RU2570835C2 - Recording method of tunnel profile cross-section and device for its implementation - Google Patents

Recording method of tunnel profile cross-section and device for its implementation Download PDF

Info

Publication number
RU2570835C2
RU2570835C2 RU2013150725/28A RU2013150725A RU2570835C2 RU 2570835 C2 RU2570835 C2 RU 2570835C2 RU 2013150725/28 A RU2013150725/28 A RU 2013150725/28A RU 2013150725 A RU2013150725 A RU 2013150725A RU 2570835 C2 RU2570835 C2 RU 2570835C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
tunnel
mirror
axis
profile
section
Prior art date
Application number
RU2013150725/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2013150725A (en
Inventor
Алексей Олегович Егоров
Петр Николаевич Кулешов
Владимир Юрьевич Спицын
Сергей Степанович Шахнович
Original Assignee
Закрытое акционерное общество "ПИК ПРОГРЕСС"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Закрытое акционерное общество "ПИК ПРОГРЕСС" filed Critical Закрытое акционерное общество "ПИК ПРОГРЕСС"
Priority to RU2013150725/28A priority Critical patent/RU2570835C2/en
Publication of RU2013150725A publication Critical patent/RU2013150725A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2570835C2 publication Critical patent/RU2570835C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: measurement equipment.
SUBSTANCE: invention relates to optoelectronic instruments and can be used for measurement of tunnel profile. According to the method, a narrow light beam is shaped by means of an illumination unit, directed to the tunnel surface by means of a mirror inclined to the tunnel axis and belonging to the illumination unit; the tunnel profile cross-section is shaped in the form of sections in-series illuminated due to rotation of the above mirror; their images are recorded by means of a video camera and the optic axis of the video camera is directed into the centre of the annular zone of tunnel radius variation by means of the mirror belonging to the video camera. The video camera with its mirror is rotated about the tunnel axis synchronously with rotation of the mirror of the illumination unit. Then, images of sections are compared to sections of a standard profile and changes in profile cross-section radius are detected. The inclination angle of the optic axis of the video camera to the tunnel axis is determined by the formula:
Figure 00000001
where R - cross-section radius of the standard tunnel profile; ΔR - width of the annular zone of radius variation of the tunnel profile cross-section; b - distance between the mirror of the illumination unit and the mirror of the video camera along the tunnel axis; φ1 - inclination angle of the mirror of the illumination unit to the tunnel axis.
EFFECT: reducing measurement error of a profile cross-section radius.
2 cl, 8 dwg

Description

Область изобретенияField of Invention

Изобретение относится к оптико-электронным приборам и может быть использовано для измерения профиля тоннелей, например, в метрополитене.The invention relates to optoelectronic devices and can be used to measure the profile of tunnels, for example, in the subway.

Уровень техникиState of the art

Известна лазерная сканирующая система Optech LYNX Mobile. Mapper M1. Фирма «Optech», Канада (аналог), основанная на способе регистрации сечения профиля тоннеля. Известный способ заключается в следующем:Known laser scanning system Optech LYNX Mobile. Mapper M1. Optech, Canada (analogue), based on a method for registering a section of a tunnel profile. A known method is as follows:

формируют узкий световой пучок с помощью импульсного блока подсветки, оптическая ось которого совпадает с осью тоннеля;form a narrow light beam using a pulsed backlight unit, the optical axis of which coincides with the axis of the tunnel;

направляют сформированный световой пучок на поверхность тоннеля с целью его подсветки с помощью зеркала, наклоненного к оси тоннеля и принадлежащего блоку подсветки;directing the generated light beam to the surface of the tunnel with the aim of highlighting it with a mirror tilted to the axis of the tunnel and belonging to the backlight unit;

формируют сечение профиля тоннеля в виде последовательно подсвеченных участков поверхности тоннеля за счет вращения вокруг оси тоннеля зеркала блока подсветки;forming a section of the profile of the tunnel in the form of successively illuminated sections of the surface of the tunnel due to rotation around the axis of the tunnel of the mirror of the backlight unit;

направляют отраженное от поверхности тоннеля излучение с помощью зеркала блока подсветки в блок регистрации с одноэлементным быстродействующим приемником излучения, оптическая ось которого параллельна оси тоннеля;directing radiation reflected from the surface of the tunnel using the mirror of the backlight unit to the registration unit with a single-element high-speed radiation receiver, the optical axis of which is parallel to the axis of the tunnel;

последовательно регистрируют импульсы излучения, отраженные от поверхности тоннеля, и определяют интервалы времени между посылкой импульсов излучения и регистрацией импульса отраженного излучения, по которым определяют расстояния от оси тоннеля до подсвеченных участков поверхности;sequentially register radiation pulses reflected from the surface of the tunnel, and determine the time intervals between sending radiation pulses and registration of the reflected radiation pulse, which determine the distance from the axis of the tunnel to the highlighted sections of the surface;

передают информацию о зарегистрированных расстояниях, сопоставляют их с эталонными расстояниями профиля и выявляют изменения радиуса сечения профиля.transmit information about the recorded distances, compare them with the reference distances of the profile and detect changes in the radius of the cross section of the profile.

Известное устройство регистрации сечения профиля тоннеля, расположенное на подвижном носителе, содержит:A known device for registering a section of a profile of a tunnel located on a movable medium contains:

- импульсный блок подсветки, оптическая ось которого расположена на оси тоннеля;- pulse backlight unit, the optical axis of which is located on the axis of the tunnel;

- зеркало, принадлежащее блоку подсветки, наклоненное к оси тоннеля и вращающееся вокруг нее;- a mirror belonging to the backlight unit, inclined to the axis of the tunnel and rotating around it;

- блок регистрации с одноэлементным быстродействующим приемником излучения, оптическая ось которого параллельна оси блока подсветки.- a registration unit with a single-element high-speed radiation receiver, the optical axis of which is parallel to the axis of the backlight unit.

Недостатком аналога является высокая погрешность измерения расстояния из-за высокой частоты импульсов блока подсветки. Например, при регистрации 1000 точках на профиле с частотой 25 Гц минимальная частота импульсов равна 25 кГц, и на расстояниях 2000…3000 мм погрешность определения расстояния от оси тоннеля до подсвеченного участка поверхности составляет десятки мм.The disadvantage of the analogue is the high error of distance measurement due to the high frequency of the pulses of the backlight unit. For example, when registering 1000 points on a profile with a frequency of 25 Hz, the minimum pulse frequency is 25 kHz, and at distances of 2000 ... 3000 mm, the error in determining the distance from the axis of the tunnel to the highlighted surface area is tens of mm.

Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому результату является способ и устройство, предназначенные для контроля негабаритности размещения оборудования в тоннелях путем регистрации сечения профиля тоннеля (патент RU 2456544, 01.2006, G01C 7/06, G01B 11/24; он же принят в качестве прототипа).The closest in technical essence and the achieved result is a method and device designed to control the oversized placement of equipment in tunnels by registering the section of the tunnel profile (patent RU 2456544, 01.2006, G01C 7/06, G01B 11/24; it is also adopted as a prototype) .

1. Известный способ регистрации сечения профиля тоннеля содержит следующие этапы своего осуществления:1. The known method of registering a section of the profile of the tunnel contains the following stages of its implementation:

формируют узкий световой пучок с помощью блока подсветки, оптическая ось которого совпадает с осью тоннеля;form a narrow light beam using the backlight unit, the optical axis of which coincides with the axis of the tunnel;

направляют сформированный световой пучок на поверхность тоннеля с целью его подсветки с помощью зеркала, наклоненного к оси тоннеля и принадлежащего блоку подсветки;directing the generated light beam to the surface of the tunnel with the aim of highlighting it with a mirror tilted to the axis of the tunnel and belonging to the backlight unit;

формируют сечение профиля тоннеля в виде последовательно подсвеченных участков поверхности тоннеля за счет вращения указанного зеркала вокруг оси тоннеля;forming a section of the profile of the tunnel in the form of sequentially illuminated sections of the surface of the tunnel due to the rotation of the specified mirror around the axis of the tunnel;

регистрируют изображения последовательно подсвеченных участков поверхности тоннеля с помощью видеокамеры с многоэлементным матричным приемником изображения (МПИ), оптическая ось которой совпадает с осью тоннеля;registering images of successively illuminated portions of the surface of the tunnel using a video camera with a multi-element matrix image pickup (MPI), the optical axis of which coincides with the axis of the tunnel;

передают информацию о зарегистрированных изображениях последовательно подсвеченных участков сформированного сечения профиля тоннеля;transmit information about the recorded images of successively highlighted sections of the formed section of the profile of the tunnel;

сопоставляют зарегистрированные изображения последовательно подсвеченных участков сформированного сечения профиля тоннеля с участками эталонного профиля; иcomparing registered images of successively highlighted sections of the formed section of the tunnel profile with the sections of the reference profile; and

выявляют изменения радиуса сечения профиля.identify changes in the radius of the cross section of the profile.

2. Известное устройство регистрации сечения профиля тоннеля, расположенное на подвижном носителе, содержит:2. A known device for registering a sectional profile of a tunnel located on a movable medium contains:

- блок подсветки, оптическая ось которого расположена на оси тоннеля;- a backlight unit, the optical axis of which is located on the axis of the tunnel;

- зеркало, принадлежащее блоку подсветки, наклоненное к оси тоннеля и вращающееся вокруг нее;- a mirror belonging to the backlight unit, inclined to the axis of the tunnel and rotating around it;

- видеокамеру с многоэлементным матричным приемником излучения, оптическая ось которой расположена на оси тоннеля.- a video camera with a multi-element matrix radiation detector, the optical axis of which is located on the axis of the tunnel.

Недостатком прототипа является большое угловое поле объектива видеокамеры, необходимое для уменьшения расстояния от блока подсветки до блока регистрации. При большом угловом поле (для существующих МПИ) фокусное расстояние объектива мало, что приводит к увеличению погрешности измерения радиуса сечения профиля тоннеля.The disadvantage of the prototype is the large angular field of the lens of the camcorder, necessary to reduce the distance from the backlight unit to the registration unit. With a large angular field (for existing MPI), the focal length of the lens is small, which leads to an increase in the error in measuring the radius of the cross section of the tunnel profile.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Для устранения указанного недостатка в способе регистрации сечения профиля тоннеля, содержащем следующие этапы своего осуществления:To eliminate this drawback in the method of registering a section of a tunnel profile, containing the following stages of its implementation:

формируют узкий световой пучок с помощью блока подсветки, оптическая ось которого совпадает с осью тоннеля;form a narrow light beam using the backlight unit, the optical axis of which coincides with the axis of the tunnel;

направляют сформированный световой пучок на поверхность тоннеля с целью его подсветки с помощью зеркала, наклоненного к оси тоннеля и принадлежащего блоку подсветки;directing the generated light beam to the surface of the tunnel with the aim of highlighting it with a mirror tilted to the axis of the tunnel and belonging to the backlight unit;

формируют сечение профиля тоннеля в виде последовательно подсвеченных участков поверхности тоннеля за счет вращения указанного зеркала вокруг оси тоннеля;forming a section of the profile of the tunnel in the form of sequentially illuminated sections of the surface of the tunnel due to the rotation of the specified mirror around the axis of the tunnel;

регистрируют изображения последовательно подсвеченных участков поверхности тоннеля с помощью видеокамеры с многоэлементным матричным приемником изображения, оптическая ось которой совпадает с осью тоннеля;registering images of successively illuminated portions of the surface of the tunnel using a video camera with a multi-element matrix image receiver, the optical axis of which coincides with the axis of the tunnel;

передают информацию о зарегистрированных изображениях последовательно подсвеченных участков сформированного сечения профиля тоннеля;transmit information about the recorded images of successively highlighted sections of the formed section of the profile of the tunnel;

сопоставляют зарегистрированные изображения последовательно подсвеченных участков сформированного сечения профиля тоннеля с участками эталонного профиля; иcomparing registered images of successively highlighted sections of the formed section of the tunnel profile with the sections of the reference profile; and

выявляют изменения радиуса сечения профиля.identify changes in the radius of the cross section of the profile.

При регистрации изображений последовательно подсвеченных участков поверхности тоннеля:When registering images of successively highlighted sections of the tunnel surface:

направляют оптическую ось видеокамеры в центр кольцевой зоны изменения радиуса тоннеля с помощью зеркала, наклоненного к оси тоннеля и принадлежащего видеокамере, причем нормаль этого зеркала лежит в одной плоскости с нормалью зеркала блока подсветки;directing the optical axis of the video camera to the center of the annular zone of changing the radius of the tunnel using a mirror tilted to the axis of the tunnel and belonging to the video camera, the normal of this mirror lying in the same plane as the normal of the mirror of the backlight unit;

вращают видеокамеру вместе с ее зеркалом вокруг оси тоннеля синхронно с вращением зеркала блока подсветки, формируя изображения последовательно подсвеченных участков поверхности тоннеля на одной строке матричного приемника изображения; иrotate the video camera together with its mirror around the axis of the tunnel synchronously with the rotation of the mirror of the backlight unit, forming images of successively highlighted portions of the surface of the tunnel on one line of the image sensor matrix; and

передают информацию об изображениях последовательно подсвеченных участков поверхности тоннеля по беспроводному каналу связи;transmit information about images of sequentially illuminated sections of the surface of the tunnel via a wireless communication channel;

кроме того, угол наклона оптической оси видеокамеры к оси тоннеля определяют по формулеin addition, the angle of the optical axis of the video camera to the axis of the tunnel is determined by the formula

Figure 00000001
Figure 00000001

где R - радиус светового сечения эталонного профиля тоннеля;where R is the radius of the light section of the reference profile of the tunnel;

ΔR - ширина кольцевой зоны изменения радиуса сечения профиля тоннеля;ΔR is the width of the annular zone of variation of the radius of the cross section of the profile of the tunnel;

b - расстояние между зеркалом блока подсветки и зеркалом видеокамеры вдоль оси тоннеля;b is the distance between the mirror of the backlight unit and the mirror of the camera along the axis of the tunnel;

φ1 - угол наклона зеркала блока подсветки к оси тоннеля.φ 1 - the angle of inclination of the mirror of the backlight unit to the axis of the tunnel.

Устройство регистрации сечения профиля тоннеля, расположенное на подвижном носителе, содержащее:A device for registering a section of a tunnel profile located on a movable medium, comprising:

- блок подсветки, оптическая ось которого расположена на оси тоннеля;- a backlight unit, the optical axis of which is located on the axis of the tunnel;

- зеркало, принадлежащее блоку подсветки, наклоненное к оси тоннеля под углом и вращающееся вокруг нее;- a mirror belonging to the backlight unit, inclined to the axis of the tunnel at an angle and rotating around it;

- видеокамеру с многоэлементным матричным приемником излучения, оптическая ось которой расположена на оси тоннеля;- a video camera with a multi-element matrix radiation detector, the optical axis of which is located on the axis of the tunnel;

устройство дополнительно содержит зеркало, наклоненное к оси тоннеля и принадлежащее видеокамере, которое направляет оптическую ось видеокамеры в центр кольцевой зоны изменения радиуса сечения профиля тоннеля, причем нормаль этого зеркала лежит в одной плоскости с нормалью зеркала блока подсветки;the device further comprises a mirror inclined to the axis of the tunnel and belonging to the video camera, which directs the optical axis of the video camera to the center of the annular zone of changing the radius of the section of the tunnel profile, the normal of this mirror lying in the same plane as the normal of the mirror of the backlight unit;

при этом указанное зеркало вращается вместе с видеокамерой вокруг оси тоннеля синхронно с вращением зеркала блока подсветки;wherein said mirror rotates with the video camera around the axis of the tunnel synchronously with the rotation of the mirror of the backlight unit;

кроме того, угол наклона зеркала видеокамеры к оси тоннеля определяется по формулеin addition, the angle of inclination of the video camera mirror to the axis of the tunnel is determined by the formula

Figure 00000002
Figure 00000002

где R - радиус сечения эталонного профиля тоннеля;where R is the radius of the cross section of the reference profile of the tunnel;

ΔR - ширина кольцевой зоны изменения радиуса сечения профиля тоннеля;ΔR is the width of the annular zone of variation of the radius of the cross section of the profile of the tunnel;

b - расстояние между первым зеркалом и вторым зеркалом вдоль оси тоннеля;b is the distance between the first mirror and the second mirror along the axis of the tunnel;

φ1 - угол наклона первого зеркала к оси тоннеля.φ 1 - the angle of inclination of the first mirror to the axis of the tunnel.

Положительный эффект достигается за счет того, чтоA positive effect is achieved due to the fact that

при вышеуказанной регистрации изображения последовательно подсвеченных участков поверхности тоннеля:with the above image registration of sequentially illuminated sections of the surface of the tunnel:

направляют оптическую ось видеокамеры в центр кольцевой зоны изменения радиуса тоннеля с помощью зеркала, наклоненного к оси тоннеля и принадлежащего видеокамере, причем нормаль этого зеркала лежит в одной плоскости с нормалью зеркала блока подсветки;directing the optical axis of the video camera to the center of the annular zone of changing the radius of the tunnel using a mirror tilted to the axis of the tunnel and belonging to the video camera, the normal of this mirror lying in the same plane as the normal of the mirror of the backlight unit;

вращают видеокамеру вместе с ее зеркалом вокруг оси тоннеля синхронно с вращением зеркала блока подсветки, формируя изображения последовательно подсвеченных участков поверхности тоннеля на одной строке матричного приемника изображения; иrotate the video camera together with its mirror around the axis of the tunnel synchronously with the rotation of the mirror of the backlight unit, forming images of successively highlighted portions of the surface of the tunnel on one line of the image sensor matrix; and

передают информацию об изображениях последовательно подсвеченных участков поверхности тоннеля по беспроводному каналу связи;transmit information about images of sequentially illuminated sections of the surface of the tunnel via a wireless communication channel;

кроме того, угол наклона оптической оси видеокамеры к оси тоннеля определяется по формулеin addition, the angle of the optical axis of the video camera to the axis of the tunnel is determined by the formula

Figure 00000001
Figure 00000001

где R - радиус сечения эталонного профиля тоннеля;where R is the radius of the cross section of the reference profile of the tunnel;

ΔR - ширина кольцевой зоны изменения радиуса сечения профиля тоннеля;ΔR is the width of the annular zone of variation of the radius of the cross section of the profile of the tunnel;

b - расстояние между зеркалом блока подсветки и зеркалом видеокамеры вдоль оси тоннеля;b is the distance between the mirror of the backlight unit and the mirror of the camera along the axis of the tunnel;

φ1 - угол наклона зеркала блока подсветки к оси тоннеля.φ 1 - the angle of inclination of the mirror of the backlight unit to the axis of the tunnel.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Сущность изобретения поясняется следующими чертежами:The invention is illustrated by the following drawings:

Фиг.1 - Схема регистрации сечения профиля тоннеля в прототипе.Figure 1 - Registration scheme of the cross section of the profile of the tunnel in the prototype.

Фиг.2 - Эталонное и искаженное сечения профиля поверхности тоннеля.Figure 2 - Reference and distorted sections of the surface profile of the tunnel.

Фиг.3 - Изображение искаженного сечения профиля тоннеля, зарегистрированное на матричном приемнике изображения в прототипе.Figure 3 - Image of a distorted section of the profile of the tunnel registered on the matrix image receiver in the prototype.

Фиг.4 - Расчетная схема для определения погрешности измерения радиуса сечения профиля тоннеля 8R в прототипе.Figure 4 - Calculation scheme for determining the error in measuring the radius of the cross section of the profile of the tunnel 8R in the prototype.

Фиг.5 - Схема предлагаемых способа и устройства регистрации сечения профиля тоннеля.Figure 5 - Scheme of the proposed method and device for registering a section of the profile of the tunnel.

Фиг.6 - Схема наведения оптической оси видеокамеры в центр кольцевой зоны изменения радиуса профиля к R Δ R 2

Figure 00000003
.6 is a diagram of the guidance of the optical axis of the video camera in the center of the annular zone of change of the radius of the profile to R - Δ R 2
Figure 00000003
.

Фиг.7 - Процесс формирования сечения профиля тоннеля в предлагаемом способе с помощью одной строки матрицы.7 - The process of forming a section of the profile of the tunnel in the proposed method using a single row of the matrix.

Фиг.8 - Расчетная схема для определения погрешности измерения радиуса сечения профиля тоннеля δR в предлагаемом способе.Fig - Calculation scheme for determining the error in measuring the radius of the cross section of the profile of the tunnel δR in the proposed method.

На фиг.1 показана схема устройства регистрации сечения профиля тоннеля прототипа, содержащая лазерный блок подсветки, формирующий узкий световой пучок, оптическая ось которого совпадает с осью тоннеля, зеркало блока подсветки, наклоненное к оси тоннеля и направляющее пучок на поверхность тоннеля, видеокамеру с широкоугольным объективом и МПИ. Оптическая ось видеокамеры совпадает с осью тоннеля и оптической осью блока подсветки. Зеркало блока подсветки вращается вокруг оси тоннеля, за счет чего формируется сечение профиля тоннеля в виде последовательно подсвеченных участков поверхности тоннеля.Figure 1 shows a diagram of a device for registering a section of a profile of a tunnel of a prototype, containing a laser backlight unit forming a narrow light beam, the optical axis of which coincides with the axis of the tunnel, a mirror of the backlight unit inclined to the axis of the tunnel and directing the beam to the tunnel surface, a video camera with a wide-angle lens and MPI. The optical axis of the camcorder coincides with the axis of the tunnel and the optical axis of the backlight unit. The mirror of the backlight unit rotates around the axis of the tunnel, due to which a section of the tunnel profile is formed in the form of successively highlighted sections of the tunnel surface.

На фиг.2 показан эталонный профиль тоннеля и искаженный профиль, а на фиг.3 - изображение искаженного сечения профиля, зарегистрированное на МПИ.Figure 2 shows the reference profile of the tunnel and the distorted profile, and figure 3 is an image of a distorted section of the profile recorded on the MPI.

Погрешность регистрации размеров профиля (фиг.4) определяется расстоянием до подсвеченной поверхности Z, размером элемента МПИ а Э, расстоянием b между зеркалом блока подсветки и объективом видеокамеры, углом наклона лазерного пучка 2φ1 и фокусным расстоянием объектива видеокамеры f′.Accuracy is determined by the distance to the illuminated surface Z, IIP element size and E, the distance b between the mirror and the backlight unit lens cameras, laser beam inclination 2φ 1 and the camera lens focal distance f 'register profile (4) dimensions.

Широкоугольные объективы синтезируются на основе широкоугольной телескопической системы с многократным угловым увеличением и узкопольного фотографического объектива. Поэтому увеличение объектива β приблизительно равноWide-angle lenses are synthesized on the basis of a wide-angle telescopic system with multiple angular magnification and a narrow-field photographic lens. Therefore, the magnification of the lens β is approximately equal

Figure 00000004
Figure 00000004

где Z - расстояние от объектива видеокамеры до поверхности тоннеляwhere Z is the distance from the camera lens to the surface of the tunnel

Figure 00000005
Figure 00000005

R - радиус сечения профиля тоннеля;R is the radius of the cross section of the profile of the tunnel;

2W - угловое поле объектива видеокамеры.2W is the angular field of the camera lens.

Проекция элемента МПИ на плоскость, в которой лежит освещающий лазерный луч, a Э '

Figure 00000006
равна произведению размера элемента а Э на увеличение βThe projection of the MPI element on the plane in which the illuminating laser beam lies, a E ''
Figure 00000006
equal to the product of the size of the element a E and the increase in β

Figure 00000007
Figure 00000007

Погрешность измерения радиуса тоннеля (фиг.5)The error of measuring the radius of the tunnel (figure 5)

Figure 00000008
Figure 00000008

При этом база системы равнаThe base of the system is

Figure 00000009
Figure 00000009

Пример конкретной реализации прототипаAn example of a specific implementation of the prototype

Параметры матрицы видеокамеры:Camera matrix parameters:

- количество элементов матрицы М×N=800×600;- the number of elements of the matrix M × N = 800 × 600;

- размеры матрицы a M×bM=6,4×4,8 мм2;- dimensions of the matrix a M × b M = 6.4 × 4.8 mm 2 ;

- размер элемента матрицы а Э=0,008 мм;- size of the matrix element and e = 0.008 mm;

- частота кадров матрицы fM=25 Гц;- matrix frame rate f M = 25 Hz;

- время экспозиции кадра матрицы tM=0,04 с.- matrix frame exposure time t M = 0.04 s.

При скорости движения V = 50 к м ч а с = 14 м с

Figure 00000010
и частоте кадров матрицы fM=25 Гц расстояние между регистрируемыми сечениями профиля равноAt speed V = fifty to m h but from = fourteen m from
Figure 00000010
and the matrix frame rate f M = 25 Hz, the distance between the recorded profile sections is

Figure 00000011
Figure 00000011

Для формирования полного профиля за время кадра матрицы tM=0,04c угловая скорость вращения сканирующего зеркала должна быть равнойTo form a complete profile during the matrix frame time t M = 0.04c, the angular velocity of rotation of the scanning mirror should be equal

Figure 00000012
Figure 00000012

Пример расчета погрешности прототипа приводится для частного случая перпендикулярного падения луча на поверхность тоннеля, т.е. для 2φ1=90°, при котором погрешность измерения радиуса определяется какAn example of calculating the prototype error is given for a particular case of a perpendicular beam incidence on the tunnel surface, i.e. for 2φ 1 = 90 °, at which the error in measuring the radius is defined as

Figure 00000013
Figure 00000013

Для радиуса тоннеля R=2,5 м и базе b=300 ммFor the radius of the tunnel R = 2.5 m and the base b = 300 mm

Figure 00000014
Figure 00000014

угловое поле объектива видеокамеры 2W=166°.the angular field of the camera lens 2W = 166 °.

Фокусное расстояние широкоугольного объектива определяется по формулеThe focal length of a wide-angle lens is determined by the formula

f ' = b M 2 W

Figure 00000015
f '' = b M 2 W
Figure 00000015

и при угловом поле 2W=166°=2,9 рад фокусное расстояние равноand with an angular field of 2W = 166 ° = 2.9 rad, the focal length is

Figure 00000016
Figure 00000016

Расстояние от объектива до подсвеченного участка поверхности равноThe distance from the lens to the highlighted area is

Figure 00000017
Figure 00000017

Погрешность измерения прототипаPrototype measurement error

Figure 00000018
Figure 00000018

Большая погрешность получается из-за малого фокусного расстояния объектива видеокамеры. Уменьшение погрешности может быть достигнуто за счет увеличения базы, что приводит к увеличению габаритов системы.A large error is obtained due to the small focal length of the camera lens. The reduction in error can be achieved by increasing the base, which leads to an increase in the size of the system.

На фиг.5 представлена схема устройства, реализующего предлагаемый способ.Figure 5 presents a diagram of a device that implements the proposed method.

Предлагаемое устройство (фиг.5) содержит лазерный блок подсветки, оптическая ось которого совпадает с осью тоннеля, зеркало, наклоненное к оси тоннеля и принадлежащее блоку подсветки, видеокамеру с МПИ, оптическая ось которой совпадает с оптической осью блока подсветки, причем видеокамера снабжена наклоненным к оси тоннеля зеркалом, которое направляет оптическую ось указанной видеокамеры в центр кольцевой зоны изменения радиуса сечения профиля тоннеля. При этом нормаль этого зеркала лежит в одной плоскости с нормалью зеркала блока подсветки.The proposed device (figure 5) contains a laser backlight unit, the optical axis of which coincides with the axis of the tunnel, a mirror inclined to the axis of the tunnel and belonging to the backlight unit, a video camera with MPI, the optical axis of which coincides with the optical axis of the backlight unit, the video camera being inclined to the axis of the tunnel with a mirror that directs the optical axis of the specified video camera to the center of the annular zone of change in the radius of the section of the profile of the tunnel. In this case, the normal of this mirror lies in one plane with the normal of the mirror of the backlight unit.

Зеркало блока подсветки направляет пучок на поверхность тоннеля и вращается вокруг оси тоннеля, за счет чего формируется сечение профиля тоннеля в виде последовательно подсвеченных участков поверхности тоннеля.The mirror of the backlight unit directs the beam to the tunnel surface and rotates around the axis of the tunnel, due to which a section of the tunnel profile is formed in the form of successively highlighted sections of the tunnel surface.

Видеокамера с зеркалом вращаются вокруг оси тоннеля синхронно с вращением зеркала блока подсветки и регистрирует на одной строке МПИ изображения последовательно подсвеченных участков поверхности тоннеля.A video camera with a mirror rotates around the axis of the tunnel synchronously with the rotation of the mirror of the backlight unit and registers images of successively highlighted sections of the tunnel surface on one line of the MPI.

Угол наклона зеркала видеокамеры к оси тоннеля φ2 определяется по формулеThe angle of the mirror of the video camera to the axis of the tunnel φ 2 is determined by the formula

Figure 00000002
Figure 00000002

где R - радиус сечения эталонного профиля тоннеля;where R is the radius of the cross section of the reference profile of the tunnel;

ΔR - ширина кольцевой зоны изменения радиуса сечения профиля тоннеля;ΔR is the width of the annular zone of variation of the radius of the cross section of the profile of the tunnel;

b - расстояние между первым зеркалом и вторым зеркалом вдоль оси тоннеля;b is the distance between the first mirror and the second mirror along the axis of the tunnel;

φ1 - угол наклона первого зеркала к оси тоннеля.φ 1 - the angle of inclination of the first mirror to the axis of the tunnel.

При этом оптическая ось видеокамеры наклонена к оси тоннеля на уголIn this case, the optical axis of the video camera is tilted to the axis of the tunnel by an angle

Figure 00000001
Figure 00000001

На фиг.6 приведена схема наведения оптической оси видеокамеры в центр кольцевой зоны изменения радиуса профиля.Figure 6 shows a diagram of the guidance of the optical axis of the video camera in the center of the annular zone of change of the radius of the profile.

При регистрации изменения сформированного сечения профиля тоннеля в виде изображений последовательно подсвеченных участков поверхности тоннеля, используют элементы только одной строки указанного МПИ, на которой расположены изображения последовательно подсвеченных участков поверхности тоннеля,When registering changes in the formed section of the profile of the tunnel in the form of images of successively highlighted sections of the surface of the tunnel, elements of only one line of the specified MPI are used, on which images of successively highlighted sections of the surface of the tunnel are located,

На фиг.6 приведены 8 положений одной строки матрицы, при которых регистрируются 8 точек сечения профиля.Figure 6 shows 8 positions of one row of the matrix at which 8 points of the profile cross section are recorded.

Положение светового пятна на строке матрицы (фиг.7) характеризует отклонение радиуса сечения профиля от эталонного.The position of the light spot on the row of the matrix (Fig.7) characterizes the deviation of the radius of the cross section of the profile from the reference.

Погрешность измерения радиуса тоннеля (фиг.8) определяется так же, как и в прототипеThe error in measuring the radius of the tunnel (Fig) is determined in the same way as in the prototype

Figure 00000019
Figure 00000019

Поскольку в соответствии с предлагаемым способом осуществляют вращение видеокамеры, то передачи сигнала с МПИ осуществляются по беспроводному каналу связи.Since in accordance with the proposed method, the camera is rotated, the signal is transmitted from the MPI via a wireless communication channel.

Пример конкретной реализации предлагаемых способа и устройства регистрации сечения профиля тоннеля приводится для тех же условий, что и в прототипе.An example of a specific implementation of the proposed method and device for registering a section of a tunnel profile is given for the same conditions as in the prototype.

Ширина кольцевой зоны, в центр которой наводится оптическая ось видеокамеры, ΔR=1 м при радиусе тоннеля R=2,5 м.The width of the annular zone, in the center of which the optical axis of the video camera is induced, ΔR = 1 m with a tunnel radius R = 2.5 m.

Угол наклона оптической оси видеокамеры равен при φ1=45° и 2φ1=90° и b=300 мм (фиг.8)The angle of the optical axis of the video camera is equal to φ 1 = 45 ° and 2φ 1 = 90 ° and b = 300 mm (Fig. 8)

Figure 00000020
Figure 00000020

Figure 00000021
Figure 00000021

Угол наклона зеркала видеокамеры к оси тоннеляThe angle of the mirror of the camera to the axis of the tunnel

Figure 00000022
Figure 00000022

Figure 00000023
Figure 00000023

угловое поле объектива видеокамерыangular field of the camcorder lens

Figure 00000024
Figure 00000024

Фокусное расстояние объектива видеокамерыFocal length of the camcorder lens

Figure 00000025
Figure 00000025

Погрешность измерения предлагаемых способа и устройстваThe measurement error of the proposed method and device

Figure 00000026
Figure 00000026

При этом для регистрации на профиле 1000 точек (через 0,36 градуса или через 16 мм) требуется частота строки fСТР в 1000 больше, чем частота кадров матрицы fM At the same time, to register 1000 points on the profile (through 0.36 degrees or after 16 mm), the line frequency f STR is required to be 1000 more than the matrix frame rate f M

Figure 00000027
Figure 00000027

что легко реализуется на практике.which is easily implemented in practice.

Таким образом, за счет применения узкопольного объектива с увеличенным фокусным расстоянием погрешность измерения радиуса сечения профиля тоннеля уменьшена по сравнению с прототипом более чем в 50 раз.Thus, due to the use of a narrow-field lens with an increased focal length, the error in measuring the radius of the cross section of the tunnel profile is reduced by more than 50 times compared with the prototype.

Claims (2)

1. Способ регистрации сечения профиля тоннеля, содержащий следующие этапы своего осуществления:
формируют узкий световой пучок с помощью блока подсветки, оптическая ось которого совпадает с осью тоннеля;
направляют сформированный световой пучок на поверхность тоннеля с целью его подсветки с помощью зеркала, наклоненного к оси тоннеля и принадлежащего блоку подсветки;
формируют сечение профиля тоннеля в виде последовательно подсвеченных участков поверхности тоннеля за счет вращения указанного зеркала вокруг оси тоннеля;
регистрируют изображения последовательно подсвеченных участков поверхности тоннеля с помощью видеокамеры с многоэлементным матричным приемником изображения, оптическая ось которой совпадает с осью тоннеля;
передают информацию о зарегистрированных изображениях последовательно подсвеченных участков сформированного сечения профиля тоннеля;
сопоставляют зарегистрированные изображения последовательно подсвеченных участков поверхности тоннеля с эталонным профилем тоннеля; и
выявляют изменения радиуса сечения профиля,
отличающийся тем, что
при регистрации изображений последовательно подсвеченных участков поверхности тоннеля:
направляют оптическую ось видеокамеры в центр кольцевой зоны изменения радиуса тоннеля с помощью зеркала, наклоненного к оси тоннеля и принадлежащего видеокамере, причем нормаль этого зеркала лежит в одной плоскости с нормалью зеркала блока подсветки;
вращают видеокамеру вместе с ее зеркалом вокруг оси тоннеля синхронно с вращением зеркала блока подсветки, формируя изображения последовательно подсвеченных участков поверхности тоннеля на одной строке матричного приемника изображения,
после чего передают информацию об изображениях последовательно подсвеченных участков поверхности тоннеля по беспроводному каналу связи;
кроме того, угол наклона оптической оси видеокамеры к оси тоннеля определяют по формуле
Figure 00000001

где R - радиус сечения эталонного профиля тоннеля;
ΔR - ширина кольцевой зоны изменения радиуса сечения профиля тоннеля;
b - расстояние между зеркалом блока подсветки и зеркалом видеокамеры вдоль оси тоннеля;
φ1 - угол наклона зеркала блока подсветки к оси тоннеля.
1. A method for registering a section of a tunnel profile, comprising the following stages of its implementation:
form a narrow light beam using the backlight unit, the optical axis of which coincides with the axis of the tunnel;
directing the generated light beam to the surface of the tunnel with the aim of highlighting it with a mirror tilted to the axis of the tunnel and belonging to the backlight unit;
forming a section of the profile of the tunnel in the form of sequentially illuminated sections of the surface of the tunnel due to the rotation of the specified mirror around the axis of the tunnel;
registering images of successively illuminated portions of the surface of the tunnel using a video camera with a multi-element matrix image receiver, the optical axis of which coincides with the axis of the tunnel;
transmit information about the recorded images of successively highlighted sections of the formed section of the profile of the tunnel;
comparing recorded images of successively highlighted sections of the surface of the tunnel with the reference profile of the tunnel; and
detect changes in the radius of the cross section of the profile,
characterized in that
when registering images of successively highlighted sections of the tunnel surface:
directing the optical axis of the video camera to the center of the annular zone of changing the radius of the tunnel using a mirror tilted to the axis of the tunnel and belonging to the video camera, the normal of this mirror lying in the same plane as the normal of the mirror of the backlight unit;
rotate the video camera together with its mirror around the axis of the tunnel synchronously with the rotation of the mirror of the backlight unit, forming images of successively highlighted portions of the surface of the tunnel on one line of the image sensor matrix,
then transmit information about images of sequentially illuminated sections of the surface of the tunnel via a wireless communication channel;
in addition, the angle of the optical axis of the video camera to the axis of the tunnel is determined by the formula
Figure 00000001

where R is the radius of the cross section of the reference profile of the tunnel;
ΔR is the width of the annular zone of variation of the radius of the cross section of the profile of the tunnel;
b is the distance between the mirror of the backlight unit and the mirror of the camera along the axis of the tunnel;
φ 1 - the angle of inclination of the mirror of the backlight unit to the axis of the tunnel.
2. Устройство регистрации сечения профиля тоннеля, расположенное на подвижном носителе, содержащее:
- блок подсветки, оптическая ось которого расположена на оси тоннеля;
- зеркало, принадлежащее блоку подсветки, наклоненное к оси тоннеля и вращающееся вокруг нее;
- видеокамеру с многоэлементным матричным приемником излучения, оптическая ось которой расположена на оси тоннеля,
отличающееся тем, что
устройство дополнительно содержит: зеркало, принадлежащее видеокамере, наклоненное к оси тоннеля, которое направляет оптическую ось видеокамеры в центр кольцевой зоны изменения радиуса сечения профиля тоннеля, причем нормаль этого зеркала лежит в одной плоскости с нормалью зеркала блока подсветки; при этом указанное зеркало вращается вместе с видеокамерой вокруг оси тоннеля синхронно с вращением зеркала блока подсветки,
кроме того, угол наклона зеркала видеокамеры к оси тоннеля определяется по формуле
Figure 00000002

где R - радиус сечения эталонного профиля тоннеля;
ΔR - ширина кольцевой зоны изменения радиуса сечения профиля тоннеля;
b - расстояние между первым зеркалом и вторым зеркалом вдоль оси тоннеля;
φ1 - угол наклона первого зеркала к оси тоннеля.
2. A device for registering a section of a tunnel profile located on a movable medium, comprising:
- a backlight unit, the optical axis of which is located on the axis of the tunnel;
- a mirror belonging to the backlight unit, inclined to the axis of the tunnel and rotating around it;
- a video camera with a multi-element matrix radiation detector, the optical axis of which is located on the axis of the tunnel,
characterized in that
the device further comprises: a mirror belonging to the video camera, inclined to the axis of the tunnel, which directs the optical axis of the video camera to the center of the annular zone of changing the radius of the section of the tunnel profile, the normal of this mirror lying in the same plane as the normal of the mirror of the backlight unit; wherein said mirror rotates with the video camera around the axis of the tunnel synchronously with the rotation of the mirror of the backlight unit,
in addition, the angle of inclination of the video camera mirror to the axis of the tunnel is determined by the formula
Figure 00000002

where R is the radius of the cross section of the reference profile of the tunnel;
ΔR is the width of the annular zone of variation of the radius of the cross section of the profile of the tunnel;
b is the distance between the first mirror and the second mirror along the axis of the tunnel;
φ 1 - the angle of inclination of the first mirror to the axis of the tunnel.
RU2013150725/28A 2013-11-15 2013-11-15 Recording method of tunnel profile cross-section and device for its implementation RU2570835C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013150725/28A RU2570835C2 (en) 2013-11-15 2013-11-15 Recording method of tunnel profile cross-section and device for its implementation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013150725/28A RU2570835C2 (en) 2013-11-15 2013-11-15 Recording method of tunnel profile cross-section and device for its implementation

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2013150725A RU2013150725A (en) 2015-05-20
RU2570835C2 true RU2570835C2 (en) 2015-12-10

Family

ID=53283869

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013150725/28A RU2570835C2 (en) 2013-11-15 2013-11-15 Recording method of tunnel profile cross-section and device for its implementation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2570835C2 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2094470A (en) * 1980-11-18 1982-09-15 Dyk Johannes Wilhelmus Van Examining surface profile
US5274437A (en) * 1991-02-27 1993-12-28 Andreas Hornyik Apparatus and procedure for measuring the cross-section of a hollow space
RU2456544C2 (en) * 2008-11-11 2012-07-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет геодезии и картографии" (МИИГАиК) Method of controlling bulkiness of equipment layout in tunnels and apparatus for realising said method
CN102721365A (en) * 2012-06-01 2012-10-10 北京交通大学 Method and device for high-speed and accurate measurement of tunnel section

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2094470A (en) * 1980-11-18 1982-09-15 Dyk Johannes Wilhelmus Van Examining surface profile
US5274437A (en) * 1991-02-27 1993-12-28 Andreas Hornyik Apparatus and procedure for measuring the cross-section of a hollow space
RU2456544C2 (en) * 2008-11-11 2012-07-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет геодезии и картографии" (МИИГАиК) Method of controlling bulkiness of equipment layout in tunnels and apparatus for realising said method
CN102721365A (en) * 2012-06-01 2012-10-10 北京交通大学 Method and device for high-speed and accurate measurement of tunnel section

Also Published As

Publication number Publication date
RU2013150725A (en) 2015-05-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4647867B2 (en) Apparatus and method used to evaluate a target larger than the sensor measurement aperture
US7633628B2 (en) Optical lens system and position measurement system using the same
JPH10253351A (en) Range finder
EP0215948A1 (en) Vehicle for evaluating properties of road surfaces
US20060044570A1 (en) Laser-based position measuring device
JP2015175629A (en) Distance measuring apparatus, and distance measuring system
JP2001281049A (en) Measuring device and method for view angle dependency and location dependency of luminance
CN101672726B (en) Spatial light communication terminal communication detector locating test device and method
JP2002031516A (en) Three-dimensional image input device
ES2239404T3 (en) APPARATUS AND PROCEDURE FOR THE DETERMINATION OF THE OPTICAL DISTORSION OF A TRANSPARENT SUBSTRATE.
RU2570835C2 (en) Recording method of tunnel profile cross-section and device for its implementation
ES2216200T3 (en) METHOD AND DEVICE FOR MEASURING VOLTAGES IN GLASS SHEETS BY DISPERSED LIGHT.
US9442006B2 (en) Method and apparatus for measuring the shape of a wave-front of an optical radiation field
JP3175393B2 (en) Distance measuring method and device
JP2681745B2 (en) A method for measuring the vertical and lateral movement of an object to be measured with a speckle pattern using laser light.
JPS6341402B2 (en)
JP2006292513A (en) Refractive index distribution measuring method for refractive index distribution type lens
RU2413396C1 (en) Laser centraliser for x-ray emitter
JP4431705B2 (en) Particle size distribution measuring device
JP2000190900A (en) Space debris detecting method and space debris detecting device
JP7403328B2 (en) surveying equipment
JP4175736B2 (en) Automatic tracking device for position measurement drawing
JP2009222485A (en) Optical sensor device and its installation state confirming method
RU165682U1 (en) LASER SCANNING DEVICE
JPH1194700A (en) Measuring device and method for lens

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20151116