一種地下工程施工中的導向和位移監測的裝置的制造方法
【專利摘要】本發明提供一種地下工程施工中的導向和位移監測的裝置，包括靶標、準直光源；所述靶標由示蹤光學介質、成像組件、傳感器組件以及信息處理組件組成；示蹤光學介質具有顯示光束傳播蹤跡的作用；本發明可以利用高散射材料或熒光效應增強光束蹤跡的顯示效果，采用雙目或多目成像測量已經示蹤光束的空間指向，測角誤差小，導向精度高。其通用性強，適合用于工程施工導向，以及機器人、車船引導等；裝在盾構機上，可及時發現、糾正掘進路線偏離隧道設計軸線的現象；在地基沉降、橋梁變形等監測任務中，靶標可串列運行，多個測量節點使用同一個方向基準，測量誤差不隨測量鏈的長度加長而增大。
【專利說明】
一種地下工程施工中的導向和位移監測的裝置
技術領域
[0001]本發明涉及檢測角度及位移量的裝置，特別涉及一種地下工程施工中的導向和位移監測的裝置。
【背景技術】
[0002](I)靶標在激光導向中的應用
[0003]在隧道施工時，用激光導向技術提高掘進的準確性和施工效率。激光導向系統由準直光束和靶標組成:其中，準直光束起到基準線的作用；固定在盾構機上，用于檢測光束入射方向的儀器，簡稱為“勒標”。已有的導向系統使用的靶標主要有兩類:
[0004]①雙屏幕型:由金屬小孔板及前、后接收屏組成。前、后屏均是有機玻璃板，上面刻有坐標方格。讀出激光光斑的坐標值，計算入射激光的方向角。
[0005]②單屏幕型:入射激光照射靶標前部的透明屏，形成散射光斑;進入標靶內部的激光，經透鏡后形成第二個光斑。通過檢測兩個光斑在屏上的位置、計算入射光與標靶軸線的夾角。
[0006](2)靶標在位移(沉降、形變)監測中的應用
[0007]監測建筑位移(形變)、地基沉降的方法之一，是用準直光束照射遠處靶標，用攝像機測量光斑在靶標上的位移量，折算地基或建筑的沉降、形變量。上述靶標的共性特點是，以屏幕截取點狀光斑，擬合出一條“線”，計算該光線的入射角或位移量。
[0008]兩種靶標有以下局限性:
[0009]①圖像測量的采樣點少(只有I?2個點)。常用的降低誤差的有效方法(增加采樣點以及最小二乘法等)，在這類靶標中無用武之地。
[0010]②已有的多屏幕檢測裝置中，至少有I個屏幕是不透明的。在有多個測量節點的鏈路中，不透明屏幕隔斷了相鄰節點的光束傳播通道。
【發明內容】
[0011]針對現有技術中的上述不足之處，本發明的目的是提供一種監測裝置，所述裝置中的示蹤光學介質的有效厚度，大于傳統裝置中的顯示屏幕，利用高散射光學介質的散射光或熒光增強光束蹤跡的顯示效果，根據雙目或多目立體視覺原理，測量己經示蹤光束的空間指向。
[0012]為達到上述目的，本發明提供一種地下工程施工中的導向和位移監測的裝置，包括:革E標、準直光源。
[0013]所述準直光源產生的平行光束是施工的方向基準;準直光源可以是連續或強度調制的獨立光源，或者采用全站儀內置的光源。
[0014]所述靶標由示蹤光學介質、成像組件、傳感器組件、信息處理組件以及底座組成。所述示蹤光學介質、傳感器組件、信息處理組件均安裝在底座上。所述靶標的數量N大于或等于I
[0015]所述示蹤光學介質為高散射材料。所述示蹤光學介質內還可以摻有起散射作用的金屬納米顆粒，或無機化合物膠體，或者熒光劑，起到增強光束示蹤效果的作用。光束照射介質時，部分光能量轉換成散射光或/和熒光，導致局部呈現高亮度區，其幾何輪廓反映入射光束的傳播路徑的蹤跡。
[0016]為便于說明，本發明中定義示蹤光學介質的入射面為底面，與底面垂直的面稱為側面，與底面垂直的邊稱為高。
[0017]所述成像組件包括至少I臺攝像機，攝像機位于示蹤光學介質的周圍，分別從不同視角拍攝示蹤光學介質中側向散射光、或熒光形成的路徑或光斑，攝像機視頻信號通過電纜傳送到信息處理組件。
[0018]所述傳感器組件包括溫度傳感器、俯仰傾角儀和滾轉傾角儀;傳感器的電信號通過電纜輸入到信息處理組件。
[0019]所述信息處理組件由信號調理電路、同步電路和工控機組成。工控機的作用是，依據攝像機視頻信號和傳感器信號，檢測入射光束的入射點坐標及入射方向。
[0020]如果示蹤光學介質的高大于或等于底面短邊長的30%，所述檢測裝置中包含的示蹤光學介質的數量為I。靶標坐標系的ox軸與長方體靶標的長邊平行;攝像機位于0X、0y、0Z軸附近，從不同視角米集介質中的散射光或/和焚光;不蹤光學介質內部側向散射光或/和熒光形成亮度漸變、截面形狀漸變的柱狀亮區；攝像機采集的圖像反映光束的傳播路徑的蹤跡;依據光束傳播路徑蹤跡視頻信號和傳感器信號，信息處理組件測量光束軸線的坐標；比較相鄰時刻的兩幅圖像，計算出入射點坐標隨時間的變化量，得到靶標相對于基準光束的位移量的檢測結果;采用雙目(多目)立體視覺方法，檢測光束在介質中的折射角及入射點的幾何位置;在測量出光束在介質中的折射角之后，利用溫度傳感器輸出的介質溫度值t，確定空氣和示蹤光學介質的折射率ns^(t)和η介質(t)，然后根據折射定律計算光束在空氣中的入射角。
[0021]如果示蹤光學介質的高小于底面短邊長的30%，所述檢測裝置中包含的示蹤光學介質的數量為N，且N滿足2<N<20 A塊示蹤光學介質固定在地基或建筑的N個被測點上。采用I個準直光源，所述光源固定在基準點上，發射光束順次透過N個示蹤光學介質，形成測量鏈。示蹤光學介質的周圍，安放成像組件、傳感器組件和信息處理組件。攝像機采集介質中散射光或/和熒光，記錄光束產生的光斑以及在介質中傳播的路徑蹤跡。依據光束傳播路徑蹤跡視頻信號和傳感器信號，信息處理組件檢測光斑質心(及蹤跡)在被測點處的坐標；比較質心幾何位置的變化量，得到被測點相對于基準線的位移量。最后根據相鄰示蹤光學介質的兩個光斑的質心坐標，測量兩質心連線的方向(方位角、俯仰角、滾轉角)，此角度即光束入射方向角的檢測結果。
[0022]綜上所述，在盾構、隧道、坑道等地下施工、土石方施工作業中，都需要高精度的導向系統以及某些關鍵固定點的位移監測系統，本發明提供一種地下工程施工中的導向和位移監測的裝置，與傳統裝置中測量對象是“屏”上的光斑不同，本發明中測量的是“散射體”中示蹤光束的空間指向，可以利用高散射材料或熒光效應增強光束蹤跡的顯示效果，采用雙目或多目成像測量已經示蹤光束的空間指向，測角誤差小，導向精度高。其通用性強，適合用于工程施工導向，以及機器人、車船引導等;裝在盾構機上，可及時發現、糾正掘進路線偏離隧道設計軸線的現象;在地基沉降、橋梁變形等監測任務中，靶標可串列運行，多個測量節點使用同一個方向基準，測量誤差不隨測量鏈的長度加長而增大。
【附圖說明】
[0023]為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0024]圖1為本發明的結構不意圖；
[0025]圖2為本發明實施例一中靶標安裝在盾構機上的示意圖；
[0026]圖3為本發明實施例二中兩個靶標串列運行的示意圖；
[0027]附圖標記:
[0028]1.準直光源；2.示蹤光學介質；3.攝像機；Ia.光束;4.溫度傳感器;5.信息處理組件;6.俯仰角傾角儀;7.滾動角傾角儀;8.底座;9.盾構機;10.靶標坐標系o-xyz; 11.盾構機坐標系O-XYZ。
具體實施方案
[0029]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0030]如圖1所示，本發明“一種地下工程施工中的導向和位移監測的裝置”由準直光源I和靶標兩部分組成。所述靶標包括:示蹤光學介質2、攝像機3、溫度傳感器4、信息處理組件
5、俯仰角傾角儀6、滾動角傾角儀7、底座8。
[0031 ] 實施例一
[0032]如圖2所示，靶標安裝在盾構機9上，組成光學導向及位移監測裝置:測量示蹤光學介質中側向散射光、或熒光的路徑相對于盾構機軸線的幾何方向，并測量光斑的位移。
[0033]所述準直光源I固定在大地坐標系基準點上。準直光源I產生的平行準直光束Ia是施工場地的方向基準，光源采用全站儀內置的光源。光源的波長760nm，強度調制發光，光源平均功率5毫瓦。
[0034]示蹤光學介質2的材料采用亞克力，形狀為30cm*30cm*50cm(長*寬*高)的長方體。
[0035]準直光束Ia從不蹤光學介質一個底面入射，透射光束和散射光分別經不蹤光學介質另一個底面、側面進入攝像機3。
[0036]攝像機采集側向散射光或熒光7，形成亮度漸變、截面形狀漸變的柱狀亮區；柱狀輪廓長度約50cm，橫截面直徑Imm至50mm。示蹤光學介質2橫截面尺度^=10mm，光束傾斜入射時，介質側壁不會阻擋光束傳播的路徑蹤跡。
[0037]攝像信號通過電纜輸入到信息處理組件5。
[0038]溫度傳感器4，俯仰傾角儀6、滾轉傾角儀7安放在示蹤光學介質的右側的底座8上；傳感器電信號通過電纜輸入到信息處理組件5。
[0039]信息處理組件5由信號調理電路、同步電路和工控機三部分組成；工控機的作用是，依據圖像信號和傳感器信號，檢測入射光束Ia相對于靶標坐標系o-xyz的方向角。
[0040]使用方法包括以下步驟:
[0041]①準備步驟:標定示蹤光學介質的折射、散射與光束傳播路徑的關系。
[0042]根據溫度傳感器4輸出的介質溫度值t，確定空氣和示蹤光學介質的折射率:
⑴和咖⑴；
[0043 ]②設定導向的基準:光束I a是施工現場的方向基準。
[0044]③檢測光束傳播路徑的蹤跡:
[0045]攝像機3從不同視角采集圖像。獲得光束的傳播路徑的蹤跡:亮度漸變、截面形狀漸變的柱狀亮區。信息處理組件將柱狀圖像細化，提取光束傳播路徑的軸線。根據雙目(或多目)立體視覺模型，基于攝像機采集的圖像信息算出光束的軸線在示蹤光學介質2中的折射角BM;然后，根據折射定律外推光束Ia的入射角A空氣，即光束相對于ox軸的方向(方位角、俯仰角、滾轉角):
[0046]ns^(t).sin As^=rVi質⑴.sin Bm
[0047]④檢測盾構機姿態角:
[0048]綜合全站儀對靶標測距的數據、傾角儀6和7的數據，得到靶標坐標系相對于大地坐標系的幾何位置；圖2盾構機坐標系11中，光束矢量OP與入射光束Ia平行。矢量OQ與OX的夾角，即是入射光束在盾構機坐標系中的方位角。根據立體幾何坐標變換公式，計算出盾構機的姿態角(盾構機偏航角、坡度角、滾轉角)。
[0049]綜上所述，傳統靶標的原始測量數據是屏幕上的兩個“點”；本靶標的原始測量數據是介質中的一條“線”(光束傳播路徑)，通過增大原始數據的信息量、有效地減小了測角誤差。
[0050]實施例二
[0051 ]本實施例用于檢測道路沉降。
[0052]如圖3所示，準直光源I固定在路基基準點上，發出準直激光束la，光源采用全站儀內置的光源。光源的波長760nm，強度調制發光，光源平均功率5毫瓦。
[0053]本例串列布設兩個相同的示蹤光學介質，采用亞克力材料，形狀為30Cm*30Cm*lCm(長*寬*高)的長方體。
[0054]靶標固定在被測點上，示蹤光學介質2的Oz軸與鉛直線平行，ox軸位于水平面;ox軸示蹤光學介質的底面的法線的夾角為45度。攝像機3沿法線采集介質中散射光/熒光7。示蹤光學介質2中，散射光/熒光7形成一個近似橢圓形的光斑(其輪廓還與容器的高相關)。
[0055]當被測點的路基發生沉降時，激光光斑會產生位移。通過比較相鄰時刻同一示蹤光學介質中光斑質心位置的變化，折算路基的位移(沉降)量。
[0056]本實施例中，光束Ia順次透射兩個示蹤光學介質，相鄰示蹤光學介質所測得的兩個光斑質心的連線的方向(方位角、俯仰角、滾轉角)，是本裝置對光束I a軸線入射方向角的檢測結果。
【主權項】
1.一種地下工程施工中的導向和位移監測的裝置，包括:靶標、準直光源;所述靶標由示蹤光學介質、成像組件、傳感器組件、信息處理組件以及底座組成;所述示蹤光學介質、傳感器組件、信息處理組件均安裝在底座上;所述示蹤光學介質為高散射材料;所述成像組件包括至少I臺攝像機，攝像機位于光學介質的周圍，成像組件的信號通過電纜傳送到信息處理組件;所述傳感器組件包括溫度傳感器、俯仰傾角儀和滾轉傾角儀，傳感器組件的電信號通過電纜輸入到信息處理組件;所述信息處理組件由信號調理電路、同步電路和工控機組成;所述革E標的數量N大于或等于I。2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，當所述示蹤光學介質的高小于底面的短邊長的30 %時，所述靶標的數量N滿足2<N<20，所述N個靶標固定在地基或建筑的N個被測點上。3.如權利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述成像組件的信號為所述示蹤光學介質側向散射光和/或焚光形成的光束的視頻信號。4.如權利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述裝置采用雙目或多目成像測量已經示蹤光束的空間指向。5.如權利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述準直光源是連續或強度調制的獨立光源，或者是全站儀內置的光源，所述準直光源所發射的光束作為施工的基準方向。
【文檔編號】E21B47/024GK106092069SQ201610712905
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月24日
【發明人】曹動
【申請人】湖南科天健光電技術有限公司