CN104567713B - 一种多点雪深测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多点雪深测量方法及装置，在云台上设置倾角仪和激光位移传感器，云台进行俯仰巡航时，由倾角仪确定待测点，激光位移传感器获取待测点距激光位移传感器的距离，通过三角函数变换，获得待测点的位置，进而绘制出待测区域的雪面图。本发明的优点在于通过云台旋转使激光位移传感器转动，可实现雪深多点测量；可绘制雪面图、原理简单、实时性高，便于推广。

Description

一种多点雪深测量方法及装置

技术领域

本发明涉及高铁灾害监测系统雪深监测领域，特别是一种多点雪深测量方法及装置。

背景技术

随着高速铁路的快速发展，列车行驶速度也越来越快，确保列车在恶劣天气下的行车安全显得尤为重要。降雪发生时伴随的恶劣能见度对铁路产生很大的影响，在降雪之后地面形成的积雪会长时间阻碍交通运输的正常进行，扰乱市民的正工作和生活，降低生活交通运输效率。积雪造成轮轨之间摩擦力减小，很容易引起交通事故，白天经过太阳照射融化，晚上气温降低在铁轨上结冰，轨面摩擦系数更小，会导致列车在铁轨上刹车不灵，发生交通事故的概率会大大增加，严重威胁旅客的生命安全。因此利用雪深监测系统对降雪进行实时检测，并将测量数据发送到控制中心，控制中心根据灾害情况进行实时处理，采取相应措施比如降速、停运。

雪深测量的方法有很多：人工测量法、超声波测量法、激光测距法、视频图像法，人工测量法：观测人员用量雪尺多次测量雪深取平均值；超声波测量法：依靠超声波发射脉冲信号或者连续信号射向面，根据接收器收到雪面反射的信号，求积雪深度；激光测距法：与超声波法方法类似，只不过射出的信兮是激光脉冲或连续信号而不是超声波信号，根据接收器收到雪面反射的激光信号，求积雪深度；视频图像法：视频图像测量为相机拍摄前方的标杆识别雪埋深度。超声波受环境影响较大，一般测量距离比较短，测量精度较差；中国专利CN101762832公开了一种雪深测量方法及装置，该装置通过使用摄像机对垂直插入到积雪底部的雪标尺进行拍摄，雪标尺中间有一条竖向的深色测雪，标线周围为浅色衬底，利用图像处理技术得到深色测雪标线长度所对应的像素，从而根据像素求出积雪深度。此装置虽然结构简单，可以实时监测雪深，但不适用于测量在线运行的高速铁路的轨道内的积雪。激光测量传感器测量精度高，不受环境温度影响，性能优于超声波测量，广泛应用于积雪深度的测量，而大多数激光雪深仪只能实现单点测量，高速铁路轨道内积雪形成的雪面有可能是高低不平的，单点测量不能有效测量出轨道内的积雪深度，影响测量结果的精确性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多点雪深测量方法及装置，把激光位移传感器安装在云台内，通过控制云台旋转带动激光位移传感器转动实现对测量轨道内多个点的积雪进行测量。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种多点雪深测量方法，方法步骤如下：

步骤1)、搭建多点雪深测量装置：

一种多点雪深测量装置，包括云台、安装支架、激光位移传感器和倾角仪，激光位移传感器和倾角仪均固定在云台的护罩内，云台的护罩上开有透光孔，激光位移传感器发出的激光从上述透光孔中射出，激光位移传感器和倾角仪分布在云台护罩中心的两侧，云台底部通过螺栓固定在安装支架上，通过安装支架固定在立柱上。

步骤2)、将激光位移传感器和倾角仪调节水平。

步骤3)、标定倾角仪与激光位移传感器之间的夹角△α。

步骤4)、建立以立柱和地面交差点为原点，地面为X轴，垂向为Y轴的坐标系，云台俯仰巡航，测量无积雪情况下，激光位移传感器和倾角仪对待测区域进行测量，获取待测区域不同点分别对应的倾角仪的倾角θ和激光位移传感器的激光长度L₁。

步骤5)当待测区域覆盖积雪，获取待测区域不同点分别对应的倾角仪的倾角θ和激光位移传感器的激光长度L₂。

步骤6)同一个点，倾角仪的倾角θ相同，该点坐标(x,y)为：

x——待测点在坐标系xOy内的X轴坐标，即待测点与云台护罩旋转轴中心线之间的距离；

y——待测点在坐标系xOy内的Y轴坐标，即雪深值；

O₁——云台护罩旋转轴中心点；

OO₁——是云台护罩旋转轴中心点O₁到地面的距离

O₁O₂——云台护罩旋转半径；

O₂O₃——激光位移传感器发射点到护罩中心的距离；

x₁——为云台旋转半径的水平距离；

x₂——为待测点到云台护罩中心线的水平距离。

步骤7)重复上述步骤4)、5)、6)，使云台同一次巡航中测出待测区域内各点的雪深值及位置，绘制出多点测量的雪面图。

上述步骤3)中，标定方法如下：

步骤3-1)搭建多点雪深测量装置后，确定一个测量点，记录下激光测量值L₃和倾角值θ₁。

步骤3-2)在上述测量点上放置第一高度标准块，其高度为h_b，使用水准仪确保第一高度标准块水平，记录激光测量值L₄和倾角值θ₁，倾角仪与激光位移传感器之间的夹角△α：

Δα＝θ₁-acrsin((L₃-L₄)/h_b)

步骤3-3)在上述测量点上放置第二高度标准块，其高度h_c，使用水准仪确保第二高度标准块水平，记录激光测量值L₅和倾角值θ₁，第二高度标准块测量高度h：

h＝(L₃-L₅)sin(θ₁+Δα)

将h与h_c比较，若误差范围在±5mm内，即完成标定；否则重新标定。

一种多点雪深测量装置，包括云台、安装支架、激光位移传感器和倾角仪，激光位移传感器和倾角仪均固定在云台的护罩内，云台的护罩上开有透光孔，激光位移传感器发出的激光从上述透光孔中射出，激光位移传感器和倾角仪分布在云台护罩中心的两侧，云台底部通过螺栓固定在安装支架上，通过安装支架固定在立柱上。

本发明与现有技术相比，其显著优点：通过云台旋转使激光位移传感器转动，实现雪深多点测量；还装有高精度倾角仪用于雪深计算，与现有激光雪深装置相比具有精度高便于维修的；可绘制雪深曲线、原理简单、实时性高，便于推广。

附图说明

图1为本发明的多点雪深测量装置的整体结构示意图。

图2为本发明的云台结构示意图。

图3为本发明的云台护罩内部结构示意图。

图4为本发明的多点雪深测量方法原理图。

图5为本发明的多点雪深测量方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1、图2和图3，一种多点雪深测量装置，包括云台2、安装支架3、激光位移传感器4和倾角仪5，激光位移传感器4和倾角仪5均固定在云台2的护罩内，云台2的护罩上开有透光孔，激光位移传感器4发出的激光从上述透光孔中射出，激光位移传感器4和倾角仪5分布在云台2护罩中心的两侧，云台2底部通过螺栓固定在安装支架3上，通过安装支架3固定在立柱1上。

所述云台2工作在巡航模式下，只在垂直面内作俯仰运动，俯仰角度为25～45°；所述激光位移传感器4用于测量激光发射点与待测区域测量点的距离；所述倾角仪5用于测量出激光位移传感器4随云台2作俯仰运动时与云台2护罩水平时的夹角；所述立柱1用于将云台2置于待测区域上方，在云台2巡航模式时，可以巡航到整个待测区域，当雪深装置安装在高速铁路上时可为高铁供电立柱，雪深装置安装在高速公路时可为支撑立柱。

结合图4，以雪深装置安装在高速铁路供电立柱为例，测量高速铁路轨道内部积雪，在高速铁路轨道内设置若干个测量点，云台2工作在巡航模式测量这几个点，记录下待测区域各测量点的激光位移传感器4和倾角仪5初始输出值；当积雪覆盖待测区域时，云台2继续巡航，再记录下激光位移传感器4的测量值，对于同一点倾角值输出相同，相当于对同一点在下雪前与下雪后激光测量了两次。

结合图5，一种多点雪深测量的雪深测量方法，步骤如下：

步骤1：搭建多点雪深测量装置：一种多点雪深测量装置包括云台2、安装支架3、激光位移传感器4和倾角仪5，激光位移传感器4和倾角仪5均固定在云台2的护罩内，云台2的护罩上开有透光孔，激光位移传感器4发出的激光从上述透光孔中射出，激光位移传感器4和倾角仪5分布在云台2护罩中心的两侧，云台2底部通过螺栓固定在安装支架3上，通过安装支架3固定在立柱1上。

步骤2：将激光位移传感器4和倾角仪5调节水平，利用水平仪先测量出激光位移传感器4的倾斜角度，根据水平仪显示的值将激光位移传感器4调成水平，再测量出倾角仪5的倾斜角度，根据显示的值调成水平。

步骤3：标定出倾角仪5与激光位移传感器4之间的夹角：现场设备安装好后，通过测量标准块的方式，已知标准块高度h反推θ，同时采集倾角传感器输出的角度θ₁，进而确定△α值，具体步骤如下：

步骤3-1)搭建多点雪深测量装置后，确定一个测量点，记录下激光测量值L₃和倾角值θ₁；

步骤3-2)在上述测量点上放置第一高度标准块，其高度为h_b，使用水准仪确保第一高度标准块水平，记录激光测量值L₄和倾角值θ₁，倾角仪5与激光位移传感器4之间的夹角△α；夹角△α具有方向性；当倾角仪5所在平面在激光位移传感器4所在水平面上部时△α为负，当倾角仪5所在平面位于激光位移传感器4所在水平面下部时△α为正，倾角仪5与激光位移传感器4之间的夹角△α：

Δα＝θ₁-acrsin((L₃-L₄)/h_b)

步骤3-3)在上述测量点上放置第二高度标准块，其高度h_c，使用水准仪确保第二高度标准块水平，记录激光测量值L₅和倾角值θ₁，第二高度标准块测量高度h：

h＝(L₃-L₅)sin(θ₁+Δα)

将h与h_c比较，若误差范围在±5mm内，即完成标定；否则重新标定。

步骤4：建立以立柱1和地面交差点为原点，地面为X轴，垂向为Y轴的坐标系，云台2俯仰巡航，测量无积雪情况下，激光位移传感器4和倾角仪5对待测区域进行测量，获取待测区域不同点分别对应的倾角仪的倾角θ和激光位移传感器的激光长度L₁，激光点位置为P1。

步骤5：当待测区域覆盖一定厚度的积雪后，云台2巡航，获取待测区域不同的测量点分别对应的倾角仪的倾角θ和激光位移传感器的激光长度L₂，激光点位置为P2：

步骤6：同一倾角θ下，根据两次记录的激光测量值和倾角值得到测量点坐标(x,y)：

x——待测点在坐标系xOy内的X轴坐标，即待测点与云台护罩旋转轴中心线之间的距离；

y——待测点在坐标系xOy内的Y轴坐标，即雪深值；x₁——为云台旋转半径的水平距离

x₁——为云台旋转半径的水平距离；

x₂——为待测点到云台护罩中心线的水平距离；

O₁——云台旋转轴中心点；

O₁O₂——云台旋转半径；

OO₁——是云台护罩旋转轴中心点O₁到地面的距离；

O₂O₃——激光位移传感器发射点到护罩中心的距离；

θ+△α——为激光光线与水平面的夹角；

——为云台旋转半径与水平面的夹角，实际大小与标定角度△α有关。

为了绘制出二维雪深图形，需要求出待测点x轴的坐标，坐标中x的大小是下雪后照射到雪面上的激光点到直线O O₁的距离，x₁为云台旋转半径的水平距离、x₂为待测点到云台护罩中心线的水平距离，云台俯仰时，云台旋转半径不变，旋转角度会发生变化，水平距离x₁的大小与角度有关；x₂为待测点到护罩中心线的水平距离，照射在雪面上的激光点到护罩中心线的距离由两部分组成，一部分是激光发射点到被测点之间的距离即激光位移值L₂，另一部分是激光发射点到护罩中线之间的距离。

步骤7：重复上述步骤4、5、6，使云台同一次巡航中测出待测区域内各点的雪深值及位置，绘制出多点测量的雪面图。

Claims (1)

1.一种多点雪深测量方法，其特征在于，方法步骤如下：

步骤1)、搭建多点雪深测量装置：

一种多点雪深测量装置，包括云台(2)、安装支架(3)、激光位移传感器(4)和倾角仪(5)，激光位移传感器(4)和倾角仪(5)均固定在云台(2)的护罩内，云台(2)的护罩上开有透光孔，激光位移传感器(4)发出的激光从上述透光孔中射出，激光位移传感器(4)和倾角仪(5)分布在云台(2)护罩中心的两侧，云台(2)底部通过螺栓固定在安装支架(3)上，通过安装支架(3)固定在立柱(1)上；

步骤2)、将激光位移传感器(4)和倾角仪(5)调节水平；

步骤3)、标定倾角仪(5)与激光位移传感器(4)之间的夹角Δα，标定方法如下：

步骤3-1)搭建多点雪深测量装置后，确定一个测量点，记录下激光测量值L₃和倾角值θ₁；

步骤3-2)在上述测量点上放置第一高度标准块，其高度为h_b，使用水准仪确保第一高度标准块水平，记录激光测量值L₄和倾角值θ₁，倾角仪(5)与激光位移传感器(4)之间的夹角Δα：

Δα＝θ₁-acrsin((L₃-L₄)/h_b)

步骤3-3)在上述测量点上放置第二高度标准块，其高度h_c，使用水准仪确保第二高度标准块水平，记录激光测量值L₅和倾角值θ₁，第二高度标准块测量高度h：

h＝(L₃-L₅)sin(θ₁+Δα)

将h与h_c比较，若误差范围在±5mm内，即完成标定；否则重新标定；

步骤4)、建立以立柱和地面交差点为原点，地面为X轴，垂向为Y轴的坐标系，云台(2)俯仰巡航，测量无积雪情况下，激光位移传感器(4)和倾角仪(5)对待测区域进行测量，获取待测区域不同点分别对应的倾角仪的倾角θ和激光位移传感器的激光长度L₁；

步骤5)当待测区域覆盖积雪，获取待测区域不同点分别对应的倾角仪的倾角θ和激光位移传感器的激光长度L₂；

步骤6)同一个点，倾角仪的倾角θ相同，该点坐标(x,y)为：

x——待测点在坐标系xOy内的X轴坐标，即待测点与云台护罩旋转轴中心线之间的距离；

y——待测点在坐标系xOy内的Y轴坐标，即雪深值；

O₁——云台护罩旋转轴中心点；

O O₁是云台护罩旋转轴中心点O₁到地面的距离

O₁O₂——云台护罩旋转半径；

O₂O₃——激光位移传感器发射点到护罩中心的距离；

x₁——为云台旋转半径的水平距离；

x₂——为待测点到云台护罩中心线的水平距离；

步骤7)重复上述步骤4)、5)、6)，使云台同一次巡航中测出待测区域内各点的雪深值及位置，绘制出多点测量的雪面图。