CN1664494A - 一种激光大坝安全监测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型激光大坝安全监测方法，该方法是在大坝的坝肩基点设置一准直激光，射向大坝的各个坝段，在每一个坝段安装一套与坝段固定成一体的密封管道式可控检测系统，测量时，光斑偏离检测系统中的毛玻璃中心，说明坝段发生偏移，通过数学模型运算可测定大坝的变形量，对较长的大坝，考虑激光光斑大小对测量精度和范围的影响，还可分段使用该系统，整个系统还能实现激光准直的自校验，保证大坝变形自动化监测高精度要求，此方法结构简单、性价比高，通过毛玻璃以固定成像物距能实现批量生产，极大降低生产成本，并且在保证监测精度的前提下，解决了长距离监测，特别是800m～1000m以上的大坝监测的技术难题。

Description

一种激光大坝安全监测的方法

                          技术领域

本发明属于测量监测方法，涉及一种大坝的变形监测，特别涉及一种新型激光大坝安全监测方法。

                          背景技术

激光大坝安全监测方法中使用较多的是激光波带板成像法，亦称三点准直，它主要由激光器准直光源、波带板和接收靶三部分组成，激光器和接收靶分别安置在两端坝肩固定的基点上，波带板分别安置在各坝段上，从激光器发出的激光束经波带板起聚焦作用，在接收靶上形成一个亮的圆点，在接收靶上测定亮点对中心的偏离值，该值就是被测量坝段的变形值，利用激光波带板成像法进行大坝变形测量时，由于各坝段相对基点的距离不一样因而要求各个波带板的焦距各不相同，故各个波带板均不一样，这样不能形成批量生产，制作成本高，对于长距离监测，特别是是800m～1000m以上的大坝监测，由于激光的准直性存在一定的局限，会使激光在光学检测系统上的成像达不到预期要求，从而限制了测量动态范围。

                          发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种新型激光大坝安全监测方法。该方法能够使激光—光学成像测量系统实现批量生产，极大的降低了生产成本，大大提高了测量范围、测量精度和分辨率，并且在保证监测精度的前提下，解决了长距离监测，特别是800m～1000m以上的大坝监测的技术难题。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种新型激光大坝安全监测方法，其特征在于，包括下列步骤：

1)把大坝编号成n段，n＝0，1，…，i-1，i，i+1，i+2，…n，其中i为自然数，激光器安装在大坝坝肩固定的基点上，并在激光发射端装有一激光准直系统，在每一坝段分别装有一套检测系统，该系统由毛玻璃片、成像物镜、光电器件、电路板和通讯系统组成，设置毛玻璃片、成像物镜、光电器件三者的中心和激光光轴在同一轴线内，此光学成像系统三者间的相对距离固定不变并和坝段固定成一体，激光照射到毛玻璃的光斑随大坝的变形而发生位移，通过测量激光经毛玻璃和透镜后在光电器件上的成像点的偏移来反映大坝的变形；

2)激光发出的光线经毛玻璃后在其上形成光斑，再经物镜后成像于光电器件的靶面中心，当坝体不发生变形时，成像在靶面中心，以此为基准点，当坝体发生变形时，上述光学检测系统随该坝段而动，此时激光通过光学成像系统后的像点相对光电器件靶面中心发生偏移，将该变化量通过数学模型运算可测定大坝水平位移ΔX和沉降ΔZ；

3)每套光学检测系统均由电机控制，当需要测量第i段坝体的变形时，只将第i段光学检测系统移入光路中进行测量，其余坝段检测系统均离开光路系统，以使光线顺畅通过；

4)对于特别长的坝体，在第k段坝体再设置一激光器和光束准直系统，以作为第k+1到第n坝段变形检测的激光光源和准直系统，并用坝肩的基点来校正激光的准直，采用基点逐步传递，已知用坝端基点处的激光测得第k段坝体的水平位移量为ΔX_k，沉降量为ΔZ_k，亦即第k段激光器的位移量，以此为基础再用第k段激光器及其准直系统测得第k+1段坝体的水平位移量为Δx_k+1，沉降量为Δz_k+1，则第k+1段坝体的实际变形可表示为：水平位移量：ΔX_k+1＝ΔX_k+Δx_k+1，垂直沉降量：ΔZ_k+1＝ΔZ_k+Δz_k+1，其中各位移量均为矢量，依此类推可以检测出第n坝段的位移量。

上述测量方法的其它特点是，所述的光学检测单元中的毛玻璃到成像物镜中心的距离为固定物距，毛玻璃使光线发散形成一光斑，便于成像，同时减弱光强，防止光电器件达到饱和；通过该系统在光电器件所成的像可放大、缩小，以实现不同测量范围以适应不同程度的大坝变形测量；测量结果满足大坝安全监测的规范要求；所述的光电器件为CCD摄像机、CMOS摄像头和PSD传感器；采用重心算法，提取成像光斑的位置信息，提高了分辨率和精度；还采用激光自校验技术来补偿测量误差以提高测量精度。整个系统还能实现激光准直的自校验，保证大坝变形自动化监测高精度要求，此方法结构简单、性价比高，并且通过毛玻璃以固定成像物距能实现批量生产，极大降低生产成本；并且在保证监测精度的前提下，解决了长距离监测，特别是800m～1000m以上的大坝监测的技术难题。

                         附图说明

图1是发明的激光大坝安全监测方法结构原理示意图；

图2是光斑重心坐标图。

以下结合附图和发明人依本发明的技术方案所完成的实施例对本发明作进一步的详细描述。

                      具体实施方式

本发明的新型激光大坝安全监测方法结构原理示意图1所示：本实例的具体实施步骤如下：

1)把大坝编号成若干段，每段10-25米长，氦氖激光器安装在大坝坝肩固定的基点上，并在激光发射端装有一激光准直系统，在每一坝段分别装有一检测系统，该系统由毛玻璃片、成像物镜、光电器件和电路板通讯系统组成，设置毛玻璃片、成像物镜、光电器件三者的中心和激光光轴在同一轴线内，此光学成像系统三者间的相对距离固定不变并和坝段固定成一体，激光照射到毛玻璃的光斑随大坝的变形而发生位移，通过测量激光经毛玻璃和透镜后在光电器件上的成像点的偏移来反映大坝的变形；

2)激光发出的光线经毛玻璃后在其上形成光斑，再经物镜后成像于光电器件的靶面中心，当坝体不发生变形时，成像在靶面中心，以此为基准点，当坝体发生变形时，上述光学检测系统随该坝段而动，此时激光通过光学成像系统后的像点相对光电器件靶面中心发生偏移，将该变化量通过数学模型运算可测定大坝水平位移ΔX和沉降ΔZ。

3)每组光学检测系统均由电机控制其位移，当需要测量第i段坝体的变形时，只将第i段光学检测系统移入光路中进行测量，其余坝段检测系统均离开光路系统，以使光线顺畅通过。

对成像光斑采用重心算法，提取成像光斑的位置信息，光斑重心坐标参见图2，其算法如下：

$x=\frac{\underset{j=0}{\overset{j=M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=0}{\overset{i=N}{\mathrm{\Σ}}}(H(i,j)\×i)}{\underset{j=0}{\overset{j=M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=0}{\overset{i=N}{\mathrm{\Σ}}}H(i,j)},$ $y=\frac{\underset{j=0}{\overset{j=M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=0}{\overset{i=N}{\mathrm{\Σ}}}(H(i,j)\×j)}{\underset{j=0}{\overset{j=M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=0}{\overset{i=N}{\mathrm{\Σ}}}H(i,j)}$

其中：i，j表示像素的坐标，第i行，第j列；

H(i，j)表示第i行，第j列的像素的灰度值；

M、N分别为图像的宽度和高度；

4)当坝体特别长时，由于激光的准直性存在一定的局限，会使激光在光学检测系统上的成像达不到预期要求，从而限制了测量动态范围，此时可在第k段坝体再设置一激光器和光束准直系统，以作为第k+1到第n坝段变形检测的激光光源和准直系统，并用坝肩的基点来校正激光的准直，采用基点逐步传递，已知用坝端基点处的激光测得第k段坝体的水平位移量为ΔX_k，沉降量为ΔZ_k，亦即第k段激光器的位移量，以此为基础再用第k段激光器及其准直系统测得第k+1段坝体的水平位移量为Δx_k+1，沉降量为Δz_k+1，则第k+1段坝体的实际变形可表示为：水平位移量：ΔX_k+1＝ΔX_k+Δx_k+1，垂直沉降量：ΔZ_k+1＝ΔZ_k+Δz_k+1，其中各位移量均为矢量，依此类推可以检测出第n坝段的位移量。

精度分析

试验中通过标定表明：当坝体水平或垂直方向移动1mm时，在CMOS摄像头中的成像光斑的中心移动27个象素(在一定焦距物镜时)，已知所采用的摄像头的分辨率为628×582，所以测量结果的精度可以达到

$\frac{1}{27}=0.037\left(\mathrm{mm}\right)$

完全满足大坝安全监测的规范要求。

Claims (5)

1.一种激光大坝安全监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)把大坝编号成n段，n＝0，1，…，i-1，i，i+1，i+2，…n，其中i为自然数，激光器安装在大坝坝肩固定的基点上，并在激光发射端装有一激光准直系统，在每一坝段分别装有一套检测系统，该系统由毛玻璃片、成像物镜、光电器件、电路板和通讯系统组成，设置毛玻璃片、成像物镜、光电器件三者的中心和激光光轴在同一轴线内，此光学成像系统三者间的相对距离固定不变并和坝段固定成一体，激光照射到毛玻璃的光斑随大坝的变形而发生位移，通过测量激光经毛玻璃和透镜后在光电器件上的成像点的偏移来反映大坝的变形；

2)激光发出的光线经毛玻璃后在其上形成光斑，再经物镜后成像于光电器件的靶面中心，当坝体不发生变形时，成像在靶面中心，以此为基准点，当坝体发生变形时，上述光学检测系统随该坝段而动，此时激光通过光学成像系统后的像点相对光电器件靶面中心发生偏移，将该变化量通过数学模型运算可测定大坝水平位移ΔX和沉降ΔZ；

3)每套光学检测系统均由电机控制，当需要测量第i段坝体的变形时，只将第i段光学检测系统移入光路中进行测量，其余坝段检测系统均离开光路系统，以使光线顺畅通过；

4)对于特别长的坝体，在第k段坝体再设置一激光器和光束准直系统，以作为第k+1到第n坝段变形检测的激光光源和准直系统，并用坝肩的基点来校正激光的准直，采用基点逐步传递，已知用坝端基点处的激光测得第k段坝体的水平位移量为ΔX_k，沉降量为ΔZ_k，亦即第k段激光器的位移量，以此为基础再用第k段激光器及其准直系统测得第k+1段坝体的水平位移量为Δx_k+1，沉降量为Δz_k+1，则第k+1段坝体的实际变形可表示为：水平位移量：ΔX_k+1＝ΔX_k+Δx_k+1，垂直沉降量：ΔZ_k+1＝ΔZ_k+Δz_k+1，其中各位移量均为矢量，依此类推可以检测出第n坝段的位移量。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用所述的光学检测系统的毛玻璃到成像物镜中心的距离为固定物距，毛玻璃使光线发散形成一光斑，便于成像，同时减弱光强，防止光电器件达到饱和。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过该系统在光电器件所成的像可放大、缩小。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的光电器件为CCD摄像机、CMOS摄像头和PSD传感器。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用光斑重心算法，提取成像光斑的位置信息，光斑重心坐标的算法如下：

$x=\frac{\underset{j=0}{\overset{j=M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=0}{\overset{i=N}{\mathrm{\Σ}}}(H(i,j)\×i)}{\underset{j=0}{\overset{j=M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=0}{\overset{i=N}{\mathrm{\Σ}}}H(i,j)},$ $y=\frac{\underset{j=0}{\overset{j=M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=0}{\overset{i=N}{\mathrm{\Σ}}}(H(i,j)\×j)}{\underset{j=0}{\overset{j=M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=0}{\overset{i=N}{\mathrm{\Σ}}}H(i,j)}$

其中：i，j表示像素的坐标，第i行，第j列；

      H(i，j)表示第i行，第j列的像素的灰度值；

      M、N分别为图像的宽度和高度。

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