CN114265071A - 一种深井三维测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种深井三维测量装置，包括多波束声呐装置、旋转机电装置和安装支架组件，多波束声呐装置包括通过电缆连接的声呐主机、声呐换能器和计算机，计算机内预装有数据采集与分析软件；旋转机电装置包括安装箱体、减速电机、轴承和霍尔角度传感器，安装支架组件包括三脚架和连接杆，安装箱体安装于三脚架的上方，连接杆的下端与声呐换能器固定连接，上端向上伸入安装箱体内并通过轴承与安装箱体的底板转动连接，减速电机通过传动机构与连接杆的上端驱动连接，用于监测连接杆的旋转角度的霍尔角度传感器设于连接杆的上方。本发明实现了高效的、准确的深井三维测量，解决了当前深井测量手段不足，效率低下的实际问题。

Description

一种深井三维测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于水下三维测量技术领域，具体涉及一种深井三维测量装置及测量方法，适用于（污水）深井、水洞、（水淹）巷道、码头下、大桥下等水下三维形态的测量。

背景技术

深井是一种筒状结构，通常自地面往下最深可以达到数十米，其内部结构负责，通常深埋于地下，往往蓄满污水，常规测量方法无法对其内部结构进行测量。

污水深井投入使用后，如需建设轨道交通、大型建筑物基坑等，要充分了解附近污水深井的位置和内部结构，并以此作为后续拟定施工方案的依据。

现有的污水深井观测有如下几种方式：（1）依靠潜水员进行水下探摸，并作定性评估。其局限性在于无法精准摸排深井内的地形，不能获取定量数据，从而存在一定的误差，观测成果不够直观。（2）利用扫描声呐（目前市场上只有挪威康斯博格出品的Dual AxisScanning Sonar ，DAS声呐），进行扫测获取三维点云数据，通过噪点去除、镶嵌拼接，获得深井内的三维全景图像和几何尺寸信息。

扫描声呐利用单波束声呐扫测获取深井内三维点云数据，主要包括声呐探头、主机、机械旋转装置、姿态和运动传感器、三脚架、计算机电脑等。施工时将单波束声呐探头垂直放入水下，换能器将电信号转换为声信号向水中发射，声信号触碰障碍物是反射回波，并由换能器接收、处理后又变为电信号，最后数据经过放大处理，通过线缆传输到计算机中，同时单波束探头必须通过机械装置实现2轴的旋转，需较长时间才能完成360°Ⅹ 90°范围的三维测量。获取的数据再经过后处理，最终得到污水深井的三维透视图和几何尺寸信息，以此作为后续建筑施工的依据。

由于对污水深井测量精度要求的不断提升，所需要数据的分辨率和效率也不断提高。目前采用的双轴扫描声呐污水深井三维测量，主要存在以下问题：（1）单波束，逐点测量，时间成本太高，在复杂恶劣的深井环境里难以保证长时间稳定观测；（2）由于单波束声呐的波束角大，导致测量精度不是很理想，其点密度和点云分辨率不够高，难以准确表达深井内部细节；（3）测量设备繁多且重量大，自动化程度低，其性能、携带、安装、操作等方面都需要改良。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种深井三维测量装置及测量方法，实现了高效的、准确的深井三维测量，解决了当前深井测量手段不足，效率低下的实际问题。

为解决上述技术问题，本发明的实施提供一种深井三维测量装置，包括多波束声呐装置、旋转机电装置和安装支架组件，所述多波束声呐装置包括声呐主机、声呐换能器、电缆和计算机，所述声呐主机的信号输入端通过电缆与声呐换能器电性连接，信号输出端通过电缆与计算机电性连接，所述计算机内预装有第三方数据采集与处理软件；

所述旋转机电装置包括安装箱体、减速电机、轴承和霍尔角度传感器，所述减速电机设置在安装箱体内，所述安装支架组件包括三脚架和连接杆，所述安装箱体安装于三脚架的上方，所述连接杆为伸缩杆，所述连接杆的下端与声呐换能器固定连接，所述连接杆的上端向上伸入安装箱体内并通过轴承与安装箱体的底板转动连接，所述减速电机通过传动机构与连接杆的上端驱动连接，用于监测连接杆的旋转角度的所述霍尔角度传感器设于连接杆的上方。

其中，所述数据采集与分析软件包括第三方多波束数据采集软件、霍尔角度采集软件和第三方多波束声呐数据处理软件。

本发明所述的深井三维测量装置的测量方法，包括如下步骤：

S1、组装深井三维测量装置，将三脚架支撑在在深井的上方，通过调节脚架高度是安装平面水平；

S2、利用多节连接杆相互连接，将声呐换能器下放至深井水面以下合适位置；

S3、启动多波束声呐，通过其控制软件确认声呐连接是否正常，图像和点云收发是否正常，通过声呐图像判断换能器深度是否合适，不合适需进一步调节其深度；

S4、启动减速电机，通过连接杆带动声呐换能器旋转，确认霍尔角度传感器数据输出正常，并确保多波束换能器初始方向为正北方向；

S5、正式测量，声呐主机声通过电缆控制多波束收发，霍尔角度传感器实时测量连接杆的旋转角度，运行于采集电脑的第三方采集软件（Qinsy、Hypack、Eiva等），同时采集声呐数据和旋转角度数据，并监测数据是否异常；

S6、计算机内预装有第三方数据处理软件（如CARIS、Qimera、Hypack、SonarWiz等），对采集的声呐数据进行分析与解算，获得海量的点云数据，可以清晰地描述包括深井内部结构、尺寸、障碍物等三维信息。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

本发明开发了多波束深井测量机械旋转装置、霍尔角度传感器数据采集软件，并将多波束声呐系统、霍尔角度传感器、机械旋转装置、三脚架和连接杆、多波束数据采集与处理软件等软硬件设备集成为一套深井三维扫描测量系统，实现了高效的、高精度、高分辨率的深井内部三维测量，解决了当前地下深井测量手段不足，效率低下的实际问题。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中旋转机电装置的结构放大图；

图3为本发明中安装支架组件的结构放大图；

图4为本发明采集获得的深井三维点云的分析结果图。

附图标记说明：

1、声呐主机；2、声呐换能器；3、电缆；4、计算机；5、减速电机；6、轴承；7、霍尔角度传感器；8、三脚架；9、连接杆。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

如图1-图3所示，本发明提供了一种深井三维测量装置，包括多波束声呐装置、旋转机电装置和安装支架组件，所述多波束声呐装置包括声呐主机1、声呐换能器2、电缆3和计算机4，所述声呐主机1的信号输入端通过电缆3与声呐换能器2电性连接，信号输出端通过电缆3与计算机4电性连接，所述计算机4内预装有数据采集与分析软件；所述数据采集与处理软件包括多波束数据采集软件、霍尔角度采集软件和多波束点云计算生成软件。

所述旋转机电装置包括安装箱体、减速电机5、轴承6和霍尔角度传感器7，所述减速电机5设置在安装箱体内，所述安装支架组件包括三脚架8和连接杆9，所述安装箱体安装于三脚架8的上方，所述连接杆9为伸缩杆，所述连接杆9的下端与声呐换能器2固定连接，所述连接杆9的上端向上伸入安装箱体内并通过轴承6与安装箱体的底板转动连接，所述减速电机5通过传动机构与连接杆9的上端驱动连接，所述霍尔角度传感器7设于连接杆的上方，用于监测连接杆9的旋转角度，减速电机（配调速器）可实现40-400秒旋转360度。

三脚架支撑了整体系统，保证了系统的水平和连接杆的垂直。连接杆共计10节，每节长度1米，可以根据深井的深度灵活组合，结合三脚架的升降，保证声呐换能器位于水下合适的深度。

本发明还提供一种利用上述的深井三维测量装置的测量方法，包括如下步骤：

S1、组装深井三维测量装置，将三脚架支撑在在深井的上方，通过调节脚架高度是安装平面水平；

S2、利用多节连接杆相互连接，将声呐换能器下放至深井水面以下合适位置；

S3、启动多波束声呐，通过其控制软件确认声呐连接是否正常，图像和点云收发是否正常，通过声呐图像判断换能器深度是否合适，不合适需进一步调节其深度；

S4、启动减速电机，通过连接杆带动声呐换能器旋转，确认霍尔角度传感器数据输出正常，并确保多波束换能器初始方向为正北方向；

S5、正式测量，声呐主机声通过电缆控制多波束收发，霍尔角度传感器实时测量连接杆的旋转角度，运行于采集电脑的第三方采集软件（Qinsy、Hypack、Eiva等），同时采集声呐数据和旋转角度数据，并监测数据是否异常；

S6、计算机内预装有第三方数据处理软件（如CARIS、Qimera、Hypack、SonarWiz等），对采集的声呐数据进行分析与解算，获得海量的点云数据，可以清晰地描述包括深井内部结构、尺寸、障碍物等三维信息。

图4所示为本发明所述系统在宁波地铁沿线精探中采集的真实点云数据，每口井实际测量时间最短为10分钟左右。图4a为圆形的深井内部三维点云，点数量约150万，图4b为方形的深井内部三维点云，点数量约145万。通过密集的三维点云，可直观的了解井室内部情况，量程井室尺寸和进水出水井的尺寸和方向。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种深井三维测量装置，其特征在于，包括多波束声呐装置、旋转机电装置和安装支架组件，所述多波束声呐装置包括声呐主机、声呐换能器、电缆和计算机，所述声呐主机的信号输入端通过电缆与声呐换能器电性连接，信号输出端通过电缆与计算机电性连接，所述计算机内预装有数据采集与分析软件；

所述旋转机电装置包括安装箱体、减速电机、轴承和霍尔角度传感器，所述减速电机设置在安装箱体内，所述安装支架组件包括三脚架和连接杆，所述安装箱体安装于三脚架的上方，所述连接杆为多节相连接的金属杆，所述连接杆的下端与声呐换能器固定连接，所述连接杆的上端向上伸入安装箱体内并通过轴承与安装箱体的底板转动连接，所述减速电机通过传动机构与连接杆的上端驱动连接，用于监测连接杆的旋转角度的所述霍尔角度传感器设于连接杆的上方。

2.根据权利要求1所述的深井三维测量装置，其特征在于，所述数据采集与分析软件包括第三方多波束数据采集软件、霍尔角度采集软件和第三方多波束声呐数据处理软件。

3.一种利用如权利要求1或2所述的深井三维测量装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、组装深井三维测量装置，将三脚架支撑在在深井的上方，通过调节脚架高度是安装平面水平；

S2、利用多节连接杆相互连接，将声呐换能器下放至深井水面以下合适位置；

S3、启动多波束声呐，通过其控制软件确认声呐连接是否正常，图像和点云收发是否正常，通过声呐图像判断换能器深度是否合适，不合适需进一步调节其深度；

S4、启动减速电机，通过连接杆带动声呐换能器旋转，确认霍尔角度传感器数据输出正常，并确保多波束换能器初始方向为正北方向；

S5、正式测量，声呐主机声通过电缆控制多波束收发，霍尔角度传感器实时测量连接杆的旋转角度，运行于采集电脑的第三方采集软件，同时采集声呐数据和旋转角度数据，并监测数据是否异常；

S6、计算机内预装有第三方数据处理软件，对采集的声呐数据进行分析与解算，获得海量的点云数据，可以清晰地描述包括深井内部结构、尺寸、障碍物等三维信息。

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