CN106092069A - 一种地下工程施工中的导向和位移监测的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种地下工程施工中的导向和位移监测的装置，包括靶标、准直光源；所述靶标由示踪光学介质、成像组件、传感器组件以及信息处理组件组成；示踪光学介质具有显示光束传播踪迹的作用；本发明可以利用高散射材料或荧光效应增强光束踪迹的显示效果，采用双目或多目成像测量已经示踪光束的空间指向，测角误差小，导向精度高。其通用性强，适合用于工程施工导向，以及机器人、车船引导等；装在盾构机上，可及时发现、纠正掘进路线偏离隧道设计轴线的现象；在地基沉降、桥梁变形等监测任务中，靶标可串列运行，多个测量节点使用同一个方向基准，测量误差不随测量链的长度加长而增大。

Description

一种地下工程施工中的导向和位移监测的装置

技术领域

本发明涉及检测角度及位移量的装置，特别涉及一种地下工程施工中的导向和位移监测的装置。

背景技术

(1)靶标在激光导向中的应用

在隧道施工时，用激光导向技术提高掘进的准确性和施工效率。激光导向系统由准直光束和靶标组成：其中，准直光束起到基准线的作用；固定在盾构机上，用于检测光束入射方向的仪器，简称为“靶标”。已有的导向系统使用的靶标主要有两类：

①双屏幕型：由金属小孔板及前、后接收屏组成。前、后屏均是有机玻璃板，上面刻有坐标方格。读出激光光斑的坐标值，计算入射激光的方向角。

②单屏幕型：入射激光照射靶标前部的透明屏，形成散射光斑；进入标靶内部的激光，经透镜后形成第二个光斑。通过检测两个光斑在屏上的位置、计算入射光与标靶轴线的夹角。

(2)靶标在位移(沉降、形变)监测中的应用

监测建筑位移(形变)、地基沉降的方法之一，是用准直光束照射远处靶标，用摄像机测量光斑在靶标上的位移量，折算地基或建筑的沉降、形变量。上述靶标的共性特点是，以屏幕截取点状光斑，拟合出一条“线”，计算该光线的入射角或位移量。

两种靶标有以下局限性：

①图像测量的采样点少(只有1～2个点)。常用的降低误差的有效方法(增加采样点以及最小二乘法等)，在这类靶标中无用武之地。

②已有的多屏幕检测装置中，至少有1个屏幕是不透明的。在有多个测量节点的链路中，不透明屏幕隔断了相邻节点的光束传播通道。

发明内容

针对现有技术中的上述不足之处，本发明的目的是提供一种监测装置，所述装置中的示踪光学介质的有效厚度，大于传统装置中的显示屏幕，利用高散射光学介质的散射光或荧光增强光束踪迹的显示效果，根据双目或多目立体视觉原理，测量己经示踪光束的空间指向。

为达到上述目的，本发明提供一种地下工程施工中的导向和位移监测的装置，包括：靶标、准直光源。

所述准直光源产生的平行光束是施工的方向基准；准直光源可以是连续或强度调制的独立光源，或者采用全站仪内置的光源。

所述靶标由示踪光学介质、成像组件、传感器组件、信息处理组件以及底座组成。所述示踪光学介质、传感器组件、信息处理组件均安装在底座上。所述靶标的数量N大于或等于1

所述示踪光学介质为高散射材料。所述示踪光学介质内还可以掺有起散射作用的金属纳米颗粒，或无机化合物胶体，或者荧光剂，起到增强光束示踪效果的作用。光束照射介质时，部分光能量转换成散射光或/和荧光，导致局部呈现高亮度区，其几何轮廓反映入射光束的传播路径的踪迹。

为便于说明，本发明中定义示踪光学介质的入射面为底面，与底面垂直的面称为侧面，与底面垂直的边称为高。

所述成像组件包括至少1台摄像机，摄像机位于示踪光学介质的周围，分别从不同视角拍摄示踪光学介质中侧向散射光、或荧光形成的路径或光斑，摄像机视频信号通过电缆传送到信息处理组件。

所述传感器组件包括温度传感器、俯仰倾角仪和滚转倾角仪；传感器的电信号通过电缆输入到信息处理组件。

所述信息处理组件由信号调理电路、同步电路和工控机组成。工控机的作用是，依据摄像机视频信号和传感器信号，检测入射光束的入射点坐标及入射方向。

如果示踪光学介质的高大于或等于底面短边长的30％，所述检测装置中包含的示踪光学介质的数量为1。靶标坐标系的ox轴与长方体靶标的长边平行；摄像机位于ox、oy、oz轴附近，从不同视角采集介质中的散射光或/和荧光；示踪光学介质内部侧向散射光或/和荧光形成亮度渐变、截面形状渐变的柱状亮区；摄像机采集的图像反映光束的传播路径的踪迹；依据光束传播路径踪迹视频信号和传感器信号，信息处理组件测量光束轴线的坐标；比较相邻时刻的两幅图像，计算出入射点坐标随时间的变化量，得到靶标相对于基准光束的位移量的检测结果；采用双目(多目)立体视觉方法，检测光束在介质中的折射角及入射点的几何位置；在测量出光束在介质中的折射角之后，利用温度传感器输出的介质温度值t，确定空气和示踪光学介质的折射率n_空气(t)和n_介质(t)，然后根据折射定律计算光束在空气中的入射角。

如果示踪光学介质的高小于底面短边长的30％，所述检测装置中包含的示踪光学介质的数量为N，且N满足2≤N≤20。N块示踪光学介质固定在地基或建筑的N个被测点上。采用1个准直光源，所述光源固定在基准点上，发射光束顺次透过N个示踪光学介质，形成测量链。示踪光学介质的周围，安放成像组件、传感器组件和信息处理组件。摄像机采集介质中散射光或/和荧光，记录光束产生的光斑以及在介质中传播的路径踪迹。依据光束传播路径踪迹视频信号和传感器信号，信息处理组件检测光斑质心(及踪迹)在被测点处的坐标；比较质心几何位置的变化量，得到被测点相对于基准线的位移量。最后根据相邻示踪光学介质的两个光斑的质心坐标，测量两质心连线的方向(方位角、俯仰角、滚转角)，此角度即光束入射方向角的检测结果。

综上所述，在盾构、隧道、坑道等地下施工、土石方施工作业中，都需要高精度的导向系统以及某些关键固定点的位移监测系统，本发明提供一种地下工程施工中的导向和位移监测的装置，与传统装置中测量对象是“屏”上的光斑不同，本发明中测量的是“散射体”中示踪光束的空间指向，可以利用高散射材料或荧光效应增强光束踪迹的显示效果，采用双目或多目成像测量已经示踪光束的空间指向，测角误差小，导向精度高。其通用性强，适合用于工程施工导向，以及机器人、车船引导等；装在盾构机上，可及时发现、纠正掘进路线偏离隧道设计轴线的现象；在地基沉降、桥梁变形等监测任务中，靶标可串列运行，多个测量节点使用同一个方向基准，测量误差不随测量链的长度加长而增大。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明实施例一中靶标安装在盾构机上的示意图；

图3为本发明实施例二中两个靶标串列运行的示意图；

附图标记：

1.准直光源；2.示踪光学介质；3.摄像机；1a.光束；4.温度传感器；5.信息处理组件；6.俯仰角倾角仪；7.滚动角倾角仪；8.底座；9.盾构机；10.靶标坐标系o-xyz；11.盾构机坐标系O-XYZ。

具体实施方案

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明“一种地下工程施工中的导向和位移监测的装置”由准直光源1和靶标两部分组成。所述靶标包括：示踪光学介质2、摄像机3、温度传感器4、信息处理组件5、俯仰角倾角仪6、滚动角倾角仪7、底座8。

实施例一

如图2所示，靶标安装在盾构机9上，组成光学导向及位移监测装置：测量示踪光学介质中侧向散射光、或荧光的路径相对于盾构机轴线的几何方向，并测量光斑的位移。

所述准直光源1固定在大地坐标系基准点上。准直光源1产生的平行准直光束1a是施工场地的方向基准，光源采用全站仪内置的光源。光源的波长760nm，强度调制发光，光源平均功率5毫瓦。

示踪光学介质2的材料采用亚克力，形状为30cm*30cm*50cm(长*宽*高)的长方体。

准直光束1a从示踪光学介质一个底面入射，透射光束和散射光分别经示踪光学介质另一个底面、侧面进入摄像机3。

摄像机采集侧向散射光或荧光7，形成亮度渐变、截面形状渐变的柱状亮区；柱状轮廓长度约50cm，横截面直径1mm至50mm。示踪光学介质2横截面尺度≥100mm，光束倾斜入射时，介质侧壁不会阻挡光束传播的路径踪迹。

摄像信号通过电缆输入到信息处理组件5。

温度传感器4，俯仰倾角仪6、滚转倾角仪7安放在示踪光学介质的右侧的底座8上；传感器电信号通过电缆输入到信息处理组件5。

信息处理组件5由信号调理电路、同步电路和工控机三部分组成；工控机的作用是，依据图像信号和传感器信号，检测入射光束1a相对于靶标坐标系o-xyz的方向角。

使用方法包括以下步骤：

①准备步骤：标定示踪光学介质的折射、散射与光束传播路径的关系。

根据温度传感器4输出的介质温度值t，确定空气和示踪光学介质的折射率：n_空气(t)和n_介质(t)；

②设定导向的基准：光束1a是施工现场的方向基准。

③检测光束传播路径的踪迹：

摄像机3从不同视角采集图像。获得光束的传播路径的踪迹：亮度渐变、截面形状渐变的柱状亮区。信息处理组件将柱状图像细化，提取光束传播路径的轴线。根据双目(或多目)立体视觉模型，基于摄像机采集的图像信息算出光束的轴线在示踪光学介质2中的折射角B_介质；然后，根据折射定律外推光束1a的入射角A_空气，即光束相对于ox轴的方向(方位角、俯仰角、滚转角)：

n_空气(t)·sin A_空气＝n_介质(t)·sin B_介质

④检测盾构机姿态角：

综合全站仪对靶标测距的数据、倾角仪6和7的数据，得到靶标坐标系相对于大地坐标系的几何位置；图2盾构机坐标系11中，光束矢量OP与入射光束1a平行。矢量OQ与OX的夹角，即是入射光束在盾构机坐标系中的方位角。根据立体几何坐标变换公式，计算出盾构机的姿态角(盾构机偏航角、坡度角、滚转角)。

综上所述，传统靶标的原始测量数据是屏幕上的两个“点”；本靶标的原始测量数据是介质中的一条“线”(光束传播路径)，通过增大原始数据的信息量、有效地减小了测角误差。

实施例二

本实施例用于检测道路沉降。

如图3所示，准直光源1固定在路基基准点上，发出准直激光束1a，光源采用全站仪内置的光源。光源的波长760nm，强度调制发光，光源平均功率5毫瓦。

本例串列布设两个相同的示踪光学介质，采用亚克力材料，形状为30cm*30cm*1cm(长*宽*高)的长方体。

靶标固定在被测点上，示踪光学介质2的oz轴与铅直线平行，ox轴位于水平面；ox轴示踪光学介质的底面的法线的夹角为45度。摄像机3沿法线采集介质中散射光/荧光7。示踪光学介质2中，散射光/荧光7形成一个近似椭圆形的光斑(其轮廓还与容器的高相关)。

当被测点的路基发生沉降时，激光光斑会产生位移。通过比较相邻时刻同一示踪光学介质中光斑质心位置的变化，折算路基的位移(沉降)量。

本实施例中，光束1a顺次透射两个示踪光学介质，相邻示踪光学介质所测得的两个光斑质心的连线的方向(方位角、俯仰角、滚转角)，是本装置对光束1a轴线入射方向角的检测结果。

Claims (5)

1.一种地下工程施工中的导向和位移监测的装置，包括：靶标、准直光源；所述靶标由示踪光学介质、成像组件、传感器组件、信息处理组件以及底座组成；所述示踪光学介质、传感器组件、信息处理组件均安装在底座上；所述示踪光学介质为高散射材料；所述成像组件包括至少1台摄像机，摄像机位于光学介质的周围，成像组件的信号通过电缆传送到信息处理组件；所述传感器组件包括温度传感器、俯仰倾角仪和滚转倾角仪，传感器组件的电信号通过电缆输入到信息处理组件；所述信息处理组件由信号调理电路、同步电路和工控机组成；所述靶标的数量N大于或等于1。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，当所述示踪光学介质的高小于底面的短边长的30％时，所述靶标的数量N满足2≤N≤20，所述N个靶标固定在地基或建筑的N个被测点上。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述成像组件的信号为所述示踪光学介质侧向散射光和/或荧光形成的光束的视频信号。

4.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述装置采用双目或多目成像测量已经示踪光束的空间指向。

5.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述准直光源是连续或强度调制的独立光源，或者是全站仪内置的光源，所述准直光源所发射的光束作为施工的基准方向。