激光角度测量隧道盾构姿态的研究进展

激光角度测量隧道盾构姿态的研究进展

新型激光标靶在隧道坍塌施工中，坍塌自动驾驶系统可以充分利用整个隧道的声音进行测量和控制，实时显示隧道的声音。这具有人力投资少、测量速度快等优点。已成为隧道地壳测量技术的发展方向。盾构自动导向系统主要有英国的ZED、德国的VMT和日本的GYRO等系统,前两者为激光导向,后者为陀螺仪导向。目前,VMT系统和ZED系统应用比较广泛,它们均有不同类型的激光标靶在863计划项目“地铁盾构姿态测量导向系统”的支持下,华中科技大学与上海隧道工程股份有限公司合作,研究和设计了一种新型的激光标靶。与现有的激光标靶相比,这种新型激光标靶在测量方位角时采用了一种基于面阵CCD的非接触式光电检测方法,克服了现有激光标靶的弊端,具有快速、稳定性好和测量精度高等优点。本文将介绍这种测量系统的构成以及测量原理,并对系统测量精度及其影响因素进行了分析。1激光器的组成激光角度测量系统组成如图1所示。系统由全站仪、准直激光器、薄透镜、光学屏幕、物镜、CCD摄像机和图像采集系统等组成。准直激光器安装于全站仪上,与全站仪内置测距仪轴线平行2测量原理2.1角度测量系统隧道盾构施工中,目前广泛采用的激光自动导向系统组成如图2所示。全站仪、标靶和工控机用来测量和显示盾构机在城市坐标系(绝对坐标系)中的位置和姿态(方位角、坡度角和滚动角),计算盾构机掘进线路与隧道设计轴线之间的误差。误差结果反馈到盾构控制计算机后,通过改变盾构千斤顶的行程及时控制盾构机的姿态,将盾构控制在隧道设计轴线较小误差范围内。图2中的标靶由激光角度测量系统、倾角仪(标靶内部横向和纵向分别安装一个)和反射棱镜组成,反射棱镜距激光角度测量系统光学轴线的距离与准直激光器距全站仪内置测距仪轴线的距离相等。在测量过程中,全站仪(固定在隧道成型管片上)内置测距激光自动照准后视参考棱镜,旋转后照射标靶上的反射棱镜。全站仪和参考棱镜的位置测量前已经确定,由全站仪可以直接得到激光束在绝对坐标系中的水平方位角δ和激光束与水平面的夹角α。为方便测量盾构机方位角,实际测量中激光角度测量系统光学轴线与盾构机轴线平行安装,则激光束与测量系统光学轴线之间的角度θ可视为激光束与盾构机轴线的夹角。如图3所示,建立坐标系O式中β为盾构机轴线与水平面之间的夹角,由盾构机上纵向安装的倾角仪测量。则盾构机轴线的水平方位角为由式(1)和式(2)可知,为测量盾构机方位角,需要测量激光束与测量系统光学轴线之间的角度θ。采用图4所示的方法,准直激光器发出的激光束经过薄透镜后在其后焦面上形成汇聚光斑。因为激光束方向性非常好,可以近似看作平行光束。根据几何光学成像的基本原理,如果入射激光束与光学系统轴线之间的角度发生改变,则薄透镜后焦面上光斑的位置发生相应的变化。入射激光角度与光斑位置之间的关系为式中S为薄透镜后焦面二维坐标系上光斑重心离原点的距离,2.2光斑位置测量和测量点设计测量中受激光功率和测量环境等因素影响,激光发射距离一般为50～200m。利用高斯光束变换的ABCD定律式中λ为激光波长;l设计中准直激光器输出光功率W=0.3mW,激光波长为0.6328µm,发散角为0.1mrad,TEM文献[6],[7]表明,当照射在面阵CCD上的激光波长为0.6328µm时,面阵CCD的饱和激光功率密度阀值远远小于1.32×10按照测量要求,以激光光斑重心位置表示激光光斑的位置。以系统光路轴线和光学屏幕的交点为原点建立光学屏幕平面坐标系oxy,该坐标系在CCD像面上的投影为o′x′y′,o′x′y′作为像面坐标系。x小为水平方向,y为垂直方向。设CCD像元的灰度值为P按下式计算光学屏幕上激光光斑位置:式中M为物镜的放大率。联立式(3)和式(7)起来,则入射激光角度可以表示为通过检测CCD像面上的光斑位置移动方向和大小,用上式测定入射激光角度。3误差分析3.1激光束与光路轴线之间的角度误差分析准直激光器发出的激光束是场振幅沿径向作高斯函数衰减变化的高斯光束,而角度测量中把激光束看作平行光束会聚于焦平面,采用式(3)计算激光束与光路轴线之间的角度θ,这样必然会造成误差,因此有必要对此进行讨论。根据高斯光束成像变换条件式中l由式(8)计算的角度值与式(3)比较得到角度误差为由式(9)可知,测量系统测量角度越大,光学原理误差越大。根据设计要求,在测量角度为±5°的时候进行误差分析。准直激光器发射激光波长为0.6328µm,TEM3.2光学屏和光学主体如图4所示,激光束透过薄透镜后汇聚在光学屏幕上形成光斑图像,这个光斑通过成像系统成像在CCD像面上。光学屏幕是经过特殊工艺制造的光学元件,主要功能是将光斑清晰地显示出来。从激光器发射的可见激光波长这个尺度看,光学屏幕表面很粗糙。这样的表面可以看作是无规则的大量面元构成,每个面元就相当于一个衍射单元,从而形成具有无规则分布颗粒状结构的散斑3.3量化误差每个像元接收能量的重心确切位置无法判断,计算光斑重心位置时,用像元中心坐标代表能量重心坐标,存在数学模型误差σ3.4系统误差因素系统误差包括CCD传感器的固定图像噪声影响、CCD响应的非均匀性影响、光学系统像差影响和光学屏幕与CCD像面不平行影响,这些误差属于系统误差。因为采用重心法计算光斑位置,前几种影响因素对系统误差影响不大;而光学屏幕与CCD像面的不平行度可以通过校正控制在0.05rad内,此时激光角度测量误差小于0.1mrad。4高精度测量仿真根据上述设计的系统参数,考虑影响系统精度的各种因素,在测量距离为10～200m和测量角度为±5°的情况下,采用三种不同发散角的激光束,对系统角度测量精度进行MATLAB仿真,误差曲线如图5所示。实际测量中测试精度与激光束、光学系统的设计和CCD等都有关系,实际值和理论值可能存在一定差异。图4表明,根据上述设计的系统参数,选用发散角为0.5mrad的准直氦氖激光器