CN109059777A - 一种全自动激光干涉位移观测的方法 - Google Patents

一种全自动激光干涉位移观测的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种全自动激光干涉位移观测的方法，激光干涉仪有测距、水平角和竖直角功能模块，可高效自动进行路基高边坡位移观测，提高测量精度及自动化程度。相对于传统的测量方法，测量人员无需每次观测都架设仪器，消除了架设仪器的整平与对中误差，提高了工作效率，确保了观测的连续性，值得在行业内推广应用。

Description

一种全自动激光干涉位移观测的方法
技术领域
本发明涉及路基、桥梁、大坝等构筑物的高精度位移观测。
背景技术
重要的构筑物在施工过程中及竣工后的运营期都需要进行位移与沉降观测，利用位移与沉降数据对结构物进行分析，对于位移和沉降量异常的位置进行处理以确保构筑物的安全。传统方法采用全站仪与精密水准进行观测，外业工作量大而观测频率有限，有时不能够及时发现问题。构筑物的位移与沉降观测必须全天候连续观测才能及时发观问题，及时解决问题。
发明内容
本发明的目的就是解决传统方式无法及时准确测量的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种全自动激光干涉位移观测的方法，激光干涉仪有测距、水平角和竖直角功能模块，其特征在于：采用如下步骤：
一、设备架设
S1：将激光干涉仪架设在与观测点之间无阻挡的位置确保与待测点通视，整平激光干涉仪的圆气泡和电子气泡；
S2：用全站仪测量激光干涉仪架设位置和观测点位置的三维坐标值；
S3：对激光干涉仪架设位置与待测点定向并设定方位角；
S4：设定激光干涉仪观测的间隔时间；
S5：检查并对设备进行测试，确保数据通讯连接顺畅；
二、激光测距
A1：所述激光干涉仪为双频外差式；
A2：沿激光干涉仪发射出激光的方向施加磁场；
A3：在塞曼效应作用下，激光干涉仪发射出激光被***有一定频率差的左旋偏振光和右旋偏振光，频率分别为f1和f2；
A4：左旋偏振光或右旋偏振光经过第一分光器反射后被第一光电探测器与检测器接收，将第一光电探测器与检测器接收的光束定义为参考光束；根据马吕斯定律，在第一光电探测器与检测器的主截面上，左旋偏振光和右旋偏振光的反射光发生拍频，将拍频信号作为参考信号；
A5：左旋偏振光和右旋偏振光经第一分光器进入偏振分光器，偏振分光器将两束偏振方向相互垂直的线偏振光分开；
A6：频率为f2的右旋偏振光经反射射向固定角偶反射棱镜，频率为f1的左旋偏振光投射向目标角偶反射棱镜；
A7：如果测量的目标角偶反射棱镜以一定的速度v位移产生多普勒效应，目标角偶反射棱镜反射出的光束的频率为：f±Δf，位移的方向确定相加或相减；
A8：目标角偶反射棱镜反射出的光束进入偏振分光器时与频率为f2的右旋偏振光重新会合后经转向反射镜被第二光电探测器与检测器接收作为测量光束，在第二光电探测器与检测器的主截面上，目标角偶反射棱镜反射出的光束与频率为f2的右旋偏振光发生拍频，此时的拍频信号作为测量信号；
A9：记录得到解调的测量信号Δf；
三、激光干涉角度测量
B1：激光干涉仪发出的光束经过转向反射镜和第二分光器后分成两束光V1和V2，V1射向第一角锥棱镜，V2经五棱镜后射向第二角锥棱镜，V2经第二角锥棱镜反射回来产生干涉条纹；
B2：转动转盘，将第一角锥棱镜和第二角锥棱镜位置调换；
B3：记录水平方向干涉条纹移动的距离L1；
B4：根据B1-B3的步骤测量竖直方向的转盘转动后干涉条纹移动的距离L2。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)有效地解决传统的方法不能自动观测的问题；
(2)提高了位移测量自动化程度，提高了工作效率；
(3)位移信号加在f1和f2的频差上，所以对光强的变化引起的直流电平变化不敏感，抗干扰能力强，特别适合室外环境差的地区使用；
(4)角度测量的最大达到95度。
附图说明
图1为本发明激光干涉测距***图；
图2为本发明激光干涉角度测量***图；
图中：1-激光干涉仪、2-磁场、3-第一分光器、4-偏振分光器、5-第一光电探测器与检测器、6-固定角偶反射棱镜、7-目标角偶反射棱镜、8-第二光电探测器与检测器、11-左旋偏振光、12-右旋偏振光、13-第一光电探测器与检测器接收到的光束、14-目标角偶反射棱镜反射出的光束、21-转向反射镜、22-第二分光器、23-第一角锥棱镜、24-五棱镜、25-第二角锥棱镜、26-转盘。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2所示，本发明提供实施例：
一种全自动激光干涉位移观测的方法，激光干涉仪1有测距、水平角和竖直角功能模块，采用如下步骤：
一、设备架设
S1：将激光干涉仪1架设在与观测点之间无阻挡的位置确保与待测点通视，整平激光干涉仪1的圆气泡和电子气泡；
S2：用全站仪测量激光干涉仪1架设位置和观测点位置的三维坐标值；
S3：对激光干涉仪1架设位置与待测点定向并设定方位角；
S4：设定激光干涉仪1观测的间隔时间；
S5：检查并对设备进行测试，确保数据通讯连接顺畅；
二、激光测距
A1：所述激光干涉仪1为双频外差式；
A2：沿激光干涉仪1发射出激光的方向施加磁场2；
A3：在塞曼效应作用下，激光干涉仪1发射出激光被***有一定频率差的左旋偏振光11和右旋偏振光12，频率分别为f1和f2；
A4：左旋偏振光11或右旋偏振光12经过第一分光器3反射后被第一光电探测器与检测器5接收，将第一光电探测器与检测器5接收的光束13定义为参考光束；根据马吕斯定律，在第一光电探测器与检测器5的主截面上，左旋偏振光11和右旋偏振光12的反射光发生拍频，将拍频信号作为参考信号；
A5：左旋偏振光11和右旋偏振光12经第一分光器3进入偏振分光器4，偏振分光器4将两束偏振方向相互垂直的线偏振光分开；
A6：频率为f2的右旋偏振光12经反射射向固定角偶反射棱镜6，频率为f1的左旋偏振光11投射向目标角偶反射棱镜7；
A7：如果测量的目标角偶反射棱镜7以一定的速度v位移产生多普勒效应，目标角偶反射棱镜7反射出的光束14的频率为：f±Δf，位移的方向确定相加或相减；
A8：目标角偶反射棱镜7反射出的光束14进入偏振分光器4时与频率为f2的右旋偏振光12重新会合后经转向反射镜21被第二光电探测器与检测器8接收作为测量光束，在第二光电探测器与检测器8的主截面上，目标角偶反射棱镜7反射出的光束14与频率为f2的右旋偏振光12发生拍频，此时的拍频信号作为测量信号；
A9：记录得到解调的测量信号Δf；
三、激光干涉角度测量
B1：激光干涉仪1发出的光束经过转向反射镜21和第二分光器22后分成两束光V1和V2，V1射向第一角锥棱镜23，V2经五棱镜24后射向第二角锥棱镜25，V2经第二角锥棱镜25反射回来产生干涉条纹；
B2：转动转盘26，将第一角锥棱镜23和第二角锥棱镜25位置调换；
B3：记录水平方向干涉条纹移动的距离L1；
B4：根据B1-B3的步骤测量竖直方向的转盘26转动后干涉条纹移动的距离L2。
干涉仪测量位移中因位移的方向不同引起斜距要么增大、要么缩短，引起干涉条纹如果平水方向向左或向右，垂直方向向上或向下移动，计数器必须能够判断位移的方向。有时其他条件引起距离增加的同时偶然减少，需要设计方向判断功能。将计数分为加或减两种脉冲，当目标距离增加时产生正脉冲，距离减少时为负脉冲，将这两种脉冲送入可逆计数器进行可逆计算而得到真正的位移值。
采用的方法是干涉条纹通过移相***得到两路相差π/2干涉条纹的光强信号，再由两个光电探测器接收***接收，得到与干涉信号相对应的两路相差π/2的正弦和余弦信号，经放大器放大、倒相器倒相与整形、微分电路处理得到四个相位相差π/2的脉冲信号。脉冲排列的相位顺序距离增加时为1、2、3、4，反之为1、4、3、2。后续的可逆计数器逻辑电路根据脉冲1后面的信号是2还是4判断脉冲的方向送入加脉冲的门或减脉冲的门，实现了判向。经判向电路后将一个周期的干涉信号变为四个脉冲信号，使一个计数脉冲代表1/4干涉条纹的变化，表示移动距离为测量值的1/8，实行干涉条纹的四倍频计数，测量的长度为k/8，提高了测量的精度。
为了降低成本，采用一个激光干涉仪1。
通过上述具体实施方式可知本发明所采用技术方案的技术效果是：
(1)有效地解决传统的方法不能自动观测的问题；
(2)提高了位移测量自动化程度，提高了工作效率；
(3)位移信号加在f1和f2的频差上，所以对光强的变化引起的直流电平变化不敏感，抗干扰能力强，特别适合室外环境差的地区使用；
(4)角度测量的最大达到95度。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (1)

1.一种全自动激光干涉位移观测的方法，激光干涉仪(1)有测距、水平角和竖直角功能模块，其特征在于：采用如下步骤：
一、设备架设
S1：将激光干涉仪(1)架设在与观测点之间无阻挡的位置确保与待测点通视，整平激光干涉仪(1)的圆气泡和电子气泡；
S2：用全站仪测量激光干涉仪(1)架设位置和观测点位置的三维坐标值；
S3：对激光干涉仪(1)架设位置与待测点定向并设定方位角；
S4：设定激光干涉仪(1)观测的间隔时间；
S5：检查并对设备进行测试，确保数据通讯连接顺畅；
二、激光测距
A1：所述激光干涉仪(1)为双频外差式；
A2：沿激光干涉仪(1)发射出激光的方向施加磁场(2)；
A3：在塞曼效应作用下，激光干涉仪(1)发射出激光被***有一定频率差的左旋偏振光(11)和右旋偏振光(12)，频率分别为f1和f2；
A4：左旋偏振光(11)或右旋偏振光(12)经过第一分光器(3)反射后被第一光电探测器与检测器(5)接收，将第一光电探测器与检测器(5)接收的光束(13)定义为参考光束；根据马吕斯定律，在第一光电探测器与检测器(5)的主截面上，左旋偏振光(11)和右旋偏振光(12)的反射光发生拍频，将拍频信号作为参考信号；
A5：左旋偏振光(11)和右旋偏振光(12)经第一分光器(3)进入偏振分光器(4)，偏振分光器(4)将两束偏振方向相互垂直的线偏振光分开；
A6：频率为f2的右旋偏振光(12)经反射射向固定角偶反射棱镜(6)，频率为f1的左旋偏振光(11)投射向目标角偶反射棱镜(7)；
A7：如果测量的目标角偶反射棱镜(7)以一定的速度v位移产生多普勒效应，目标角偶反射棱镜(7)反射出的光束(14)的频率为：f±Δf，位移的方向确定相加或相减；
A8：目标角偶反射棱镜(7)反射出的光束(14)进入偏振分光器(4)时与频率为f2的右旋偏振光(12)重新会合后经转向反射镜(21)被第二光电探测器与检测器(8)接收作为测量光束，在第二光电探测器与检测器(8)的主截面上，目标角偶反射棱镜(7)反射出的光束(14)与频率为f2的右旋偏振光(12)发生拍频，此时的拍频信号作为测量信号；
A9：记录得到解调的测量信号Δf；
三、激光干涉角度测量
B1：激光干涉仪(1)发出的光束经过转向反射镜(21)和第二分光器(22)后分成两束光V1和V2，V1射向第一角锥棱镜(23)，V2经五棱镜(24)后射向第二角锥棱镜(25)，V2经第二角锥棱镜(25)反射回来产生干涉条纹；
B2：转动转盘(26)，将第一角锥棱镜(23)和第二角锥棱镜(25)位置调换；
B3：记录水平方向干涉条纹移动的距离L1；
B4：根据B1-B3的步骤测量竖直方向的转盘(26)转动后干涉条纹移动的距离L2。
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