CN117029689B - 激光三角测量系统及应用其的隧道扫描方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种激光三角测量系统及应用其的隧道扫描方法，解决了使用激光三角测距法进行平面测量时不同方向出现的量程与精度矛盾的问题。所述的系统包括：面阵CCD；线激光发射器，其发射线激光照射测量对象表面；椭圆镜头，其汇聚从测量对象表面不同方向反射的激光束到所述面阵CCD，其中从有最大量程需求的方向返回的激光束射入所述椭圆镜头的长轴上，从有最高精度需求的方向返回激光束射入所述椭圆镜头的短轴上，所述面阵CCD将光信号转换为电信号进而生成图像；以及处理器，其对所述图像进行处理得到待测对象尺寸和/或形貌特征。
Description
技术领域
本发明属于激光三角测量技术领域。
背景技术
隧道运营时间长后可能会出现不同程度的病害，因此需要对隧道安全状况进行长期监测。
隧道安全性指标很多，本发明针对的是变形。对于隧道变形，目前主要的监测手段包括传统人工测量方法、机器人自动监测方法、三维激光扫描技术、数字图像处理技术、近景摄影测量技术、传感器网络技术。
传统方法是采用水准仪或者静力水准测量系统对隧道垂直位移进行监测，利用经纬仪或者收敛计获取隧道水平位移，分别从监测点的水平位移和沉降量来综合分析隧道Ｈ维变形。此方法精度很高，但是工作量比较大，且在时效性方面水平位移和垂直位移不能同时获得，整体监测效果不佳。
测量机器人是地铁隧道变形监测采用最多的一种设备。测量机器人能实时监测隧道变形，自动化程度高，也无需人值守，还能被远程控制，但是其获取的监测点位较少，不能反映隧道的整体变形。
三维激光扫描技术改变了传统单点测量的方式，这种方法首先要对隧道做扫描，然后利用软件对各个周期的点云数据进行处理，即可分析隧道变形量。该技术可对隧道整体变形进行分析，但是单点测量精度不高。
数字图像处理技术监测隧道形变的方法是：在需要监测的隧道断面定点放置一个目标光源，通过相机拍照获取光源隧道断面处的数字图像，然后对数字图像进行平滑、去噪等预处理，提取出目标光源的清晰轮廓，接着对图像进行二值化和边界提取，从而得到隧道的边界轮廓。这种方法成本低，但是对光照强度要求极高，并且后期图像处理过程复杂、效率低。
近景摄影测量技术监测隧道形变的方法是：在不同方向获取一个断面处的两幅以上数字影像，然后在数字影像上进行三维测量从而获取断面特征点的三维坐标。这种方法精度较高，但是对光线等摄影条件要求很高，不太适用于地铁隧道等复杂的环境。
传感器网络技术监测隧道形变的方法是：在隧道测点处安放位移计、测缝计或收敛计等传感器测量几何变形，传感器将测点处的几何变形实时传送到数据处理中心。这种方式监测实时性好，但是安装成本高，也存在数据丢失问题。
激光三角测量（Laser Triangulation）是光电检测技术的一种。激光三角测量的原理是：由光源发出一束激光照射在待测物体表面，激光被待测物体反射到检测器上成像，当物体表面发生改变时，其所成的像在检测器上也发生相应的位移，通过像移和实际位移之间的关系式，真实的物体位移可以由对像移的检测和计算得到。该方法具有结构简单、测试速度快、实时处理能力强、使用灵活方便等优点，其在工业上广泛用于对长度、距离以及三维形貌等的检测。
激光三角测量的设备是基于线性CCD传感器的，主要应用范围还是高精度的点测量，不能进行平面测量，更不能满足隧道监测要求，因为隧道通常既有广度，又有深度。不难发现，将线阵CCD传感器推广到面阵CCD传感器后，可以进行一条线的测量，也就是将测量的维度从点扩展到了平面，但实际上却存在如下问题：首先是面阵CCD尺寸远小于线阵CCD尺寸，导致使用相同的镜头接受光线时，面阵CCD无法接受全部反射光线，会出现量程变小的问题，如果面阵CCD像素数不够，那么分辨率也会跟着变低，为此需要重新设计接受光线的镜头，保障面阵CCD接受到尽可能多的反射光的同时，分辨率也不会变低太多。其次，更为重要的问题是，现有的接受光线镜头由于不同方向焦距相同，根本无法满足平面测量要求的不同方向的量程和分辨率不同。
在进行平面测量时，有时要求平面坐标系下的x和y方向上有不同的量程，而普通镜头一般根据凸透镜清晰成像时的焦距来确定物距和像距，即用一个方向能清晰成像的焦距来确定物距和像距，可当物体在两个方向上量程不同时，一个方向上清晰成像的焦距，并不满足另一个方向清晰成像的焦距，于是就导致在另一个方向上的测量出现问题，要么量程太大，精度不够，要么精度足够，量程太小，由此可见，需要创新镜头的设计方式，来满足使用激光三角测距法进行平面测量时不同方向出现的量程与精度矛盾的问题。
发明内容
本发明提供了一种激光三角测量系统及应用其的隧道扫描方法，解决了使用激光三角测距法进行平面测量时不同方向出现的量程与精度矛盾的问题。
根据本发明实施例第一方面，提供一种激光三角测量系统，包括：面阵CCD；线激光发射器，其发射线激光照射测量对象表面；椭圆镜头，其汇聚从测量对象表面不同方向反射的激光束到所述面阵CCD，其中从有最大量程需求的方向返回的激光束射入所述椭圆镜头的长轴上，从有最高精度需求的方向返回激光束射入所述椭圆镜头的短轴上，所述面阵CCD将光信号转换为电信号进而生成图像；以及处理器，其对所述图像进行处理得到待测对象尺寸和/或形貌特征。
根据本发明实施例第二方面，提供一种隧道扫描方法，使用所述的激光三角测量系统扫描隧道获取隧道整体形状。隧道水平面反射的激光束射入所述椭圆镜头的长轴上，隧道高度方向上反射的激光束射入所述椭圆镜头的短轴上。
本发明具有如下有益效果：本发明使用激光三角测距技术，对隧道进行监测，通过设计一个在不同方向上焦距不同的椭圆镜头，实现了对隧道高度监测精度达到1mm，对隧道横向距离上的监测精度达到的2.5mm，同时满足横向宽距离的监测量程需求，而且整体测量角度达到120°，完全覆盖了隧道上部。即，在保障量程满足要求的同时，精度也极高。有效对隧道整体状态进行了监测。本发明生成的隧道整体高精度三维扫描图，既能反映出隧道的整体形状，而且精度也满足测量要求，十分适合用于进行隧道变形监测分析，通过在扫描图中找出隧道中较大的缝隙和形变处，从而对隧道安全检修提供方向，有力保障了隧道整体安全。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单的介绍。
图1是本发明一实施例提供的激光三角测量系统示意图。
图2是图1所示的激光三角测量系统扫描隧道的原理图。
图3是XYZ隧道坐标系和X’Y’Z’ CCD坐标系下面X’O”Z’示意图。
图4是XYZ隧道坐标系和X’Y’Z’ CCD坐标系下面Z’O’Y示意图。
图5本发明一实施例提供的椭圆镜头示意图。
具体实施方式
图1示出了一种激光三角测量系统。如图1所示，激光三角测量系统包含半导体激光发射器10、柱面镜11、在不同方向上焦距不同的椭圆镜头12、面阵CCD 13和处理器14。柱面镜11和半导体激光发射器10结合在一起构成一个线激光发射器，发射线激光照射测量对象表面；椭圆镜头12汇聚不同方向的反射激光束到面阵CCD 13；面阵CCD 13将光信号转换为电信号进而生成图像；处理器对图像进行降噪处理，提取出激光线，然后根据现成算法得到待测对象尺寸、三维形貌等特征。本发明创新性的提出使用椭圆镜头作为接受光线的镜头。椭圆镜头顾名思义形状为椭圆，长轴和短轴上焦距不同。当光线入射椭圆镜头时，不同于普通镜头各方向偏折能力基本相同，椭圆镜头在不同方向上对光线的偏折能力有很大不同。经过设计，椭圆镜头针对不同方向的量程与分辨率要求使用不同的焦距，从而实现在精度要求高的方向偏折较小，精准测量微小偏移，在量程要求大的方向偏折较大，实现大范围测量，达到同时兼顾大量程、高精度的效果。
下面详细说明所述的激光三角测量系统（以下可简称“系统”）在隧道变形监测上的应用。隧道形变的监测主要测量隧道上部范围，具体可以是以隧道中心为圆心的120度的范围。系统沿着隧道纵向匀速运动，并以高频率对隧道上部进行扫描，即线激光发射器发射线激光照射隧道壁，隧道壁反射的激光通过椭圆透镜12进入面阵CCD 13生成初步扫描图像，处理器14运行图像处理软件对初步扫描图像做处理得到某一时刻对隧道壁的线扫描结果，将每次扫描得到的结果与上一次的结果拼接，系统走完整个隧道后，就得到整个隧道的三维高精度扫描图，根据该扫描图可进行变形分析。
可采用多种技术对CCD生成的激光反射图像进行处理，包括非均匀校正、噪声消除和图像线提取等。非均匀校正是为了消除反射激光图像中由于光学系统非均匀性引起的背景噪声，通过激光对空白背景的校准，进行灰度值的校正和平滑化处理；噪声处理技术则采用了中值平滑滤波、均值平滑滤波和频域增强等方法，以消除图像中的椒盐噪声和高斯噪声。其中，频域增强的原理是先对需要增强的傅里叶变换进行计算，然后将其与转换函数相乘，最后对乘积予以逆傅里叶变换，以提高图像的对比度和清晰度。
通过图像线提取来找到需要的反射激光线，一般可以使用下面这种方法：首先根据图像灰度值读取反射激光的光斑中心的大致位置，然后采用Hough 变换的思想在30×30像素的领域内提取光斑图像边缘，并实施 Hough 变换，寻找半径为4～10个像素的圆经Hough变换后，可以得到多个满足给定条件的圆，选取圆上满足条件边缘像素数最多(对应Hough变换参数矩阵的最大值）的圆以该圆的圆心作为光斑几何中心，以此类推，找到多个这样的光斑几何中心，对这些光斑几何中心使用像方点到物方点转化的通用公式，从而计算出它们的实际隧道坐标，最后输出这些具有真实地理关系的光斑几何中心构成的激光线图到后端处理器中。
处理器接受每次生成的线扫描图，使用Delaunay三角网法进行三角网重建，即基于三角平面的三角网格法。它是对散乱点集构建不规则三角网TIN (TriangulatedIrregular Network)来实现三维重建的方法。利用随机离散点构建不规则三角网的基本思路是：根据随机分布的原始点建立连续覆盖整个研究区域的不规则三角网。其中最根本的问题是确定哪三个数据点构成一个三角形，也称为自动联接三角网，即对于平面上的离散数据点，将其中相近的三点构成最佳的三角形，使每个数据点都成为三角形顶点。由于线激光照射隧道壁可以得到大量数据，因此实际重建效果较为良好。
如图2，隧道坐标系为XYZ坐标系，CCD坐标系为X’Y’Z’坐标系，为了便于理解，现考虑一种基础情形，假设X’Y’Z’坐标系中的Z’轴O”Z’在XOY坐标系中，且O”Z’与透镜中心和OY均垂直，为隧道上一点，/>为/>对应的CCD上的像点，F为椭圆凸透镜。
参考图3、图4，通过相似三角形可写出如下公式：
（1）
（2）
根据凸透镜清晰成像条件，可以写出如下公式：
（3）
其中f为镜头焦距，u为成像点到透镜的物距，v为透镜到CCD的像距。v/u值为像距值比物距值，v/u值越大测量精度越高，v/u值越小测量范围越大。
在一种实施方式中，假设隧道半径为5m，裂缝最大深度为20cm，那么可以确定隧道水平面测量范围为-4.5m到4.5m，总的测量长度为9m；截面高度测量范围/>为2.6m到5.2m，总的测量长度为2.6m。使用一个长17.3mm、宽13mm的，像素数3648x2736的常见CCD进行分析，并且用CCD的长边（17.3mm）接受隧道水平面的光线，CCD的短边（13mm）接受隧道截面高度上的光线，如果要求隧道水平面和高度上的点全部能被测到，也就是保障量程满足要求，CCD接受全部光线，那么在水平面测量满足要求时，v/u=17.3mm/9000mm≈1/520，在截面高度量程测量满足要求时，v/u=13mm/2600mm≈1/200，即水平面和截面高度上像距比物距值分别为1/520、1/200。如果最重要的是保证隧道高度方向上的监测精度，即最小位移能在CCD上反映为像素运动，假定高度方向上精度要达到1mm或1.5mm，那么同样可求出1mm精度时，v/u=1mm/（13mm/2736）≈1/210，1.5mm精度时，v/u=1.5mm/（13mm/2736）≈1/316，即不同精度的像距比物距值分别为1/210、1/316。当系统离待测截面距离为定值时，也即物距与像距的和为定值时，根据四个不同的v/u值可以求出四个不同的焦距。此时，如果仍然选择普通的凸透镜作为接受光线的镜头，那么受限于它不同方向的焦距一致，只能选择一个v/u比例。
若选择最大量程范围，即v/u为1/520，虽然隧道高度和水平面方向的测量量程满足要求了，但是此时v/u值远小于高度方向1.5mm精度要求时所对应的v/u值，即隧道高度精度会大于1.5mm，精度偏低。
如果选择最高精度，即v/u为1/210，虽然隧道高度方向上测量精度达到了1mm，但是此时v/u值大于满足隧道水平面量程所需的v/u值，即隧道高度方向上测量精度满足了要求，但水平面方向上的量程却不满足要求。可见，选择普通的凸透镜无论如何都无法解决激光三角测距法在隧道量程和精度上无法兼顾的矛盾。而如前述，椭圆镜头可以完美解决这个问题。
隧道监测对高度方向上量程要求小，精度要求高，可以将椭圆镜头的短轴焦距设定为v/u=1/210，以满足高度方向上1mm的精度要求。隧道水平面上量程要求大，达到9m，但精度要求低，此时可以将椭圆镜头的长轴焦距按照最大量程要求进行设计。这样设计后，当光线入射椭圆镜头时，光线在椭圆镜头的长轴和短轴方向上偏折不同，在短轴上偏折少，CCD能精准测量出光线的像素级偏移量，实现高精度测量，在长轴方向偏折多，CCD能接受隧道水平方向的绝大部分反射光线，实现大量程测量，如此在隧道监测时既保障精度也保障量程。最后，当椭圆镜头长短轴焦距比确定后，上述通用公式的参数都可以确定，从而能根据CCD扫描结果计算出真实隧道形状。
安装的时候，系统各个部分的位置关系需要精确标定，保证激光发射中心在隧道纵向方向的中心轴线上，同时保持系统上方无遮挡，激光能持续照射隧道内壁。
系统沿着隧道轴线方向以10km/h速度前进，同时以1200Hz频率发射激光照射隧道内壁，每照射一次就生成一次线扫描结果，处理器拼接每次的线扫描结果，最后输出完整的隧道高精度三维扫描结果。获得隧道的完整三维高精度扫描图后，相关工作人员可以直接获得隧道的整体形状，由于图上每点都具有毫米级精度，因此根据扫描图上的信息，也可以进行隧道裂缝和变形的量测，从而实现隧道的变形监测，为后续隧道的安全维护打下坚实基础。
半导体激光器、椭圆镜头、CCD和处理器的型号参数根据具体应用来选择，本发明不作特别限定。例如，半导体激光器可以选择西安华科光电有限公司的型号为LD650-5-3的半导体激光器，其主要技术参数为：功率为5mw，激光波长为650nm，工作电压为DC 2.7V～6V，工作电流小于等于 50mA，激光线宽在6米距离以内小于1mm，光束发散度为0.3～0.5mrad，扇角为900，外形尺寸为ф12×34mm，工作温度范围为-10℃～+40℃。使用时还要选择合适的柱面镜使半导体激光器发射线激光。如图5，椭圆镜头长5cm，宽1cm，厚度为0.2mm，长度方向上焦距比1：18，宽度方向上焦距比1：5，这种设计能够保障在隧道截面上，水平方向量程为0-9m，精度2.5mm，隧道高度方向上量程0-4.2m，精度1mm。CCD选择4/3寸高速CCD，其像素为3648*2736，长18mm，宽13.5mm，有效长度17.3mm，有效宽度13mm，能支持1200Hz高频率扫描。处理器采用树莓派3b，其具备丰富接口和足够的运算能力。
Claims (6)
1.一种激光三角测量系统，其特征在于，包括：面阵CCD；线激光发射器，其发射线激光照射测量对象表面；椭圆镜头，其汇聚从测量对象表面不同方向反射的激光束到所述面阵CCD，其中从有最大量程需求的方向返回的激光束射入所述椭圆镜头的长轴上，从有最高精度需求的方向返回激光束射入所述椭圆镜头的短轴上，所述面阵CCD将光信号转换为电信号进而生成图像；以及处理器，其对所述图像进行处理得到待测对象尺寸和/或形貌特征。
2.根据权利要求1所述的激光三角测量系统，其特征在于，所述线激光发射器包括半导体激光发射器以及将所述半导体激光发射器发射的激光转为线激光的柱面镜。
3.一种隧道扫描方法，其特征在于，使用权利要求1或2所述的激光三角测量系统扫描隧道获取隧道整体形状。
4.根据权利要求3所述的隧道扫描方法，其特征在于，隧道水平面反射的激光束射入所述椭圆镜头的长轴上，隧道高度方向上反射的激光束射入所述椭圆镜头的短轴上。
5.根据权利要求3所述的隧道扫描方法，其特征在于，所述激光三角测量系统沿着隧道纵向方向匀速运动。
6.根据权利要求5所述的隧道扫描方法，其特征在于，从隧道整体形状中识别出缝隙和形变处。
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| 基于激光三角法的同步扫描形貌测量传感器;苏涵;任永杰;杨凌辉;林嘉睿;郭寅;;传感技术学报(第12期);全文 * |
| 苏涵 ; 任永杰 ; 杨凌辉 ; 林嘉睿 ; 郭寅 ; .基于激光三角法的同步扫描形貌测量传感器.传感技术学报.2016,(12),正文全文. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117029689A (zh) | 2023-11-10 |
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