S等通过对测量塔进行定位，然后换算到管段空间坐标)。
[0028](5)将测量学、计算机、图形图像学的最新发展成果运用到管节沉放对接监控中，达到了施工过程中关键目标的及时掌控，为控制和决策提供最直接的依据。
【附图说明】
[0029]图1为实施例中沉管隧道建设中管段对接的水下高精度测控系统示意图。
[0030]图2为实施例中沉管隧道建设中管段对接的水下高精度测控方法实施过程示意图。
[0031]图3a为第一种支架的结构图。
[0032]图3b为第一种支架中钢管口部结构图。
[0033]图3c为第一种支架中法兰盘结构图。
[0034]图3d为第一种支架中底座结构图。
[0035]图4a为第二种支架的结构图。
[0036]图4b为第二种支架中钢管口部结构图。
[0037]图4c为第二种支架中法兰盘结构图。
[0038]图4d为第二种支架中底座结构图。
[0039]图5a为第三种支架的结构图。
[0040]图5b为第三种支架中钢管口部结构图。
[0041]图5c为第三种支架中法兰盘结构图。
[0042]图5d为第三种支架中底座结构图。
[0043]附图标记说明:11发射超声波传感器，12接收超声波传感器，21底座，22镀锌钢管，23对中卡盘。
【具体实施方式】
[0044]以下结合附图对本发明作说明。
[0045]实施例一
[0046]参见图1，一种沉管隧道建设中管段对接的水下高精度测控系统，具有多组接收/发射超声波传感器、工业PC控制平台、串口 /无线网络通讯系统、指挥室PC控制和显示平台，多组接收/发射超声波传感器通过同轴电缆与工业PC控制平台连接，工业PC控制平台与指挥室PC控制和显示平台通过串口 /无线网络通讯系统连接。超声波传感器通过同轴电缆与工业PC控制平台连接并受其控制，相互之间的控制和数据传输采用总线方式。
[0047]接收/发射超声波传感器组数为三组，每组接收/发射超声波传感器中，发射超声波传感器与接收超声波传感器的对应关系为I对4，I对3，2对4或者2对3，接收超声波传感器通过支架安装在沉管的管尾，发射超声波传感器通过支架安装在待沉管的管头。每组根据现场条件采取I发3收、I发4收、2发3收等多种灵活的组合方式，每次使用中设置两组或3组传感器(实施例中采用三组的形式)，发射超声波传感器根据设置的周期、脉宽、电压提供脉冲超声波，接收超声波传感器根据设置的周期、延迟、采样间隔、采样点数接收脉冲超声波。
[0048]工业PC控制平台与指挥室PC控制和显示平台通过无线电传输系统或者3G/4G传输系统连接。
[0049]无线电台传输和3G/4G网络传输两种方式，现场测量得到的声波数据通过这两种传输方式传回岸上控制室内的服务器计算机，经过处理后将坐标和3维模型结果显示到屏幕上。考虑到目前3G/4G网络覆盖了全国绝大部分城市地区，首选基于该网络的数据通讯系统。另外，考虑到3G/4G网络覆盖区域有限，采用无线电台传输系统作为备选通讯方案，通过两套传输系统的融合，实现全天候条件下测量数据的稳定、即时传输。
[0050]采集到的原始数据为超声波强度值，采用相应的算法计算首至波走时，并转换为传感器测量中心之间的空间距离值。在得到各组接收/发射超声波传感器之间的空间距离值后，通过所选择(串口 /网络选择I种)的通讯系统发送回指挥室服务器PC，结合管节几何尺寸、设备安装尺寸换算管段之间的空间位置和姿态，并采用三维图形建模方法绘制其图形。
[0051]传感器安装在固定支架上，在测量过程中，随着沉放进度的推进，逐渐沉没于水下。安装支架在制作管段时预埋到管顶面预设位置。需要指出的是，本测量系统的安装精度要求不高，但要求结构钢度高、中心标定精度高。
[0052]支架包括底座、镀锌钢管和高精度对中卡盘，底座和镀锌钢管以法兰盘方式连接，对中卡盘设置在钢管上，测量中综合采用3种类型的支架，Z-B型(第二种支架)作为声波接收传感器安装支架，高度统一 ；Z-A(第一种支架)、Z-C(第三种支架)型混合安装，以错开高度，使得接收超声波传感器形成一个3维空间形态。传感器安装底板采用15cmX 1cmX 5mm的钢板，钢板根据不同的支架型号安装到不同高度，Z-A、Z-B型安装到支架顶部，Z-C型分别安装到距离支架顶部Om和Im位置。钢管管径11.4cm，管壁厚度5mm，下部管长30cm，上部管长有118cm (Z-A型)和168cm (Z-B和Z-C型)两种型号。法兰盘直径25cm，厚度1cm，螺栓连接孔共8个，孔径18_，底板也采用相同型号的法兰盘，法兰盘与钢管采用焊接方式连接，法兰盘之间对中后采用螺栓连接。对中卡盘采用精密机床专用的3爪对中卡盘，对中精度达0.01mm。传感器放置到3爪之间，随着卡盘螺丝的旋紧，传感器最终固定到中心位置。支架在制作管段时，直接预埋到混凝土中。采用高精度对中卡盘，安装精度由于0.0lmm;安装支架采用上下分离、中间法兰盘连接、可拆卸的方式，避免了沉管浮运时被拖缆损坏的可能。
[0053]系统的工作过程:在已沉放管段和待沉放管段的接头处安装声波传感器，其中一组为声波发射，即水声器阵，一组为声波接收，即水听器阵，通过声波的发射和接收测量相互之间的距离，根据对距离的分析计算得到管节的空间关系。该方案用于沉放对接的关键阶段的监测，此时管头的距离已经很近(按2m以内分析)。
[0054]同轴屏蔽电缆长60m，一端连接工控PC板卡接口，另一端连接传感器并随沉放进程沉没至水下。电缆本体以及接头部位采用环氧树脂灌注方式进行了防水处理，能够满足300m以浅水深的防水要求。
[0055]距离测量根据收发之间的首至波走时和波速来计算。在工控PC的控制下，发射传感器启动超声波发射，同时接收传感器进入到声波接收和数据储存状态，完成一次采集后，计算机启动首至波查找进行，确定首至波位置后，结合延时、采样间隔计算出声波走时，然后与波速相乘就得到了接收/发射传感器之间的空间距离，该值通过电台或者无线网络发回岸上控制室。
[0056]管段空间位置根据接收/发射传感器相互之间的距离进行反算，坐标系采用自建独立坐标系，以已沉放管节的底面作为XOY投影面，原点为管头宽度方向中点，Z轴垂直于XOY向上。在得到每组传感器阵列中发射传感器到4个接收传感器的空间距离后，以发射传感器中心坐标为未知数，建立空间距离方程组，采用开发的解方程组算法程序得到发射传感器的坐标。以此类推，在得到3个发射传感器测量中心坐标的基础上，结合管段的结构尺寸参数，调用微软发布的Direct3D函数库解析得到待沉放管节的空间位置和姿态。
[0057]3维建模采用线框模型，在得到各个控制节点坐标的基础上，空间线连接的方式构建模型。建模函数直接调用微软发布的Direct3D开发包。
[0058]最终软件界面实时显示两节管段的空间相对位置和姿态，另外管节的位置、姿态、管节对接面信息以数值形式实时显示在信息栏中。采集设备的远程控制、参数设置等以菜单和命令栏的形式显示在界面上。
[0059]实施例二
[0060]参见图1和图2，一种应用实施例一中的沉管隧道建设中管段对接的水下高精度测控系统实现的测控方法，具有以下步骤:
[0061]S1、安装传感器，接收/发射超声波传感器分组面对面安装到管头和管尾的位置；
[0062]S2、接收/发射超声波传感器测量中心和预设控制点标定，采用高精度全站仪在同一坐标系下测量得到传感器中心、预设控制点以及管段角点的空间坐标值，用于管段相对姿态的计算；
[0063]S3、现场测量，控制接收/发射超声波传感器的声波发射和接收，根据声波在水中的走时计算接收/发射超声波传感器之间的空间距离；
[0064]S4、发射传感器测量中心坐标计算，以已沉放管段管底面为投影中心建立独立坐标系，根据前面标定结果计算出接收超声波传感器中心、控制点的空间坐标，然后以发射超声波传感器中心坐标为未知数建立接收/发射超声波传感器测量中心之间的距离方程组，通过解方程组得到发射超声波传感器的中心坐标值，以此类推得到各个发射超声波传感器测量中心的空间坐标；
[0065]S5、待沉放管段控制点坐标计算，根据发射超声波传感器前期标定坐标和测量坐标计算变换矩阵，然后将标定的管段控制点坐标乘以该矩阵即可得到其即时坐标；
[0066]S6、在计算得到所有控制点坐标的基础上，调用微软Direct3D函数库建立两节管段的空间