模型。
[0067]接收/发射超声波传感器测量中心和管段控制点坐标采用0.5"以上高精度全站仪进行标定，标定内容为统一坐标系下的三维坐标。
[0068]每个沉管对接面两侧各布置3组测距声波传感器，每组传感器包含I个发射端和4个接收端，通过测量传感器之间的距离反算管节的空间相对位置。在测量前，首先在对接面左右两侧(即管头和管尾)安装相应的发射或接收传感器，然后采用高精度全站仪测量方法对传感器中心点进行标定，标定内容为同一坐标系下传感器中心的空间坐标和管节结构上标志点的坐标，通过这些坐标点的换算即可得到传感器测量中心与管节结构的初始相对空间坐标(全站仪的测量精度不得低于0.5")。该初始空间坐标数据作为后续空间坐标计算的初始状态。测量过程中，采用工控机控制传感器的同步收发，3个发射传感器同步发射超声信号，与之相对应的3组接收传感器在发射进程启动的同时开始采集声波信号。通过测量超声信号从发射传感器到接收传感器的走时，再乘以声波在水中的传播速度即可得出两点之间的距离。每组阵列可测量得到4个空间距离，通过上面测量其中的任意3个距离值建立几何关系方程组，解该方程组即可反算出发射端相对于接收端的空间坐标(设发射传感器中心坐标为X、y、z，建立到任意3个接收传感器中心的距离方程组，然后解方程组)。以此类推，测量得到了 3个发射端子的中心坐标。由于发射传感器与安装管节结构在沉放过程中保持固定相对位置，因此可以通过这3个测量坐标得到对接面上任一控制点的坐标(控制点与发射传感器中心的坐标差为ΔΧ、Ay、ΛΖ)。根据以上步骤，即得到了统一坐标系下两个对接面上所有控制点的坐标，通过控制点的比较和分析即可确定管节之间的空间位置关系，进而达到对管节沉放对接的准确测量和监控。
[0069]传感器阵列的组合根据实际工况可以采用多种方式，常见的有I对4、1对3、2对4、2对3等等。传感器阵列一般以管段中轴线对称安装，发射传感器如果采用I对多方式，则几个传感器的安装高度不得相同。
[0070]传感器测量中心和管段对接面控制点标定是极其关键的一个环节，其标定的精度对后续测量精度具有决定性的影响。在同一坐标系下，采用高精度全站仪对各点的3维坐标进行测量。
[0071]传感器空间坐标算法的数据源为超声波传感器阵列测量得到的相互之间的空间距离值，输出值为独立自建坐标系下传感器测量中心的空间坐标。
[0072]管段控制点坐标算法的数据源为传感器的空间坐标值，输出值为独立自建坐标系下管段控制点的空间坐标。
[0073]本发明将水下超声波测量技术应用到管段沉放对接测量中。这种测量法不受施工条件和水文条件的限制，测量精度随着管段对接面的靠近逐渐提高，最终可以达到1mm之内，能够满足目前相关规范以及工程要求。
[0074]测量工作水深为60m，超声波传感器阵列设置3组，每组为I发4收，I个发射传感器安装在待沉放管节的管头，4个接收传感器安装在已沉放管节的管尾。3组传感器等距分布，相互之间的距离为1m(根据实际情况调节)。传感器保证发射面和接收面针对。接收传感器安装高度一致，均为2m，发射传感器安装高度左右两组为2m，中间一组为1.5m(安装高度根据实际情况调节，须保证收发传感器透视)。
[0075]安装完成后，进行现场标定，标定目标为传感器测量中心和对接面控制点。采用高精度全站仪(0.5")进行测量，在统一坐标系下，测量得出15个传感器测量中心的三维坐标。在对接面上各选择8个控制点，测量得出16个控制点的三维坐标。标定完成将传感器拆除，只留安装底座，目的是防止管段浮运过程中被拖缆挂断。
[0076]第一节沉管浮运到位后，首先进行二次舾装，此时安装第一节管段管尾的3组12个声波接收传感器，并对电缆接头做防水保护。沉放过程中，接收超声波传感器及电缆随同管段一起沉放至水下。
[0077]第二节管段浮运到位后，首先进行二次舾装，此时在管头安装3组3个发射超声波传感器。与此同时，采用潜水作业方式将上节管段上12个接收超声波传感器的接头拉出水面，并除去防水材料，漏出接头。
[0078]在第二节管段沉放前，将所有的接收和发射超声波传感器接头接到现场的采集工控机PC上，并启动电源、软件以及无线发射器，检查无误后，开始按照既定方案进行测量。
[0079]测量过程中，每5-10秒自动测量一次，并根据相应的算法对波形进行处理和分析，得到首至波走时，结合现场实测波速计算出接收/发射超声波传感器之间的空间距离；然后将该12个空间距离值采用无线传输方式发送回岸上控制室PC。控制室PC在接收到数据后，根据相应的算法和管段设计资料、前期标定资料计算出管段之间的相对空间位置和姿态，然后采用3维空间建模的方法将其实时状态在计算机上显示出来。在此基础上，将管段对接面控制点的坐标等信息也一同显示出来，供指挥人员决策参考。
[0080]本文略去对公知技术的描述。
[0081]以上所述仅为本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅限于上述实施方式，凡是属于本发明原理的技术方案均属于本发明的保护范围。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理的前提下进行的若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种沉管隧道建设中管段对接的水下高精度测控系统，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的沉管隧道建设中管段对接的水下高精度测控系统，其特征在于: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。3.根据权利要求1所述的沉管隧道建设中管段对接的水下高精度测控系统，其特征在于: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。4.一种应用权利要求1或2或3所述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，其特征在于，具有以下步骤: 51、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； 52、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； 53、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； 54、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； 55、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； 56、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模型。5.根据权利要求4所述的测控方法，其特征在于:接收/发射超声波传感器测量中心和管段控制点坐标采用0.5"以上高精度全站仪进行标定，标定内容为统一坐标系下的三维坐标。
【专利摘要】本发明公开了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。同时还提供了一种测控方法。本发明测量系统成本低、精度高、适应性强、智能化程度高、可靠性好，有效解决沉管隧道建设中管段水下对接的高精度测控问题。
【IPC分类】G01C15/00
【公开号】CN104913769
【申请号】CN201510176949
【发明人】郭强, 胡勇前, 孙斌, 赵鹏辉, 贺维国, 林金雄, 宋光猛, 裴凯
【申请人】上海海科工程咨询有限公司, 佛山市新城开发建设有限公司
【公开日】2015年9月16日
【申请日】2015年4月15日