姿态角的激光靶及其测量方法。

【背景技术】

已知的，自动导向系统是测量盾构（TBM）位置的关键部件，其中盾构在掘进过程中，通过自动导向系统连续地测量盾构相对于设计隧道轴线的偏差，并将测得的数据提供给主司机，进而使主司机及时的调整掘进参数，使盾构能够始终沿着设计轴线精确掘进。

为了确保自动导向系统的精度、稳定性和可靠性，首先需要确定盾构在三维空间中的绝对位置，需要六个参数，即三个线元素和三个角元素，其中，三个线元素（X、Y、H）的测量由全站仪完成，三个角元素中的两个——盾构轴线相对于水平面的坡度角和滚动角，由倾斜仪来测量，而针对第三个角元素的测量方法——盾构轴线与设计隧道轴线在水平面上的夹角（偏航角），则是影响整个自动导向系统的精度、稳定性和可靠性关键，那么按照偏航角的测量方法，将自动导向系统划分为以下几类：

第一种、陀螺仪法，该方法测量精度不稳定，对人工介入依赖强，目前基本淘汰；

第二种、双（三）棱镜法，采用该方法进行测量的优点是硬件制造简单、价格便宜，但是存在测量精度低、需要较大的测量窗口、对全站仪精度要求高等缺点；

第三种、激光靶法，采用该方法进行测量的优点是精度高、性能稳定可靠、所需测量窗口小，但是其价格稍高，同样是目前性能最先进的自动导向系统。

而目前本领域技术人员通过如下几种结构的激光靶来测量盾构的偏航角，具体如下：

1、采用转动的“阴屏”（类似百叶窗）加角度传感器加激光强度传感器，此种结构的缺点是转动的“阴屏”故障率较高，前屏较大，易损伤；

2、采用双相机结构，此种结构的激光穿过激光靶的半透光式前屏照射到后屏，两个工业相机分别捕捉前后屏上的光点图像，但是其缺点是光斑不规则，图像后处理难度稍大，前屏易损伤；

3、采用单相机结构，此种结构的激光通过前屏上的固定小孔在后屏成像，单工业相机对准后屏照相，但是其缺点是光斑不规则，测量误差稍大，光斑较暗时，测程短，激光偏离小孔时，无法测量。

针对上述技术问题，如何提供一种较为适宜的激光靶来测量盾构的偏航角就成了本领域技术人员的长期技术诉求。

【发明内容】

为了克服背景技术中存在的不足，本发明提供了一种用于测量盾构姿态角的激光靶及其测量方法，本发明通过在前屏上设置凸透镜安装孔，并在凸透镜安装孔内安装凸透镜，在前屏与第二焦平面之间设置相机，在第二焦平面上设置后靶屏，有效的解决了光斑不规则、后处理难度大、测量误差大、测程短和激光相对于激光靶位置跳动时，激光靶不能连续捕捉激光，导致自动导向系统不能连续测量的弊端，本发明具有结构简单，操作方便等特点。

为实现如上所述的发明目的，本发明采用如下所述的技术方案：

一种用于测量盾构姿态角的激光靶，包括凸透镜、相机、棱镜、前屏和第二焦平面，在所述前屏的上部设有凸透镜安装孔，在所述凸透镜安装孔上设有凸透镜，在前屏下部的外侧设有棱镜，在第二焦平面上对应凸透镜的位置设有后靶屏，在凸透镜和后靶屏之间设有相机，所述相机的镜头照准后靶屏并通过数据线将拍摄到的光点图像发送至控制系统形成所述的用于测量盾构姿态角的激光靶。

所述的用于测量盾构姿态角的激光靶，所述凸透镜和后靶屏之间设有倾斜仪。

所述的用于测量盾构姿态角的激光靶，所述倾斜仪为双轴倾斜仪或两个单轴倾斜仪。

所述的用于测量盾构姿态角的激光靶，所述凸透镜的外形公差<+0.0/-0.1mm，厚度公差<±0.1mm，偏心率<3arc min。

所述的用于测量盾构姿态角的激光靶，所述凸透镜安装孔的内侧设有45°的倒角。

所述的用于测量盾构姿态角的激光靶，所述相机为工业相机。

所述的用于测量盾构姿态角的激光靶，所述控制系统为计算机。

一种用于测量盾构姿态角的激光靶的测量方法，所述测量方法首先将用于聚光的凸透镜安装到前屏上部的凸透镜安装孔上，然后在第二焦平面的上部安装接收激光成像的后靶屏，平行的激光束通过凸透镜聚焦后成像在后靶屏上，此时设置在凸透镜与后靶屏之间的相机照准后靶屏，并拍摄光点图像，然后相机通过数据线将拍摄到的光点图像发送到控制系统，控制系统对图像进行后处理，计算出光点的相关坐标，此时计算出的相关坐标信息及时反馈给操作人员。

采用如上所述的技术方案，本发明具有如下所述的优越性：

本发明所述的一种用于测量盾构姿态角的激光靶及其测量方法，本发明通过在前屏上设置凸透镜，使激光束聚焦到一点，光斑小、亮度高，使测量精度提高、测程加长，同时使激光束偏离凸透镜光心，成像位置不变，解决了激光束跳动的问题，并使激光靶前屏玻璃面积大幅缩小，有利于激光靶的保护，进一步在前屏和后靶屏之间设置相机，在第二焦平面上设置后靶屏，有效的解决了光斑不规则、后处理难度大、测量误差大、测程短和激光相对于激光靶位置跳动时，激光靶不能连续捕捉激光，导致自动导向系统不能连续测量的弊端，本发明具有结构简单，操作方便等特点。

【附图说明】

图1是本发明激光靶的结构示意图；

在图中：1、凸透镜；2、凸透镜安装孔；3、激光束；4、相机；5、棱镜；6、后靶屏；7、倾斜仪；8、前屏；9、第二焦平面。

【具体实施方式】

通过下面的实施例可以更详细的解释本发明，本发明并不局限于下面的实施例；

结合附图1所述的一种用于测量盾构姿态角的激光靶，包括凸透镜1、相机4、棱镜5、前屏8和第二焦平面9，在所述前屏8的上部设有凸透镜安装孔2，所述凸透镜安装孔2的内侧设有45°的倒角，此时凸透镜安装孔2的口径大小取决于激光光斑大小和激光跳动幅度，设计口径越大，激光靶工作适应能力越强，但精度也会相应降低，一般情况下，光学窗口达到Φ25mm即能满足精度要求，也可兼顾激光靶适应现场的能力，进一步在所述凸透镜安装孔2上设有凸透镜1，所述凸透镜1安装在凸透镜安装孔2的内侧或外侧或内孔中，其中凸透镜1的外形公差<+0.0/-0.1mm，厚度公差<±0.1mm，偏心率<3arc min，在前屏8下部的外侧设有棱镜5，在第二焦平面9的上部对应凸透镜1的位置设有后靶屏6，在凸透镜1和后靶屏6的下方靠近凸透镜1处设有相机4，所述相机4为工业相机，所述凸透镜1和后靶屏6的下方靠近后靶屏6处设有倾斜仪7，所述倾斜仪7为双轴倾斜仪或两个单轴倾斜仪，所述相机4的镜头照准靶屏6，并通过数据线将拍摄到的光点图像发送至控制系统形成所述的用于测量盾构姿态角的激光靶，所述控制系统为计算机。

一种用于测量盾构姿态角的激光靶的测量方法，所述测量方法首先将用于聚光的凸透镜1安装到前屏8上部凸透镜安装孔2的内侧，或将凸透镜1安装在凸透镜安装孔2的中部或外侧，然后在第二焦平面9上设置接收激光成像的后靶屏6，平行的激光束3通过凸透镜1聚焦后成像在后靶屏6上，此时设置在凸透镜1与后靶屏6之间的相机4照准后靶屏6，并拍摄光点图像，然后相机4通过数据线将拍摄到的光点图像发送到控制系统，控制系统对图像进行后处理，计算出光点的相关坐标，此时计算出的相关坐标信息及时反馈给操作人员。

本发明的工作原理为：

凸透镜成像：从第一焦平面方向发射的，与凸透镜1主光轴成一定夹角的平行光束，经光学系统后，出射光线交于第二焦平面9上的某一点。该点在第二焦平面9上的位置，决定于入射的平行光束相对于主光轴的方向。

针对自动导向系统，如果照射到激光靶前屏8上的激光束3角度一定，则无论激光束3是否通过凸透镜1的光心，其在焦平面上的聚焦成像位置是相同的。

反过来，测量出聚焦到后靶屏6上的激光点坐标后，可反向计算出照射到凸透镜1上的激光束3与激光靶轴线之间的角度（水平方向与竖直方向）。

激光角度由全站仪实时测量，相机4加计算机测量并计算出光点在焦平面上的坐标，根据此原理可计算出激光与凸透镜1主光轴的水平夹角，再考虑到激光靶与盾构轴线之间的安装偏差数据，从而得出盾构轴线在三维空间里的方位角。这就是本激光靶测量盾构姿态角的基本原理。

凸透镜1聚光、工业相机捕捉图像产生了下列特点：

激光在屏幕玻璃和凸透镜1之间会发生二次反射、凸透镜1成像有球差和慧差、透镜焦距约有1%的制造和测量误差、凸透镜1和后靶屏6的位置和轴线安装误差、相机4轴线与激光靶轴线不平行产生的倾斜误差、凸透镜1和相机4镜头均存在着桶状或枕状畸变差。

以上误差需要通过激光靶的校正来消除或减弱。

本发明在实施过程中的具体技术要求为：

凸透镜安装孔2内侧加工45°的倒角，减小凸透镜安装孔2边缘对激光的反射。

凸透镜1焦距与设计的凸透镜1光心位置至靶屏间距相等，焦距的制造和出厂测量公差<1%，凸透镜1的设计波长与激光波长尽量相近，<±30nm，否则应考虑设计波长与激光波长差值对凸透镜1焦距的影响，或利用全站仪激光实际测量凸透镜1的真正焦距。

凸透镜1外形公差<+0.0/-0.1mm，厚度公差<±0.1mm，偏心率<3arc min。

凸透镜1表面镀膜，以减少凸透镜1与保护玻璃之间的光线二次反射，激光波长包含于镀膜后的波长窗口内。

凸透镜1光心平面位置安装精度要求达到±0.5mm，此精度主要依赖于提高激光窗口的机械加工精度来满足要求；安装时凸面朝前，有利于减小激光的二次反射。

凸透镜1轴线与激光靶轴线之间的重合度，安装精度要求为1度。

凸透镜1至后靶屏6之间的距离安装误差<±1mm，此精度依赖于机械加工精度，并可通过调整后靶屏6位置或凸透镜1与前面板胶结厚度来满足要求。

后靶屏6安装在激光靶后屏（第二焦平面9）上，与凸透镜1平面平行，距离凸透镜1光心与凸透镜1焦距相等，靶屏6长宽不小于根据测量偏航角的水平、竖直量程和凸透镜1焦距计算出的尺寸，后靶屏6在后屏上的安装误差±0.5mm。

针对激光靶校正技术要求

（1）以激光靶顶面四个角为准，将激光靶安置水平，安置精度±0.5mm；

（2）以激光靶机械轴线为准，确定地面中线标志O₁（凸透镜1光心投影点）、O₂、A，其中S_01~A=2.000m，测设精度±0.5mm，该中线为激光靶轴线及其延伸线；

（3）在A点处，测定激光靶轴线的垂直线B-L-A-R，其中S_L~A和S_A~R距离与S_01~ A距离比值等于激光靶测量偏航角水平方向设计量程的1/2（本激光靶设计量程为24%，换算成角度13.686°），测设精度±0.5mm，B为后视点； 

（4）分别架设全站仪在L、A、R处，每处设站三次，使激光高度分别等于                                                

、H、

，其中H为凸透镜1光心高度，2α为激光靶的竖直方向设计量程，本激光靶为20%，换算成角度为11.31°；

共置镜九次，置镜时，平面高程均精确至±0.5mm。

（5）后视B点，定向，度盘拨至计算的水平和竖直角度处，打开激光，此时激光应准确对准透镜光心，电脑捕捉相机的成像，储存；

（6）人工捕捉每幅图像中激光光点中心相片坐标x、y，并记录此时激光束相对于激光靶轴线的水平和竖直夹角；

（7）根据九个点的激光水平和竖直角与对应的光点像片坐标，计算该区域范围内（量程范围）激光角度与光点坐标之间的换算关系。

本发明未详述部分为现有技术。

为了公开本发明的目的而在本文中选用的实施例，当前认为是适宜的，但是，应了解的是，本发明旨在包括一切属于本构思和发明范围内的实施例的所有变化和改进。

Claims (8)

1.一种用于测量盾构姿态角的激光靶，包括凸透镜（1）、相机（4）、棱镜（5）、前屏（8）和第二焦平面（9），其特征是：在所述前屏（8）的上部设有凸透镜安装孔（2），在所述凸透镜安装孔（2）上设有凸透镜（1），在前屏（8）下部的外侧设有棱镜（5），在第二焦平面（9）上对应凸透镜（1）的位置设有后靶屏（6），在凸透镜（1）和后靶屏（6）之间设有相机（4），所述相机（4）的镜头照准后靶屏（6）并通过数据线将拍摄到的光点图像发送至控制系统形成所述的用于测量盾构姿态角的激光靶。

2.根据权利要求1所述的用于测量盾构姿态角的激光靶，其特征是：所述凸透镜（1）和后靶屏（6）的之间设有倾斜仪（7）。

3.根据权利要求2所述的用于测量盾构姿态角的激光靶，其特征是：所述倾斜仪（7）为双轴倾斜仪或两个单轴倾斜仪。

4.根据权利要求1所述的用于测量盾构姿态角的激光靶，其特征是：所述凸透镜（1）的外形公差<+0.0/-0.1mm，厚度公差<±0.1mm，偏心率<3arc min。

5.根据权利要求1所述的用于测量盾构姿态角的激光靶，其特征是：所述凸透镜安装孔（2）的内侧设有45°的倒角。

6.根据权利要求1所述的用于测量盾构姿态角的激光靶，其特征是：所述相机4为工业相机。

7.根据权利要求1所述的用于测量盾构姿态角的激光靶，其特征是：所述控制系统为计算机。

8.根据权利要求1～7任一权利要求所述的一种用于测量盾构姿态角的激光靶的测量方法，其特征是：所述测量方法首先将用于聚光的凸透镜（1）安装到前屏（8）上部的凸透镜安装孔（2）上，然后在第二焦平面（9）的上部安装接收激光成像的后靶屏（6），平行的激光束（3）通过凸透镜（1）聚焦后成像在后靶屏（6）上，此时设置在凸透镜（1）与后靶屏（6）之间的相机（4）照准后靶屏（6），并拍摄光点图像，然后相机（4）通过数据线将拍摄到的光点图像发送到控制系统，控制系统对图像进行后处理，计算出光点的相关坐标，此时计算出的相关坐标信息及时反馈给操作人员。

Images