CN101709968B - 一种自适应扫描路基沉降远程监测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自适应扫描路基沉降远程监测装置与方法，属于光学和几何位置测量领域。该装置包括沉降监测桩、光源(1)、固定观察桩(5)、位置测量单元(2)、电动旋转台(3)。该方法采用包括第一、第二点光源(103、104)的多个光源；第一、第二点光源成像于位置测量单元，由像点距离计算成像倍率，由成像倍率、像点位移计算路基沉降；电动旋转台3带动光源位置测量单元旋转，依次对准光源，测量多个待测点路基沉降。本发明精确测得成像倍率，提高测量精度；光源光强可调，可全天候测量；一个探测器测量多个目标，建立统一基准，缩减设备成本。

Description

一种自适应扫描路基沉降远程监测装置与方法

技术领域

本发明属于光学测量和几何位置测量技术领域，涉及一种自适应扫描路基沉降远程监测装置与方法。

背景技术

路基沉降测量在轨道安全检测及监测中起着重要作用。目前用于测量道路路基沉降观测装置主要有水杯沉降仪、沉降板测量装置、剖面沉降仪、PVC管沉降仪、磁环沉降仪。以上现有技术普遍存在以下三个主要缺点：第一依靠人工测量或纪录，测量效率低，检测精度低；第二选择基准点时，稳定性和低成本不能兼得；第三测量不能远程监控，也不能进行自动测量。

《一种利用激光远程测量路基沉降的装置与方法》(见申请号：200810222753.1)。该发明使用激光自动测量路基的沉降，并将测量数值通过无线通信网络传送到中央处理单元，从而实现对观察点路基沉降的远程监测。但该装置与方法仍然存在以下三个问题：

基于成像原理，测量前需要人工标定成像倍率，而实际施工过程中，精确测量成像物距有一定难度，得到的成像倍率与实际成像倍率存在一定的偏差，影响测量结果；

目标与测量装置一对一测量，测量成本偏高；

光源强度不可调、光电器件的动态范围较小，难以消除杂散光，制约着该装置的适用范围。

发明内容

本发明的目的是，针对目前已有的路基沉降测量装置及方法中存在的缺陷，提出一种自适应扫描路基沉降远程监测装置与方法。

为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案：

一种自适应扫描路基沉降远程监测装置，包括：光源、位置测量单元、沉降检测桩和固定观察桩。

位置测量单元和固定观察桩之间设电动旋转台；所述电动旋转台包括转台面、机座、转动轴、蜗杆传动机构、联轴器、步进电机；所述机座安装在固定观察桩上，所述步进电机安装在所述机座上；所述蜗杆传动机构通过联轴器与步进电机连接；所述转台面与所述转动轴固定连接；蜗杆传动机构与转动轴啮合；所述转动轴带动转台面旋转，安装在转台面上的所述光源位置测量单元跟随转台面旋转；

所述光源包括光源单元和控制单元，所述控制单元用于调节所述光源单元的光强；

所述光源单元包括第一点光源、第二点光源，所述第一点光源、第二点光源分别固定在固定板上相互间隔距离d的第一孔与第二孔中；

第一孔与第二孔的距离d介于所述路基沉降测量单元的分辨率L1和测量范围L2之间；L1＝l1*s1/s2；L2＝l2*s1/s2；l1、l2分别为所述光电位置探测器分辨率和测量范围；s1为***成像光路物距；s2为***成像光路像距；s1、s2精确到mm量级；

所述光源单元包括如下四种组成方式：

一、在所述第一孔和第二孔中各放置并固定第一单色发光二极管、第二单色发光二极管；所述两个单色发光二极管均与控制单元连接；两个单色发光二极管形成第一点光源和第二点光源；

二、在以所述第一孔和第二孔所在位置的连线为底边，构成的等腰三角形顶角处设置一超高亮单色发光二极管；所述超高亮单色发光二极管与控制单元连接；所述超高亮单色发光二极管发出的光从固定板上的两个孔穿过，形成所述第一点光源、第二点光源；

三、包括固定板、第一带尾纤的半导体激光器、光纤分束器；光纤分束器包括一个输出端与两个输入端；所述第一带尾纤的半导体激光器的控制端与所述控制单元连接，所述第一带尾纤的半导体激光器的第一输出尾纤与所述光纤分束器的输入端连接，所述光纤分束器的两个输出端分别与第一输出光纤、第二输出光纤的一端连接，所述第一输出光纤、第二输出光纤的另一端分别固定在所述第一孔和第二孔中，形成所述第一点光源、第二点光源；

四、包括固定板、第二带尾纤的半导体激光器、第三带尾纤的半导体激光器；所述第二带尾纤的半导体激光器和第三带尾纤的半导体激光器的控制端与控制单元连接，所述第二带尾纤的半导体激光器和第三带尾纤的半导体激光器的输出尾纤分别固定在所述第一孔和第二孔中，形成所述第一点光源、第二点光源。

所述光电位置探测器采用线阵电荷耦合器件或位置敏感探测器。

所述控制与信号处理电路同时控制所述光电位置探测器与所述电动旋转台。

基于线阵电荷耦合器件作为光电位置探测器的上述一种自适应扫描路基沉降远程监测装置的一种自适应扫描路基沉降远程监测方法，其特征是所述方法包括下列步骤：

步骤一，在路基沉降观测路段设置位置测量单元和与光源相同的第一光源、第二光源、第三光源、第四光源；

步骤二，点亮所述四个光源，使电动旋转台顺时针旋转，依次使位置测量单元对准第一光源、第二光源、第三光源、第四光源，将电动旋转台旋转的角度分别记为第一初始角、第二初始角、第三初始角、第四初始角，关闭以上四个光源，使电动旋转台回到初始位置；

步骤三，电动旋转台旋转到第一初始角，对准第一光源，位置测量单元记录背景杂散光图像；

步骤四，根据背景杂散光图像调节光电位置探测器的积分时间，使背景杂散光光强平均灰度值不大于光电位置探测器最大灰度值的二分之一，记录调节积分时间之后的背景杂散光图像；

步骤五，点亮第一光源，位置测量单元记录带目标的图像，根据带目标的图像调节第一光源光强，使得目标光强最大灰度值大于光电位置探测器最大灰度值的二分之一，位置测量单元记录调节光强后带目标的图像，关闭第一光源；

步骤六，将调节光强后带目标的图像和调节积分时间后的背景杂散光图像相减，得到去背景杂散光目标图像，用亚像素算法对去背景杂散光目标图像进行处理，得到第一光源第一点光源、第二点光源像点的初始位置；

步骤七，电动旋转台依次旋转到第二初始角、第三初始角、第四初始角，依次对准点亮的第二光源、第三光源、第四光源，对第二至第四光源重复步骤三到步骤六，进行初始测量，完成第二至第四光源初始测量后，使电动旋转台回到初始位置，关闭第二至第四光源；

步骤八，电动旋转台依次旋转到第一初始角、第二初始角、第三初始角、第四初始角，由于沉降检测桩随路基沉降同时出现横向移动，引起固定在沉降检测桩上的光源水平方向产生微位移，故电动旋转台在第一至第四初始角附近进行微调，依次对准点亮的第一光源、第二光源、第三光源、第四光源，进行实时测量，测量时，重复步骤三到步骤六，得到第一至第四光源各个点光源像点的实时位置；由实时位置与对应的初始位置相减，得到像方沉降值，由第一点光源像点与第二点光源像点之间的距离和距离d计算得成像倍率，将像方沉降值和成像倍率相乘得到被测点处的路基沉降测量值。

基于位置敏感探测器作为光电位置探测器的上述一种自适应扫描路基沉降远程监测装置的一种自适应扫描路基沉降远程监测方法，其特征是所述方法包括下列步骤：

步骤一与步骤二与上述方法中的步骤一、步骤二相同；

步骤三，电动旋转台旋转到第一初始角，对准第一光源，点亮第一光源中第一点光源或第二点光源，对其进行调制，对位置敏感探测器所得信息进行解调，得到该点光源像点初始位置；

步骤四，点亮第一光源中另一个点光源，重复步骤三，得到相应的像点初始位置；

步骤五，电动旋转台依次旋转到第二初始角、第三初始角、第四初始角，依次对准点亮的第二光源、第三光源、第四光源，对第二至第四光源重复步骤三到步骤六，进行初始测量，完成第二至第四光源初始测量后，使电动旋转台回到初始位置，关闭第二至第四光源；

步骤六，电动旋转台依次旋转到第一初始角、第二初始角、第三初始角、第四初始角，进行微调，依次对准点亮的第一光源、第二光源、第三光源、第四光源，进行实时测量，测量时，重复步骤三、步骤四，得到第一至第四光源第一点光源与第二点光源像点的实时位置；对于每个光源，选定该光源像点的其中一点或多点，与对应点的初始位置相减，得到像方沉降值；由第一点光源像点与第二点光源像点之间的距离和距离d计算得成像倍率，将像方沉降值和成像倍率相乘得到被测点处的路基沉降测量值。

本发明的效果在于，采用距离一定的点光源组作为被测目标，测量时容易得到精确的成像倍率，减小成像倍率测量误差对最终沉降测量结果的影响；采用光强可调光源作为被测目标，采用可调积分时间的线阵电荷耦合器件或可解调调制光源信号的位置敏感探测器作为光电位置探测器，避免外界背景杂散光的干扰，可以实现全天候的测量；通过扫描方式，实现一个探测器对应多个目标的测量，易于建立统一测量基准，缩减设备成本。

附图说明

图1是一种自适应扫描路基沉降远程监测装置的组成示意图。

图2是光源单元主视示意图。

图3(a)至图3(d)是四种光源单元组成的右视示意图。

图4是一种自适应扫描路基沉降远程监测方法扫描示意图。

图中：

光源1，位置测量单元2，电动旋转台3，固定观察桩5，道路6，路基7，第一光源11，第二光源12，第三光源13，第四光源14，控制单元101，光源单元102，第一点光源103，第二点光源104，固定板105，第一孔106，第二孔107，第一单色发光二极管111，第二单色发光二极管112，超高亮单色发光二极管121，第一带尾纤的半导体激光器131，第一输出尾纤132，光纤分束器133，第一输出光纤134，第二输出光纤135，第二带尾纤的半导体激光器141，第三带尾纤的半导体激光器142，第二、第三输出尾纤143、144，窗口玻璃201，成像透镜202，光电位置探测器203，控制与信号处理电路204，电源模块205、无线模块206，安装盒207，转台面301，机座302，转动轴303，蜗杆传动机构304，联轴器305，步进电机306，沉降检测桩测杆401，沉降检测桩底板402，除去道路6与尾纤110，其他光滑曲线皆为电气连接。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

实施例一：

如图1所示，一种自适应扫描路基沉降远程监测装置，包括：光源、位置测量单元、沉降检测桩和固定观察桩。

路基沉降测量单元包括：光源1、位置测量单元2、电动旋转台3、沉降检测桩和固定观察桩5。

光源1安装在沉降检测桩上，沉降检测桩埋设在待测点处；待测点有两个或两个以上，每个待测点埋设一个沉降检测桩，每个沉降检测桩上安装一个光源1；电动旋转台3安装在固定观察桩5上，固定观察桩5安装在路基沉降变形区以外，不发生沉降的地点；位置测量单元2安装在电动旋转台3上，跟随电动旋转台3一起旋转；调整每一个光源1与位置测量单元2之间的相对位置，使成像关系满足近轴条件，同时使路基沉降测量范围最大，优选方案为使光源1位于位置测量单元2中成像透镜202的光轴上，并使光源1发出的光经成像透镜202后，成像于光电位置探测器203的中心位置。

光源1由光源单元102和控制单元101组成。

位置测量单元2由窗口玻璃201、成像透镜202、光电位置探测器203、控制与信号处理电路204、电源模块205、无线模块206、安装盒207组成。

电动旋转台3包括转台面301、机座302、转动轴303、蜗杆传动机构304、联轴器305、步进电机306。机座302安装在固定观察桩5上，步进电机306安装在机座302上；蜗杆传动机构304通过联轴器305与步进电机302连接；转台面301与转动轴303固定连接；蜗杆传动机构304与转动轴303啮合；转动轴303带动转台面301旋转，安装在转台面上的光源位置测量单元2跟随转台面301旋转。

光源单元102由两个相互间隔20mm、固定在固定板105上的第一、第二单色发光二极管111、112组成，如图3(a)所示。两个单色发光二极管均与控制单元101连接，固定板105垂直固定在沉降检测桩4上。

光电位置探测器203采用线阵电荷耦合器件。

控制与信号处理电路204同时控制光电位置探测器203与电动旋转台3。

沉降检测桩由沉降检测桩测杆401、沉降检测桩底板402组成，沉降检测桩底板402埋设与路基中，带动沉降检测桩测杆401以及固定在其上的光源1与路基同步沉降。

接下来介绍利用上述的钢轨参数自动测量装置，实现钢轨纵向位移自动测量方法，光电位置探测器采用线阵电荷耦合器件，其步骤如下：

步骤一，在路基沉降观测路段设置位置测量单元2和与光源1相同的第一光源11、第二光源12、第三光源13、第四光源14；

步骤二，点亮以上四个光源，使电动旋转台3顺时针旋转，依次使位置测量单元(2)对准第一光源11、第二光源12、第三光源13、第四光源14，将电动旋转台3旋转的角度分别记为第一初始角、第二初始角、第三初始角、第四初始角，关闭以上四个光源，使电动旋转台3回到初始位置；

步骤三：电动旋转台3旋转到第一初始角，对准第一光源11，位置测量单元2记录背景杂散光图像；

步骤四：根据背景杂散光图像调节光电位置探测器203的积分时间，使背景杂散光光强平均灰度值不大于光电位置探测器203最大灰度值的二分之一，记录调节积分时间之后的背景杂散光图像；

步骤五，点亮第一光源11，位置测量单元2记录带目标的图像，根据带目标图像调节第一光源11光强，使得目标光强最大灰度值大于光电位置探测器203最大灰度值的二分之一，位置测量单元2记录调节光强后带目标的图像，关闭第一光源11；

步骤6，将调节光强后带目标的图像和调节积分时间后的背景杂散光图像相减，得到去背景杂散光目标图像，用亚像素算法对去背景杂散光目标图像进行处理，得到第一光源11第一点光源103、第二点光源104像点的初始位置；

步骤七，电动旋转台3依次旋转到第二初始角、第三初始角、第四初始角，依次对准点亮的第二光源12、第三光源13、第四光源14，对第二至第四光源重复步骤三到步骤六，进行初始测量，完成第二至第四光源初始测量后，使电动旋转台3回到初始位置，关闭第二至第四光源；

步骤八，电动旋转台3依次旋转到第一初始角、第二初始角、第三初始角、第四初始角，进行微调，依次对准点亮的第一光源11、第二光源12、第三光源13、第四光源14，进行实时测量，测量时，重复步骤三到步骤六，得到第一至第四光源第一点光源103与第二点光源104像点的实时位置，由实时位置与对应的初始位置相减，得到像方沉降值，由第一点光源103像点与第二点光源104像点之间的距离和距离d计算得成像倍率，将像方沉降值和成像倍率相乘得到被测点处的路基沉降测量值。

实施例二：

本实施例的一种自适应扫描路基沉降远程监测装置的组成与实施例一的区别在于，本实施例的光源单元102由一个超高亮单色发光二极管121与固定板105组成，如图3(b)所示，固定板上有两个孔径1mm的孔；超高亮单色发光二极管与两孔构成底边为20mm、高为40mm的等腰三角形。

本实施例的钢轨纵向位移自动测量方法与实施例一相同。

实施例三：

本实施例的一种自适应扫描路基沉降远程监测装置的组成与实施例一的区别在于，本实施例的光源单元102包括第一带尾纤的半导体激光器131、光纤分束器133、固定板105，如图3(c)所示；第一带尾纤的半导体激光器131的控制端与控制单元102连接，第一带尾纤的半导体激光器131的输出尾纤132与光纤分束器133的输入端连接，光纤分束器133的两个输出端分别与第一输出光纤134、第二输出光纤135的一端连接，第一输出光纤134、第二输出光纤135的另一端分别固定在固定板105上相距20mm的两个孔中。

本实施例的钢轨纵向位移自动测量方法与实施例一相同。

实施例四：

本实施例的一种自适应扫描路基沉降远程监测装置的组成与实施例一的区别在于，本实施例的光源单元102包括固定板105、第二带尾纤的半导体激光器141、第三带尾纤的半导体激光器142，如图3(d)所示；第二带尾纤的半导体激光器141和第三带尾纤的半导体激光器142的控制端与控制单元101连接，第一带尾纤的半导体激光器141和第二带尾纤的半导体激光器142的第二、第三输出尾纤143、144分别固定在相距20mm的两孔中。

本实施例的钢轨纵向位移自动测量方法与实施例一相同。

实施例五

本实施例的一种自适应扫描路基沉降远程监测装置的组成与实施例一的区别在于，本实施例的光电位置探测器203采用位置敏感探测器，控制单元101使第一、第二点光源103、104加上调制信号。

基于上述钢轨参数自动测量装置的钢轨纵向位移自动测量方法，包括下列步骤：

步骤一与步骤二与实施例一中的步骤一、步骤二相同；

步骤三，电动旋转台3旋转到第一初始角，对准第一光源11，点亮光源11中第一点光源103并对其进行调制，对位置敏感探测器203所得信息进行解调，得到第一点光源103像点初始位置；

步骤四，对光源中第二点光源104重复步骤三，得到相应的像点初始位置；

步骤五与实施例一中步骤七相同；

步骤六，与实施例一中的步骤八的区别在于实施例一中步骤八中重复实施例一中步骤三到步骤七，本步骤中重复本方法中步骤三、步骤四。

实施例六：

本实施例的一种自适应扫描路基沉降远程监测装置的组成与实施例五的区别在于，本实施例的光源单元102采用实施例四中的组成方式。

本实施例的钢轨纵向位移自动测量方法与实施例五相同。

Claims (8)

1.一种自适应扫描路基沉降远程监测装置，包括：光源、位置测量单元、沉降检测桩和固定观察桩；

其特征在于：位置测量单元(2)和固定观察桩(5)之间设电动旋转台(3)；

电动旋转台(3)包括转台面(301)、机座(302)、转动轴(303)、蜗杆传动机构(304)、联轴器(305)、步进电机(306)；机座(302)安装在固定观察桩(5)上；步进电机(306)安装在机座(302)上；蜗杆传动机构(304)通过联轴器(305)与步进电机(306)连接；转台面(301)与转动轴(303)固定连接；蜗杆传动机构(304)与转动轴(303)啮合；转动轴(303)带动转台面(301)旋转，安装在转台面(301)上的位置测量单元(2)跟随转台面(301)旋转；

光源(1)包括光源单元(102)和控制单元(101)；

光源单元(102)包括第一点光源(103)、第二点光源(104)，第一点光源(103)、第二点光源(104)分别固定在固定板(105)上相互间隔距离d的第一孔(106)与第二孔(107)中；

第一孔(106)与第二孔中(107)的距离d介于路基沉降测量单元的分辨率L1和测量范围L2之间；L1＝l1*s1/s2；L2＝l2*s1/s2；l1为光电位置探测器(203)的分辨率；l2为光电位置探测器(203)的测量范围；s1为***成像光路物距；s2为***成像光路像距；s1、s2精确到mm量级。

2.根据权利要求1所述的一种自适应扫描路基沉降远程监测装置，其特征在于：光源单元(102)是在第一孔(106)和第二孔(107)中分别放置并固定第一单色发光二极管(111)、第二单色发光二极管(112)；第一、第二单色发光二极管(111)、(112)均与控制单元(101)连接；第一单色发光二极管(111)、第二单色发光二极管(112)形成第一点光源(103)和第二点光源(104)。

3.根据权利要求1所述的自适应扫描路基沉降远程监测装置，其特征在于：光源单元(102)是在以第一孔(106)和第二孔(107)所在位置的连线为底边， 构成的等腰三角形顶角处设置一超高亮单色发光二极管(121)；超高亮单色发光二极管(121)与控制单元(101)连接；超高亮单色发光二极管(121)发出的光从固定板(105)上的第一孔(106)和第二孔(107)穿过，形成第一点光源(103)、第二点光源(104)。

4.根据权利要求1所述的自适应扫描路基沉降远程监测装置，其特征在于：光源单元(102)包括固定板(105)、第一带尾纤的半导体激光器(131)、光纤分束器(133)；第一带尾纤的半导体激光器(131)的控制端与控制单元(101)连接，第一带尾纤的半导体激光器(131)的第一输出尾纤(132)与光纤分束器(133)的输入端连接，光纤分束器(133)的两个输出端分别与第一输出光纤(134)、第二输出光纤(135)的一端连接，第一输出光纤(134)、第二输出光纤(135)的另一端分别固定在第一孔(106)和第二孔(107)中，形成第一点光源(103)、第二点光源(104)。

5.根据权利要求1所述的一种自适应扫描路基沉降远程监测装置，其特征在于：光源单元(102)包括固定板(105)、第二带尾纤的半导体激光器(141)、第三带尾纤的半导体激光器(142)；第二带尾纤的半导体激光器(141)的控制端与控制单元(101)连接，第三带尾纤的半导体激光器(142)的控制端与控制单元(101)连接；第二带尾纤的半导体激光器(141)输出端与第二输出尾纤(143)的一端连接，第三带尾纤的半导体激光器(142)输出端与第三输出尾纤(144)的一端连接；第二输出尾纤(143)和第三输出尾纤(144)的另一端分别固定在第一孔(106)和第二孔(107)中，形成第一点光源(103)、第二点光源(104)。

6.根据权利要求1所述的自适应扫描路基沉降远程监测装置，其特征在于：光电位置探测器(203)采用线阵电荷耦合器件。

7.根据权利要求1所述的自适应扫描路基沉降远程监测装置，其特征在于：光电位置探测器(203)采用位置敏感探测器。 

8.基于权利要求6所述一种自适应扫描路基沉降远程监测装置的一种自适应扫描路基沉降远程监测的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

步骤一，在路基沉降观测路段设置位置测量单元(2)和与光源(1)相同的第一光源(11)、第二光源(12)、第三光源(13)、第四光源(14)；

步骤二，点亮第一光源(11)、第二光源(12)、第三光源(13)、第四光源(14)，使电动旋转台(3)顺时针旋转，依次使位置测量单元(2)对准第一光源(11)、第二光源(12)、第三光源(13)、第四光源(14)，将电动旋转台(3)旋转的角度分别记为第一初始角、第二初始角、第三初始角、第四初始角，关闭以上四个光源，使电动旋转台(3)回到初始位置；

步骤三，电动旋转台(3)旋转到第一初始角，对准第一光源(11)，位置测量单元(2)记录背景杂散光图像；

步骤四，根据背景杂散光图像调节光电位置探测器(203)的积分时间，使背景杂散光光强平均灰度值不大于光电位置探测器(203)最大灰度值的二分之一，记录调节积分时间之后的背景杂散光图像；

步骤五，点亮第一光源(11)，位置测量单元(2)记录带目标的图像，根据带目标的图像调节第一光源(11)光强，使得目标光强最大灰度值大于光电位置探测器(203)最大灰度值的二分之一，位置测量单元(2)记录调节光强后带目标的图像，关闭第一光源(11)；

步骤六，将调节光强后带目标的图像和调节积分时间后的背景杂散光图像相减，得到去背景杂散光目标图像，用亚像素算法对去背景杂散光目标图像进行处理，得到第一光源(11)两个点光源像点的初始位置；

步骤七，电动旋转台(3)依次旋转到第二初始角、第三初始角、第四初始角，依次对准点亮的第二光源(12)、第三光源(13)、第四光源(14)，对第二至第四光源重复步骤三到步骤六，进行初始测量，完成第二至第四光源初始测量后，使电动旋转台(3)回到初始位置，关闭第二至第四光源；

步骤八，电动旋转台(3)依次旋转到第一初始角、第二初始角、第三初始 角、第四初始角，进行微调，依次对准点亮的第一光源(11)、第二光源(12)、第三光源(13)、第四光源(14)，进行实时测量，测量时，重复步骤三到步骤六，得到第一至第四光源第一点光源(103)与第二点光源(104)像点的实时位置；由实时位置与对应的初始位置相减，得到像方沉降值；由第一点光源(103)像点与第二点光源(104)像点之间的距离和距离d计算得成像倍率，将像方沉降值和成像倍率相乘得到被测点处的路基沉降测量值。 

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