CN116817851A - 一种基于光线变换的建筑测量装置、***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光线正交反射变换的建筑物沉降装置和方法，属于建筑物安全监测领域。该装置包括激光器、探测器和用于光线正交反射变换的反射镜组；激光器用于提供沉降探测所用的高光束质量准直光线；探测器用于测量激光器发射的激光光点落在探测器上的位置变化。光线变换反射镜组用于将激光的移动方向进行空间上的变换，以实现非对称性的位移测量。本发明特别适用于将两套装置安装在建筑物的四个角落，监测建筑物的具体沉降情况。本发明的优势在于可以通过激光光点的位置变化识别出具体的沉降部位及位移量。同时，本发明装置对建筑的测量是一种无线探测装置，减少了布线的流程。

Description

一种基于光线变换的建筑测量装置、***和方法

技术领域

本发明涉及到建筑物沉降监测的仪器，具体涉及一种基于光线变换的建筑测量装置、***和方法。

背景技术

新建的建筑物，老旧的建筑物，或修建在地质松软的建筑物，在一定时间里都会发生沉降，这些建筑物是建筑安全行业进行重点监控的对象。特别是老旧建筑物和修建在地质松软的建筑物，其沉降的发生往往可能会导致建筑结构的破坏，从而发生倒塌，形成安全事故。因此，建筑安全行业往往需要对这些建筑物的沉降情况进行定期的监测，以评估建筑物的安全性。

目前，监测建筑沉降的常用方法是利用高精度水准仪对建筑物上的监测点进行监测。一等水准仪和二等水准仪具有较高的测量精度，但是，采用水准仪监测建筑物的沉降，存在以下的问题。一是采用水准仪无法在时间上对建筑物进行高密度的监测，建筑物有可能在监测的空档期内发生严重沉降，从而错过预报时间；第二，水准仪，即使是数字水准仪，其组网具有一定的困难，数据难以实时上传。

全站仪的出现，在一定程度上提供了自动测量和自动读数功能，大大缓解了水准仪的上述缺点。但是，全站仪仍然存在价格昂贵，且相对与水准仪，全站仪测量精度较低。在对建筑物进行全天候监测时，需要另行新建监测台等缺点。另外，基于全站仪监测台的监测方式，往往受制于监测台地理位置的限制，对建筑物某些重要的位置不能很好地进行监测。

对于铁路、桥梁和隧道等重点监控对象，对这些地方的监测往往需要不断的进行。激光监测是一种具有高精度可靠的监测手段，其监测原理是将一个具有位置分辨力的探测器(例如PSD或CCD)放置在待探测部位，再利用一束激光照射在该探测器上(如图1)。当待监测部位与放置的激光器之间发生相对位移时，照射在CCD上的激光光点会在探测器上移动，从而获得建筑物的移动情况。该方法结构简单，测量精度高，测量距离一般可达几米，可测量亚毫米的移动量。虽然该方法测量精度高，使用方便，且单套装置成本也较低，但是该方法只能提供激光器(位置)和探测器(位置)之间发生了相对移动之类的信息，并不能区分被监测位置是否真的发生沉降。例如，如果标准位置受地下水影响而上升，那么探测器将给出建筑物下沉的错误信息。此外，该方法所使用的激光器和探测器，相对于待测位置来说，需要一套探测装置对应一个监控点，当需要监控的位置较多时，其监控成本会变高。

发明内容

为解决现有技术中的问题，本发明提出了一种基于光线变换的建筑测量装置、***和方法。本发明在激光器-探测器监控基础之上，提出用正交反射镜构成的光线变换反射镜组对入射光线进行两次反射，使激光器所处位置和探测器所处位置之间的相对运动具有可区分性，当激光器位置或探测器位置发生相对运动时，能区分具体是哪一个位置发生了真实的位移。同时，该装置中使用的反射镜亦能成为测量点，降低了探测装置的使用成本。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一方面，本发明提供了一种基于光线正交变换的建筑物沉降测量装置，其包括：

激光器，用于提供沉降探测所用的高光束质量准直光线；

探测器，用于测量激光光点落在探测器上的位置变化；

可进行光线正交变换的反射镜组，对激光进行两次发射，将激光的移动方向进行空间上的变换，以实现非对称性的位移测量；所述非对称性的位移是指激光器产生的位移和探测器产生的位移所表现出的测量的结果是不对称的。

反射镜组是本发明的核心，作为优选的方案，所述的反射镜组由第一反射镜和第二反射镜构成；第一反射镜和第二反射镜都是平面反射镜，其放置方式是正交的。反射镜组的作用是将激光在一个方向上发生的位移，经过反射变换后，在空间上变换为另一个正交方向上的位移。

更为优选的，第一反射镜和第二反射镜相对于入射光线都成45°的入射角，放置方式是正交的，第一反射镜和第二反射镜初始法向均为+z轴时，第一反射镜是绕y轴顺时针旋转45°，而第二反射镜则是绕x轴逆时针旋转45°。

第二方面，本发明提供了一种基于光线正交变换的建筑物沉降测量***，其至少包括两套所述的建筑物沉降测量装置；且每一套建筑物沉降测量装置均包括反射镜组以及由一个所述激光器和一个探测器相背安装在一起构成的主机；

两个主机和两个反射镜组分别布置在待测建筑物的四个角上，且第一主机的激光器发出的激光经第一反射镜组反射后由第二主机的探测器探测，第二主机的激光器发出的激光经第二反射镜组反射后由第一主机的探测器探测。

第三方面，本发明提供了一种利用所述***测量建筑物沉降测量的方法，其包括以下步骤：

1)将两个主机和两个反射镜组分别布置在待测建筑物同一高度的四个不同的角上，

2)打开两个激光器，调节激光器和反射镜组使第一主机的激光器发出的激光经第一反射镜组反射后入射第二主机的探测器的中央位置，第二主机的激光器发出的激光经第二反射镜组反射后入射到第一主机的探测器的中央位置；

3)两套主机测量到激光光点，获得激光的光点位置；

4)如果建筑物发生沉降，主机通过对光点位置的分析获得建筑物的沉降情况。

本发明能够对建筑物进行沉降情况的准确测量，消除错误预警。不同于现有技术中单纯的激光器-探测器装置只能感应到相对运动，本发明涉及到的正交反射光路是一种光线变换光路，激光器所处位置和探测器所处位置在发生相对运动时，能准确地给出是激光器所处位置发生了变化，还是探测器所处位置发生了变化。所涉及的方法特别适合于安装在建筑物的四个角落，由两套装置相互测量，能根据测量结果推测出建筑物的各种复杂的垂直位移情况。所涉及的装置，其正交反射光路仅由两片正交反射镜构成，其所在的位置亦可成为一个测量点，降低了单位探测点的探测成本。所涉及的装置，结合良好的光斑位置算法，能计算出探测面上亚像素的移动，可较大幅度地提高装置的探测灵敏度。

本发明装置或***可以自带计算单元进行测量数据的处理，从而直接得到建筑物沉降情况；也可以将本发明装置或***的测量数据实时传输给远程监控端由监控端进行数据处理，从而得到建筑物沉降情况。

附图说明

图1基于激光光点位置测量建筑沉降情况的基本原理示意图；

图2使用本发明***测量建筑物沉降示意图；

图3本发明中主机的结构示意图；

图4本发明光线正交变换反射镜组的结构示意图及其光线反射示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。所述实施例仅是本公开内容的示范且不圈定限制范围。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

如图2所示。在对具有四个角的建筑物进行监测时，可采用两套测量装置(第一主机11和第一反射镜组21，第二主机12和第二反射镜组22)，分别放置在建筑物4的四个角落，调节好光路，使其中一套测量装置的激光器发射的激光经光线变换反射镜组反射后照射在另一套测量装置的探测器上。

两个主机具有相同结构，。第一主机11由激光器(发射端)111和探测器(接收端)112相背构成，并由外壳110连接在一起，如图3所示。

激光器和探测器的法线不需要共轴，甚至两轴之间可以相互垂直，即激光器和探测器的法线相互之间并不需要具有特定关系。激光器111可以采用半导体激光器或微片激光器，其输出激光为了实现方便的对准和调试流程，可以在出射端添加可调反射镜117，用于在安装装置时调节其输出激光的发射方向。为保证激光器具有良好的输出光束质量，激光器的输出激光可以先通过透镜113聚焦，并在焦点处放置直径15μm左右的针孔114。激光经针孔114滤波后再经过透镜115准直，可以获得较好的光束质量。探测器112可以采用PSD或阵列式CCD。经针孔114滤波后的激光，在其截面上具有良好的高斯分布，因此，当探测器112接收到光斑后，可将接收到的数据由处理器116进行高斯拟合，或简单地将光斑当作圆形进行处理，其处理算法较为成熟，在此不再赘述。

光线变换反射镜组是该***的核心装置。激光器111发出的激光，经光线变换反射镜组反射后，其性质将发生变化。光线变换反射镜组的构成如图4所示，其包括第一反射镜210和第二反射镜211；第一反射镜210和第二反射镜211都是平面反射镜，相对于入射光线都成45°的入射角，但其放置方式是正交的，即反射镜初始法向均为+z时，第一反射镜210是绕y轴顺时针旋转45°，而第二反射镜211则是绕x轴逆时针旋转45°。根据图4所示光路，当入射光线30在垂直方向(z方向)上发生了移动时，例如移动到了光线31所表示的地方。比较光线30和光线31，可以看出光线30和光线31在z方向(垂直方向)有位移时，经过第一反射镜210和第二反射镜211反射后，光线30和光线31之间的距离变成了向y方向(水平)的位移，该过程在本文中称为光线变换操作。

在了解了光线变换反射镜组的工作原理后，再来分析***的工作原理。在使用时，如图2所示，在环绕建筑物的方向上两套主机和两个光线变换反射镜组相间安置。第一主机11发射出的激光经过第一反射镜组21反射后，照射在第二主机12的探测器上。而第二主机12发射的激光，经第二反射镜组22反射后，照射在第一主机11的探测器上。由于两套主机和两个光线变换反射镜组都是固定在建筑物上，当建筑物发生沉降时，主机或反射镜组将随建筑一起移动，使第一主机11照射在第二主机21上的光斑(或第二主机21照射在第一主机11上的光斑)会发生移动。具体地，可做以下分析：

1)当仅仅只有某一个主机所在位置发生了垂直方向上的移动时。不失一般性，假设第一主机11所在的位置发生了沉降，第一主机11随建筑一起向下(-z方向)移动，结合图4的分析，经第一反射镜组21反射后，移动方向变成了向左(+y)方向移动相同距离。光点的变化(+y方向移动)由第二主机12接收，并做出响应结果；反之，当第一主机11所在位置上升(+z方向运动)时，第二主机12将会接收到光点向右(-y方向)移动相同距离。同理，当仅仅第二主机12发生垂直运动时，类似的结果将由第一主机11接收。

由于第一主机11和第二主机12是相互监测的，当第一主机11发生下沉时，由于第二主机12和第二反射镜组22没有移动，因此，第二主机12发射的激光，相对于第一主机11来说，第一主机11上探测器会感受到光点的位置上升了。

2)当仅仅只有光线变换反射镜组所处位置发生垂直方向的移动时。假设发生的移动是第一反射镜组21所处位置发生了沉降。由图4分析可知，第一反射镜组21发生沉降，第一主机11发出的激光相对第一反射镜组21上升(+z方向)，经反射镜21反射后，光斑右移(-y方向)。由于第一反射镜组21整体下沉，光斑同时还会下降(-z方向)。上述移动由第二主机12所感受。同理，第二主机12所发出的激光，由于第二主机12，第二反射镜组22和第一主机11都没有移动，因此第一主机11所接收的光点位置无变化。

3)当某一面墙发生整体移动时。假设第一主机11和第一反射镜组21之间的墙面发生沉降，且沉降程度相同，第一主机11和第一反射镜组21之间无相对移动，因此由第一主机11发出的激光在第一反射镜组21上无移动。但是由于第一反射镜组21反射的光相对于第二主机12的探测器来说，第二主机12将探测到由第一反射镜组21反射的光点会发生下降(-z方向)。同时，第一主机11接收到来自第二反射镜组22的光，会感受到光点上升(+z方向)；如果第一主机11和第一反射镜组21同时下沉，且下沉程度不同，此时第二主机12会同时探测到光点下降(-z方向)和向左(+y方向)运动。同理，当只有其它面发生变化时，可得出类似的分析。

综合上述分析，当建筑物某处发生垂直方向的移动时，可总结如下：

由上表可知，当建筑物的某一个角或一个面发生下沉或上升情况，对主机接收到的光点进行分析，可以唯一地判断建筑在垂直方向的运动情况。

上文对本发明作出了详细说明，但本发明不限于此。本技术领域的发明人或技术人员可以根据本发明的原理进行修改，因此，凡是按照本发明的原理进行的修改都应当理解为落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于光线正交变换的建筑物沉降测量装置，其特征在于包括：

激光器，用于提供沉降探测所用的高光束质量准直光线；

探测器，用于测量激光光点落在探测器上的位置变化；

可进行光线正交变换的反射镜组，对激光进行两次发射，将激光的移动方向进行空间上的变换，以实现非对称性的位移测量；所述非对称性的位移是指激光器产生的位移和探测器产生的位移，所测量的结果是不对称的。

2.根据权利要求1所述的基于光线正交变换的建筑物沉降测量装置，其特征在于所述的反射镜组由第一反射镜和第二反射镜构成；第一反射镜和第二反射镜都是平面反射镜，其放置方式是正交的；反射镜组的作用是将激光在一个方向上发生的位移，经过反射变换后，在空间上变换为另一个正交方向上的位移。

3.如权利要求2所述的基于光线正交变换的建筑物沉降测量装置，其特征在于，第一反射镜和第二反射镜相对于入射光线都成45°的入射角，放置方式是正交的，第一反射镜和第二反射镜初始法向均为+z轴时，第一反射镜是绕y轴顺时针旋转45°，而第二反射镜则是绕x轴逆时针旋转45°。

4.一种基于光线正交变换的建筑物沉降测量***，其特征在于至少包括两套权利要求1-3任一项所述的建筑物沉降测量装置；且每一套建筑物沉降测量装置均包括反射镜组以及由一个所述激光器和一个探测器相背安装在一起构成的主机；

两个主机和两个反射镜组分别布置在待测建筑物的四个角上，且第一主机的激光器发出的激光经第一反射镜组反射后由第二主机的探测器探测，第二主机的激光器发出的激光经第二反射镜组反射后由第一主机的探测器探测。

5.根据权利要求4所述的基于光线正交变换的建筑物沉降测量***，其特征在于，激光器采用半导体激光器或微片激光器，探测器采用PSD或阵列式CCD；激光器和探测器由外壳连接在一起构成主机。

6.根据权利要求5所述的基于光线正交变换的建筑物沉降测量***，其特征在于，激光器的输出激光先通过透镜聚焦，并在焦点处放置针孔；激光经针孔滤波后再经过透镜准直，最后经可调反射镜调节其输出激光的发射方向。

7.根据权利要求4所述的基于光线正交变换的建筑物沉降测量***，其特征在于，两个主机的测量数据通过无线方式进行相互传输。

8.一种利用权利要求4所述***测量建筑物沉降测量的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将两个主机和两个反射镜组分别布置在待测建筑物同一高度的四个不同的角上，

(2)打开两个激光器，调节激光器和反射镜组，使第一主机的激光器发出的激光经第一反射镜组反射后入射第二主机的探测器的中央位置，第二主机的激光器发出的激光经第二反射镜组反射后入射到第一主机的探测器的中央位置；

(3)两套主机测量到激光光点，获得激光的光点位置；

(4)如果建筑物发生沉降，主机通过对光点位置的分析获得建筑物的沉降情况。

9.根据权利要求8所述的测量建筑物沉降测量的方法，其特征在于，所述的步骤4)具体为:

(4.1)当第一主机和第二主机均未感知到激光光电移动时，判断为建筑物未发生沉降情况；

(4.2)当第一主机感知到激光发生Z轴方向移动；

若此时第二主机未感知激光光电移动时且第一主机同时感知到激光发生Y轴方向移动时，则判断第二反射镜组所在位置发生下沉或上升；

若此时第二主机感知到激光发生Y轴方向移动，则判断第一主机所在位置下沉或上升；

若此时第二主机感知到激光发生Z轴方向移动，则判断第一主机和第一反射镜组所在面发生下沉或上升，或者第二主机和第二反射镜组所在面发生下沉或上升；

(4.3)当第一主机感知到激光发生Y轴方向移动；

若此时第二主机同时感知到激光发生Z轴方向移动时，则判断第二主机所在位置发生下沉或上升；

若此时第二主机感知到激光发生Y轴方向移动，则判断第一反射镜组和第二主机所在面发生下沉或上升，或者第一主机和第二反射镜组所在面发生下沉或上升；

(4.4)当第一主机未感知激光光电移动，且第二主机感知到激光同时发生Y轴和Z轴方向移动，则判断第一反射镜组所在位置发生下沉或上升。

10.如权利要求9所述的建筑物沉降测量的方法，其特征在于，根据Y轴和Z轴移动的方向，判断所在位置发生下沉还是上升。