CN104655047A - 隧道快速综合测量*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道快速综合测量***，包括底盘车、传感器支架、传感器、传感器同步与信号处理装置、数据采集与处理装置和供电装置，传感器支架通过水平旋转轴安装在底盘车上，传感器支架上分别安装若干面阵列相机、LED照明灯、红外热像仪；面阵列相机采集隧道断面上的图像数据；红外热像仪采集隧道内壁的温度信息；同步与信号处理装置为红外热像仪、面阵列相机提供同步信号；数据采集与处理装置采集和处理所述红外热像仪、面阵列相机的信号。本发明可同时、快速采集衬砌裂缝，衬砌渗漏水，断面形变和脱空病害等多种隧道病害数据，大大提高了检测效率和检测精度。检测过程不需要人工干预，对于检测隧道衬砌渗漏水和脱空病害方面，安全性好。

Description

隧道快速综合测量***

技术领域

本发明属于公路隧道检测技术的领域，特别涉及到隧道衬砌裂缝，衬砌渗漏水，隧道断面几何形变等指标检测的隧道快速综合测量***。

背景技术

目前运营隧道的日常检测工作，大多离不开人工作业。例如，隧道衬砌裂缝的检测，是采用人工肉眼识别，然后用标尺测量，相机拍照记录裂缝特质形态，人工记录裂缝位置信息。对于拱腰以上和拱顶的衬砌裂缝检测，则需要采用脚手架或者高空升降平台车，检测人员才能近距离接触到隧道内壁，采用手电筒照明，肉眼查看拱腰和拱顶的病害。该方法检测到的衬砌裂缝准确率低，容易漏检，在检测过程中，人员安全性差，检测效率低，1公里的隧道，10个人需要1小时完成。

例如，隧道渗漏水和脱空检测，是靠人工肉眼识别，脱空检测。人工手持铁锤敲打衬砌内壁，如果遇到有脱空病害，掉落的衬砌水泥块容易砸伤到行驶的车辆和检测人员，在检测过程中，由于隧道拱顶很高，对于脱空的检测，并不能完全覆盖，只能局部检测，该方法检测效率低下，精度低，安全性差。

例如，隧道横断面形变检测，大多采用全站仪静态定点测试。由于形变检测是需要同一个位置的历史数据经行对比。同一个隧道，采集的断面数据越多，检测越精准。但是在实际工程检测过程中，由于定点静态检测，需要完全封闭隧道，严重的影响了交通通畅性。

且上述对运营隧道常规检测，各项指标只能单独检测，效率低下。“隧道检测车”(专利号200620052491.5)提供一种操作简单方便、价格低廉的隧道检测设备。在常规载车平台上，固定可旋转的伸缩臂，在伸缩臂前端安装雷达探测器，用来采集隧道衬砌内表面的数据。雷达安装器中有一个距离***，对车辆前后移动时产生的偏移做出补偿，以保证雷达探测器能够准确无误的紧贴隧道内表面，采集到精准的数据。固定伸缩臂的底座可以转动180°，变幅油缸的伸缩可使伸缩臂变幅100°，从而可实现在隧道内全方位检测。但是该设备的可实用性不高，检测速度低，因此基本上没有被市场应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种隧道快速综合测量***，具有自动化程度高、安全、高效、多参数综合测量的特点。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种隧道快速综合测量***，其特征在于，包括底盘车、传感器支架、传感器、传感器同步与信号处理装置、数据采集与处理装置和供电装置，所述传感器包括若干面阵列相机和红外热像仪；

所述底盘车，用于移动测量的载体平台；

所述传感器支架，所述传感器支架通过水平旋转轴安装在所述底盘车上，若干所述面阵列相机、红外热像仪分别安装在传感器支架上，所述传感器支架上安装有若干LED照明灯；

所述LED照明灯用于照射隧道内壁，为所述面阵列相机拍摄隧道断面图像提供光源；所述面阵列相机用于采集隧道断面上的图像数据；所述红外热像仪用于采集隧道内壁的温度信息；

所述同步与信号处理装置，连接所述红外热像仪、面阵列相机和数据采集与处理装置，用于为所述红外热像仪、面阵列相机提供同步信号；

所述数据采集与处理装置，用于采集和处理所述红外热像仪、面阵列相机的信号；

所述供电装置，用于为所述红外热像仪、面阵列相机、同步与信号处理装置、数据采集与处理装置提供工作电源。

更优的，所述水平底座上装有激光扫描仪，所述激光扫描仪连接所述同步与信号处理装置以及数据采集与处理装置，用于在车辆行进过程中，完成隧道全断面的轮廓数据的采集。

进一步优化的，所述若干面阵列相机排列安装在扇形弧形线上，所述面阵列相机的拍摄方向按面阵列相机的排列顺序逐渐变化；

所述若干LED照明灯排列安装在排列安装在扇形弧形线上，所述LED照明灯的照射方向按LED照明灯的排列顺序逐渐变化。

全部的所述LED照明灯在垂直面上的累积出射光角度覆盖90度，全部面阵列相机在垂直面上的累积拍摄角度覆盖90度。

每个所述LED照明灯分别通过LED灯座安装在所述传感器支架上，每个所述LED灯座通分别过调节螺母角度可调安装在所述传感器支架上。

每个所述面阵列相机通过相机座安装在所述传感器支架上，所述相机座通过调节螺母角度可调安装在所述传感器支架上。

所述LED灯座为截面为阶梯形的长形结构，在所述上下阶梯面分别安装了一个LED照明灯，上、下阶梯面上的LED照明灯的光照角存在交叉，使在隧道内壁上形成无暗影的光照射面，并进一步加强照明度。

每个所述LED照明灯包括若干成直线排列的LED，一列LED照明灯的光组成一条光带。

优选的，所述LED灯座的数量为17个，所述面阵列相机座的数量为16台，每个所述面阵列相机座分别与所述LED灯座相间安装。

所述红外热像仪采用2台成像角度为90°或者3台成像角度为45°的红外热像仪。

隧道快速测量***的原理为：在底盘车行驶在隧道内，通过面阵列相机采集隧道内壁的影像数据，激光扫描仪采集隧道横断面的轮廓数据，红外热像仪采集隧道内壁的温度信息。所述传感器支架采用180°旋转结构，分别完成左右半幅隧道的数据采集；对采集到的所有传感器数据，进行数据后期的融合处理，将影像数据和红外数据，贴合到隧道3D模型上，还原隧道的真实健康状态。结合***中的编码器数据，将病害的地理位置信息也记录下来。对于所有病害的特点以及物理位置都有了精确的记录，后期生产的报表数据就可以供养护部门参考。

本发明的有益效果在于：

本发明在不作交通管制的条件下，底盘车以正常行驶速度60km/h—80km/h下通过隧道，就可同时、快速采集多种隧道病害数据，包括衬砌裂缝，衬砌渗漏水，断面形变和脱空病害，大大提高了检测效率。

本发明通过将所采集的数据经过后期融合处理，建立3D隧道模型，将隧道病害数据融合到3D模型上，真实再现隧道实景，准确定位隧道内病害的地理位置，从而大大提高了检测精度。

本发明检测过程不需要人工干预，采用非接触式测量，尤其对于检测隧道衬砌渗漏水和脱空病害方面，安全性好。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。

图1为本发明具体实施方式的整体结构主视图。

图2为本发明车厢部分的结构主视图。

图3为本发明车厢部分中的传感器支架立体结构图。

图4为传感器支架结构左视图。

图5为传感器支架结构局部放大图。

图6为单个LED的打光特性示意图。

图7为连续多个LED形成的照明光带示意图。

图8为传感器支架上LED主光源在隧道内壁的视场覆盖示意图。

图9为传感器支架上LED副光源在隧道内壁的视场覆盖示意图。

图10为传感器支架上主、副LED光源的安装坐标示意图。

图11为传感器支架上主LED光源的安装角度示意图。

图12为传感器支架上相机的投影面示意图。

图13为传感器支架上相机安装坐标示意图。

图14为传感器支架上相机安装角度示意图。

具体实施方式

如图1所示，本***为一车载检测综合***，包括底盘车1、频闪指示灯2、副车架3、电源壁盒、滑动方舱5、前固定挡墙6、工作区小舱7、工作区大舱8、附件箱9、测距机10、油机门11，如图2所示，传感器支架安装在滑动方舱5内。底盘车是本***的移动测量平台，为隧道测量***的各设备提供载车平台。底盘车1采用轻型卡车，牵引力大，操控性好，全车采用空气弹簧减震***，确保设备的安全稳定性。同步与信号处理装置安装在工作区小舱7内、数据采集与处理装置、供电装置安装在工作区大舱8内。

如图3、图4所示，传感器支架为***传感器设备承载装置，通过水平旋转轴安装在底盘车上，能够水平范围内90°旋转。隧道车在行进过程进行测量时，通过左右旋转传感器支架的转动，实现左右半幅隧道数据的采集，不需要封路，也不需要逆向行程，在实际做工程的时候，不需要走重复路段，大大提高的检测效率。

传感器支架包括水平底座和扇形立座，水平底座上装有一台激光扫描仪24，扇形立座的侧面上安装有红外热像仪，红外热像仪用于采集隧道内壁温度数据；红外热像仪采用2台成像角度为90°或者3台成像角度为45°的红外热像仪。红外热像仪用于采集隧道内壁的温度数据，通过后期数据处理，生成热图。水平底座上装有激光扫描仪，激光扫描仪连接同步与信号处理装置以及数据采集与处理装置，用于在车辆行进过程中，完成隧道全断面的轮廓数据的采集。

扇形立座顶部的弧形面上顺序安装有17组组合式LED照明灯，以及16部面阵列相机。不同LED照明灯的出射方向按照明单元的排列顺序逐渐变化，全部LED照明灯在垂直面上的累积出射光角度覆盖90度，且相邻光带投射在隧道内壁上的光是无暗影的衔接。全部面阵列相机的拍摄角度按面阵列相机的排列顺序逐渐变化，面阵列相机在垂直面上的累积拍摄角度覆盖90度。

激光扫描仪在车辆行进过程中，完成隧道全断面的轮廓数据的采集；LED照明灯用于照射隧道弧顶面，为面阵列相机拍摄隧道弧顶面图像提供光源；同步与信号处理装置为激光扫描仪、面阵列相机提供同步与信号处理；数据采集与处理装置采集与处理激光扫描仪、面阵列相机的信号；供电装置为激光扫描仪、面阵列相机、同步与信号处理装置、数据采集与处理装置提供工作电源。

如图5所示，每组LED照明灯包括灯座31，每个LED灯座为截面为阶梯形的长形结构，灯座31的高位置上安装的一个长形的组合LED为主光源，低位置上安装的一个长形的组合LED为副光源。该组件可通过调节螺母A，在Y方向上作±5°的调节。相机可通过调节螺母B，在Y方向上作±5°的调节。LED灯和相机的安装位置及调节角度，根据两车道隧道模型设计与计算，其主要目的是为了实现横断面影像数据的拼接。

单个LED的安装方式采用横向，如图7所示。采用这种安装方式，主要是考虑到单个LED的投光面积和光强度的特点，如图6所示，单个LED在隧道内壁上的打光形状为一个椭圆区域，且亮度并不是均匀的，而是由中心向四周逐渐减弱。考虑到单个LED的照明特性，为了能够在隧道内壁横断面X方向上，形成一个照面光带，所以LED灯的安装方式需要组合调整，以达到均匀照明区域大于在相机拍摄区域，这样才能辅助相机照明。图7即为展开的多个单LED照明产生光带的示意图，图中相邻的单个LED照明区域有一定的重叠，其作用就是为了通过叠加来提高照明亮度，最终得到一个亮度均匀的带状矩形照明区域。

主光源LED灯的投影面示意如图8所示。41、42分别表示第16、第15个LED灯的主光源发射出来的光路，以及光路在隧道内壁上的投光区域。第14、第15这两个相邻主光源在隧道内壁上的投影存在空隙43，其他相邻的两个主光源在隧道内壁上的投影之间也存在空隙。这样不利于面阵列CCD相机对隧道壁光源照射的暗影处的图像采集。为了能够满足LED光源覆盖整个半幅隧道内壁，所以增加了副光源，副光源投影面示意如图9所示，其中，51、52分别表示第16、第15个LED灯的副光源发射出来的光路，以及光路在隧道内壁上的投光区域。第14、第15这两个相邻的副光源在隧道内壁上的投影存在空隙53。其他相邻的两个副光源在隧道内壁上的投影之间也存在空隙。但是，副光源的投影空隙位于主光源的有效投影区，而主光源在隧道内壁上的投影空隙位于副光源的有效投影区。这样，副光源与主光源相互补充、配合使用，使隧道内壁上不存在光源投射空隙，同时也增强了对隧道壁的光照度。本具体实施方式给出了光源的安装位置坐标如图10所示，光源的安装角度坐标如图11所示。

一个面阵列CCD相机安装在两个相邻的LED灯座之间，在17个LED灯座之间共有16个面阵列CCD相机。面阵列CCD相机的投影面示意如图12所示。其中，标号61所指为第16号相机的扫描区域，标号63所指为第15号相机的扫描区域，标号62所指为第16号与第15号相机的扫描重叠区域。由于每个相机的焦距和物距不一样，所以每个相机的投影面积也不一样，为了能够完全覆盖1/2隧道内壁，所以每个相机的安装位置需要精确计算，本具体实施方式给出了面阵列CCD相机的坐标位置如图13所示，相机安装角度位置如图14所示。由于后期***的标定，相机的位置需要作微调，所以单个相机的安装角度，可以在±5°进行调节。

本发明的隧道快速测量***的原理为：

通过相机采集隧道内壁的影像数据，扫描仪采集隧道横断面的轮廓数据，红外热像仪采集隧道内壁的温度信息。对采集到的所有传感器数据，进行数据后期的融合处理，将影像数据和红外数据，贴合到隧道3D模型上，还原隧道的真实健康状态。结合***中的编码器数据，将病害的地理位置信息也记录下来。对于所有病害的特点以及物理位置都有了精确的记录，后期生产的报表数据就可以供养护部门参考。

目前所使用到的隧道裂缝检测方法，效率低，需要交通封路，人员危险性大，普片适用性差，不具备推广性，本发明采用多传感器组合的方式，通过机器视觉来采集隧道内壁影像数据，红外热像仪来采集隧道内壁温度信息，扫描仪来采集隧道横断面轮廓信息，编码器和GPS给采集到的数据经行时间和物理位置的打标，一次工程检测，就可以采集到隧道的多种病害数据，效率高，安全性好，适用于所有隧道；

本发明结合实际应用过程中，隧道自身的外形特点，自主设计了独有的传感器支架平台，隧道车在行进过程中，通过旋转支架的转动，实现左右半幅隧道数据的采集，不需要封路，也不需要逆向行程，在实际做工程的时候，不需要走重复路段，大大提高的检测效率；

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种隧道快速综合测量***，其特征在于，包括底盘车、传感器支架、传感器、传感器同步与信号处理装置、数据采集与处理装置和供电装置，所述传感器包括若干面阵列相机和红外热像仪；

所述底盘车，用于移动测量的载体平台；

所述传感器支架，所述传感器支架通过水平旋转轴安装在所述底盘车上，若干所述面阵列相机、红外热像仪分别安装在传感器支架上，所述传感器支架上安装有若干LED照明灯；

所述LED照明灯用于照射隧道内壁，为所述面阵列相机拍摄隧道断面图像提供光源；所述面阵列相机用于采集隧道断面上的图像数据；所述红外热像仪用于采集隧道内壁的温度信息；

所述同步与信号处理装置，连接所述红外热像仪、面阵列相机和数据采集与处理装置，用于为所述红外热像仪、面阵列相机提供同步信号；

所述数据采集与处理装置，用于采集和处理所述红外热像仪、面阵列相机的信号；

所述供电装置，用于为所述红外热像仪、面阵列相机、同步与信号处理装置、数据采集与处理装置提供工作电源。

2.根据权利要求1所述的隧道快速综合测量***，其特征在于，所述水平底座上装有激光扫描仪，所述激光扫描仪连接所述同步与信号处理装置以及数据采集与处理装置，用于在车辆行进过程中，完成隧道全断面的轮廓数据的采集。

3.根据权利要求2所述的隧道快速综合测量***，其特征在于，所述若干面阵列相机排列安装在扇形弧形线上，所述面阵列相机的拍摄方向按面阵列相机的排列顺序逐渐变化；

所述若干LED照明灯排列安装在排列安装在扇形弧形线上，所述LED照明灯的照射方向按LED照明灯的排列顺序逐渐变化。

4.根据权利要求3所述的隧道快速综合测量***，其特征在于，全部的所述LED照明灯在垂直面上的累积出射光角度覆盖90度，全部面阵列相机在垂直面上的累积拍摄角度覆盖90度。

5.根据权利要求4所述的隧道快速综合测量***，其特征在于，每个所述LED照明灯分别通过LED灯座安装在所述传感器支架上，每个所述LED灯座通分别过调节螺母角度可调安装在所述传感器支架上。

6.根据权利要求5所述的隧道快速综合测量***，其特征在于，每个所述面阵列相机通过相机座安装在所述传感器支架上，所述相机座通过调节螺母角度可调安装在所述传感器支架上。

7.根据权利要求5所述的隧道快速综合测量***，其特征在于，所述LED灯座为截面为阶梯形的长形结构，在所述上下阶梯面分别安装了一个LED照明灯，上、下阶梯面上的LED照明灯的光照角存在交叉。

8.根据权利要求7所述的隧道快速综合测量***，其特征在于，每个所述LED照明灯包括若干成直线排列的LED，一列LED照明灯的光组成一条光带。

9.根据权利要求5所述的隧道快速综合测量***，其特征在于，所述LED灯座的数量为17个，所述面阵列相机座的数量为16台，每个所述面阵列相机座分别与所述LED灯座相间安装。

10.根据权利要求5所述的隧道快速综合测量***，其特征在于，所述红外热像仪采用2台成像角度为90°或者3台成像角度为45°的红外热像仪。