CN112162264A - 一种用于沉井的声呐测量支架及测量方法 - Google Patents

一种用于沉井的声呐测量支架及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于沉井的声呐测量支架，其特征在于包括：基架(1)，用于架设在沉井的井口上；连接杆(2)，竖向设置并能上下移动地连接在基架(1)上，以伸入或伸出沉井，该连接杆(2)的底部设有用于连接声呐探头(100)的连接部(21)；驱动机构(3)，设置在基架(1)上并与连接杆(2)传动连接，以驱动连接杆(2)上下移动。本发明还公开了应用上述声呐测量支架的测量方法。与现有技术相比，本申请无需工作人员下至井内即可测量沉井。

Description

一种用于沉井的声呐测量支架及测量方法
技术领域
本发明属于声呐测量技术领域，具体涉及一种用于沉井的声呐测量支架及测量方法。
背景技术
污水沉井是一种现代建设工程中经常碰到的地下障碍物，为了保证建设工程顺利安全实施，一般需要查明污水沉井准确的地下空间位置以及连接管道。目前普遍采用的方法是蛙人下井测量，该方法存在人员安全问题，且测量精度低(精确一般为±50cm)。
声呐是一种海洋领域常用的水下测量设备，其利用声波在水下的传播特性，通过电声转换和信息处理，完成水下探测，如申请号为CN201810753834.8的发明专利申请《一种基于图像声呐的水下定位系统及其工作方法》(申请公布号为CN108614269A)、专利号为ZL201620626800.9的实用新型专利《一种侧扫声呐固定式拖曳杆》(授权公告号为CN205691769U)等公开的结构。
现有技术中也有将声呐应于测量桥梁沉井水下的情况，如专利号为ZL201810134126.6的发明专利《一种桥梁沉井水下三维机械扫描声呐监测方法》(授权公告号为CN108316365B)，其包括如下步骤：选择未施工沉井隔仓，将三维机械扫描声呐下放至水下，进行扫测；对三维机械扫描声呐采集的数据采用处理软件进行拼图和除噪，得到三维点云立体图像；在三维点云立体图像中获取所需信息。该方法采用声呐进行水下监测，不再需要潜水员下水探摸，但仍需要工作人员下至沉井内，以安装声呐装置；同时，声呐采集到的数据坐标仅是相对坐标，即声呐只能检测沉井内部的形状、尺寸等参数，而无法知道这些参数与沉井所在的当地绝对坐标的关系，也就是声呐采集到的相对坐标无法转换到沉井所在的当地绝对坐标，进而不利于工作人员根据当地的坐标了解沉井内部的情况。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是针对现有技术的现状，提供一种无需工作人员下至井内即可测量沉井的用于沉井的声呐测量支架。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种能将声呐测得的相对坐标数据转换为当地绝对坐标的用于沉井的声呐测量支架。
本发明所要解决的第三个技术问题是提供一种应用上述声呐测量装置对沉井进行测量的测量方法。
本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种用于沉井的声呐测量支架，其特征在于包括：
基架，用于架设在沉井的井口上；
连接杆，竖向设置并能上下移动地连接在基架上，以伸入或伸出沉井，该连接杆的底部设有用于连接声呐探头的连接部；
驱动机构，设置在基架上并与连接杆传动连接，以驱动连接杆上下移动。
进一步地，所述基架包括：
操作板，水平设置，其上开设有供连接杆穿过的通孔；
支撑脚，其上端部与操作板相连，以将操作板水平支撑在上述井口之上，该支撑脚有至少三个，且各支撑脚分布在上述通孔的外围。
为保证连接杆能沿着通孔上下移动并保持竖直状态而不倾斜，进一步地，还包括有导向板，该导向板竖向设置在所述操作板上并与连接杆相对，导向板与连接杆上设有相互配合的导向条和导向卡槽，且导向条和导向卡槽竖向延伸。
为使操作板处于水平位置，各所述支撑脚上分别设有用于调节支撑高度的调节结构，以使操作板处于水平状态。
操作板上设有显示操作板是否处于水平位置的水平气泡仪。
上述调节结构可采用伸缩方式、增加或减少垫片的方式等，优选地，所述调节结构包括螺柱、螺母和底座，所述螺柱的上端沿着支撑脚的长度方向插设在支撑脚的下端内并与支撑脚螺纹连接，螺柱的下端具有球头部，所述螺母套设在螺柱上，所述底座上设有供所述球头部卡入而使球头部沿其转动的凹槽。进而通过转动螺柱，并将螺母拧紧并抵接在支撑脚的下端面上即可实现调节定位。
在上述方案中，所述驱动机构包括齿轮、与齿轮相连以驱动齿轮转动的手轮，所述连接杆上设有与齿轮配合的齿条，该齿条竖向延伸。操作者手动旋转手轮，即可带动齿轮转动，进而驱动连接杆上下移动。当然，驱动机构也可采用电机驱动齿轮转动。本申请考虑到沉井一般位于室外，为了便于操作，优选手轮手动驱动。
声呐探头的顶部一般连接有导线，为连接声呐探头且使得导线能穿出，所述连接部的纵截面呈“凸”字型，其包括上下相连的竖板和横板，所述横板上设有用于连接声呐探头的连接孔，且横板中央开设有供声呐探头上的导线穿过的导线孔，所述竖板底部上开设有与导线孔相贯通以供导线穿出的开口，竖板顶部与连接杆的底部相连。
为进一步解决上述第二个技术问题，优选地，所述声呐探头上设有指示箭头，该指示箭头指向声呐探头本身的坐标系统里的其中任何一个方向；所述连接杆的顶部设有用于安装棱镜或天线的接头，且连接杆的顶部设有激光发射器，激光发射器射出的激光方向与声呐探头上指示箭头的指向一致。在使用时，棱镜配合全站仪使用，天线配合GPS 测量仪使用，棱镜与全站仪，以及天线与GPS测量仪之间的使用方式参照现有技术。现有的声呐上的指示箭头多指向声呐探头本身的坐标系统里的北方向(即三维系统中Y 轴指向的方向)，以示意使用者在得到测量到的坐标数据时根据这个方向进行处理。当然，指示箭头也可指向其它方向，如南方向、南北方向等。
该激光发射器优选为激光笔。
所述声呐优选为能实现三维扫描的双轴扫描声呐(即DAS声呐)。
双轴扫描声呐是一种主动声呐，利用发射基阵向水中发射声脉冲，通过这些脉冲产生的回声对水下目标进行测距、定位及识别。
扫描声呐连续发射调频波，遇到目标时就会产生回波，由于声呐与目标都是静止的，回波的形状与发射信号只不过落后一段时间2R/c(其中R代表距离，c代表声速)。目标距离R越大，回波落后时间就越长，则在同一时刻回波频率与发射频率之间的差值f就越大。将目标的回波和发射波同时送入混频器中，在混频器的输出端利用频率选择器就可以算出差值f，进而得出距离R值。由于双轴扫描声呐采用双轴系统，是一种三维扫描声呐系统，扫描获取的距离R为两者之间的空间距离，进而可以获取目标物相对于声呐探头的三维坐标X，Y，Z，给人以良好的立体效果，更加逼真、形象。
本发明解决上述第三个技术问题所采用的技术方案为：一种应用有如上所述的声呐测量支架进行测量的测量方法，其特征在于包括如下步骤：
一、将基架架设在沉井的井口上，将声呐探头安装在连接杆的连接部上，然后向下移动连接杆，使声呐探头伸入沉井内；
二、待声呐探头下沉至所需位置时，启动声呐进行扫描，并获得沉井内的目标物相对于声呐探头的相对坐标值；同时，采用与棱镜配合的全站仪或者与天线配合的GPS 测量仪测量激光方向上至少一点和连接杆上至少一点的绝对坐标值，或采用与棱镜配合的全站仪或者与天线配合的GPS测量仪测量激光方向上至少两点的绝对坐标值；为提高结果的准确性，所取的两点的位置尽可能远。
三、以上述绝对坐标值所在的坐标系为目标坐标系，将相对坐标值进行坐标转换，即将相对坐标值转换为目标坐标系中的坐标值即可。
与现有技术相比，本发明的优点在于：通过设置基架、连接杆和驱动机构，使得声呐通过连接杆即可伸入沉井内进行测量，解决了传统蛙人下井测量带来的安全问题；且本申请采用声呐测量，能将测量精度提升至±5cm；通过在连接杆顶部设置用于安装棱镜或天线的接头，并安装激光发射器，结合本申请的测量方法，实现了将声呐采集的相对坐标数据转换到当地绝对坐标，使得得到的数据更加直观明了；同时，本申请的支架结构简单，便于实施。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例另一视角的结构示意图；
图3为本发明实施例的使用状态图；
图4为图1中A部的放大图；
图5为图3中B部的放大图；
图6为图3中C部的放大图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1～6所示，为本发明的一种用于沉井的声呐测量支架及测量方法的一个优选实施例，该声呐测量支架包括基架1、连接杆2、驱动机构3和导向板4。
其中，基架1包括操作板11和支撑脚12；操作板11呈“工”字型，其板面朝上水平设置，操作板11的中央开设有供连接杆2穿过的通孔110；且操作板11的板面上设有水平气泡仪5。支撑脚12有四个，各支撑脚12的上端部与操作板11四周的角部相连，支撑脚12向外倾斜设置，支撑脚12的下端部支撑在地面上并位于沉井的井口外围，以将操作板11水平支撑在沉井的井口之上。
沉井井口附近的地面可能存在高低不平的情况，为使操作板11保持水平，各支撑脚12上分别设有用于调节支撑高度的调节结构，该调节结构包括螺柱13、螺母14和底座15，螺柱13的上端沿着支撑脚12的长度方向插设在支撑脚12的下端内并与支撑脚 12螺纹连接，螺柱的13下端具有球头部131，螺母14套设在螺柱13上，底座15上设有供球头部131卡入而使球头部131沿其转动的凹槽151，支撑脚12通过螺柱13和底座15支撑在地面上。具体请参见图5。
上述连接杆2的横截面为矩形，其竖向穿插在通孔110内，并能上下移动以伸入或伸出沉井。该连接杆2的底部设有用于连接声呐探头100的连接部21，连接部21的纵截面呈“凸”字型，其包括上下相连的竖板21a和横板21b，横板21b上设有用于连接声呐探头100的连接孔210，且横板21b中央开设有供声呐探头100上的导线穿过的导线孔211，竖板21a底部上开设有与导线孔211相贯通以供导线穿出的开口212，竖板 21a顶部与连接杆2的底部相连。如图1、2、3、6所示，连接杆2的顶部设有用于安装棱镜或RTK天线的接头22，该接头22竖直向上延伸，接头22顶部设有螺纹连接部221，与棱镜或RTK天线螺纹连接，且连接杆2的顶部设有激光笔23，本实施例中声呐为能实现三维扫描的双轴扫描声呐，声呐探头100其自身具有坐标系统，该坐标系统以声呐探头100顶面的中心点为原点，声呐探头100上设有指示箭头100a，该指示箭头100a 指向声呐系统本身的坐标系统里的北方向(即Y轴指向的方向)，激光笔23的朝向，即激光方向与指示箭头100a的指向一致。本实施例中，连接杆2为数根长度为1.5米的标准杆首尾连接而成，连接杆2的实际长度可根据沉井的深度进行更换。
上述驱动机构3设置在基架1上并与连接杆2传动连接，以驱动连接杆2上下移动。该驱动机构3包括齿轮31、与齿轮31相连以驱动齿轮31转动的手轮32，连接杆2的其中一侧面上设有与齿轮31配合的齿条24，该齿条24沿着连接杆2的竖向延伸。本申请中手轮32可直接与齿轮31相连以驱动齿轮31转动，也可通过其他传动结构与齿轮 31相连。
如图1～4所示，为保证连接杆2仅能竖向移动，上述导向板4立设在操作板11上，与操作板11相垂直，并与连接杆2的另一侧面相对，连接杆2的另一侧面上凸设有竖向延伸的导向条25，导向板4上设有供导向条25卡入并沿其移动的导向卡槽40，本实施例中导向卡槽40有两个并上下分布，导向卡槽40沿竖向延伸(当然，导向条25与导向卡槽40之间的位置可互换，即导向条25设于导向板4上，导向卡槽40设在连接杆25上)。导向板4能保证连接杆2移动方向的同时，还能避免连接杆2发生转动，进而使得声呐探头100在沉井内的指向是固定的，保证测量准确性。
本实施例中应用上述声呐测量支架对沉井进行测量的方法包括如下步骤：
一、将基架1架设在沉井的井口上，并调节支撑脚12使操作板11处于水平状态，将声呐探头100安装在连接杆2的连接部21上，然后转动手轮32，连接杆2向下移动，使声呐探头100伸入沉井内；
二、待声呐探头100下沉至所需位置时，启动声呐进行扫描，并获得沉井内的目标物相对于声呐探头100的相对坐标值(该相对坐标值为声呐探头自身坐标系统内的数值)；同时，采用与棱镜配合的全站仪或者与RTK天线配合的GPS测量仪测量激光方向上任意一点和连接杆2顶点的绝对坐标值(当然，也可仅测量激光方向上任意两点的绝对坐标值)；
三、以上述绝对坐标值所在的坐标系为目标坐标系，根据声呐探头100顶面的中心点与连接杆顶点之间的距离、激光方向上任意一点的绝对坐标值与声呐自身坐标系统内 Y轴方向上对应点的坐标值之间的关系，将相对坐标值进行坐标转换，即将相对坐标值转换为目标坐标系中的坐标值即可。坐标转换参照现有技术中坐标转换的方法，可采用转换软件进行转换，也可手动转换。全站仪或GPS测量仪测得的某一点的绝对坐标值就好比该点在宁波地图、中国地图、甚至世界地图上的位置，将相对坐标值进行坐标转换，就可得到声呐测量出的沉井各部分结构在地图上的位置，结果直观、形象。
与现有技术相同的是，声呐探头100在扫描过程中，配合声呐数据处理器使用，可以调整轮廓参数以优化轮廓点提取，配置文件参数也可以在任何记录的数据上进行更改，通过选择重写记录配置文件以备进一步优化。为了自动执行3D扫描，需要额外的设置来启动自动倾斜和定义倾斜范围，设置分析和自动倾斜扫描参数，开始采集数据。且声呐扫描采集到的数据可导入CAD软件或者点云数据处理软件，如Riscan Pro中，利用软件中的量测功能，即可得到沉井的管口尺寸、管底埋深等数据。

Claims (10)

1.一种用于沉井的声呐测量支架，其特征在于包括：
基架(1)，用于架设在沉井的井口上；
连接杆(2)，竖向设置并能上下移动地连接在基架(1)上，以伸入或伸出沉井，该连接杆(2)的底部设有用于连接声呐探头(100)的连接部(21)；
驱动机构(3)，设置在基架(1)上并与连接杆(2)传动连接，以驱动连接杆(2)上下移动。
2.根据权利要求1所述的声呐测量支架，其特征在于所述基架(1)包括：
操作板(11)，水平设置，其上开设有供连接杆(2)穿过的通孔(110)；
支撑脚(12)，其上端部与操作板(11)相连，以将操作板(11)水平支撑在上述井口之上，该支撑脚(12)有至少三个，且各支撑脚(12)分布在上述通孔(110)的外围。
3.根据权利要求2所述的声呐测量支架，其特征在于：还包括有导向板(4)，该导向板(4)竖向设置在所述操作板(11)上并与连接杆(2)相对，导向板(4)与连接杆(2)上设有相互配合的导向条(25)和导向卡槽(40)，且导向条(25)和导向卡槽(40)竖向延伸。
4.根据权利要求2所述的声呐测量支架，其特征在于：各所述支撑脚(12)上分别设有用于调节支撑高度的调节结构，以使操作板(11)处于水平状态。
5.根据权利要求4所述的声呐测量支架，其特征在于：所述调节结构包括螺柱(13)、螺母(14)和底座(15)，所述螺柱(13)的上端沿着支撑脚(12)的长度方向插设在支撑脚(12)的下端内并与支撑脚(12)螺纹连接，螺柱(13)的下端具有球头部(131)，所述螺母(14)套设在螺柱(13)上，所述底座(15)上设有供所述球头部(131)卡入而使球头部(131)沿其转动的凹槽(151)。
6.根据权利要求1所述的声呐测量支架，其特征在于：所述驱动机构(3)包括齿轮(31)、与齿轮(31)相连以驱动齿轮(31)转动的手轮(32)，所述连接杆(2)上设有与齿轮(31)配合的齿条(24)，该齿条(24)竖向延伸。
7.根据权利要求1所述的声呐测量支架，其特征在于：所述连接部(21)的纵截面呈“凸”字型，其包括上下相连的竖板(21a)和横板(21b)，所述横板(21b)上设有用于连接声呐探头(100)的连接孔(210)，且横板(21b)中央开设有供声呐探头(100)上的导线穿过的导线孔(211)，所述竖板(21a)底部上开设有与导线孔(211)相贯通以供导线穿出的开口(212)，竖板(21a)顶部与连接杆(2)的底部相连。
8.根据权利要求1～7任一权项所述的声呐测量支架，其特征在于：所述声呐探头(100)上设有指示箭头(100a)，该指示箭头(100a)指向声呐探头(100)本身的坐标系统里的其中任何一个方向；所述连接杆(2)的顶部设有用于安装棱镜或天线的接头(22)，且连接杆(2)的顶部设有激光发射器，激光发射器射出的激光方向与声呐探头(100)上指示箭头(100a)的指向一致。
9.根据权利要求8所述的声呐测量支架，其特征在于：所述声呐为能实现三维扫描的双轴扫描声呐。
10.一种应用有如权利要求8或9所述的声呐测量支架进行测量的测量方法，其特征在于包括如下步骤：
一、将基架(1)架设在沉井的井口上，将声呐探头(100)安装在连接杆(2)的连接部(21)上，然后向下移动连接杆(2)，使声呐探头(100)伸入沉井内；
二、待声呐探头(100)下沉至所需位置时，启动声呐进行扫描，并获得沉井内的目标物相对于声呐探头(100)的相对坐标值；同时，采用与棱镜配合的全站仪或者与天线配合的GPS测量仪测量激光方向上至少一点和连接杆(2)上至少一点的绝对坐标值，或采用与棱镜配合的全站仪或者与天线配合的GPS测量仪测量激光方向上至少两点的绝对坐标值；
三、以上述绝对坐标值所在的坐标系为目标坐标系，将相对坐标值进行坐标转换，即将相对坐标值转换为目标坐标系中的坐标值即可。
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