铁路测量和隧道施工中导向系统的激光靶及其测量装置的制作方法

本发明涉及工程建设领域，具体涉及一种铁路测量和隧道施工中导向系统的激光靶及其测量装置。

背景技术：

盾构技术是在地面下暗挖隧洞的一种施工方法，具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、不受气候影响的优势，并且开挖时可控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响，在水下开挖时不影响水面交通。一般地，地铁施工及隧道施工中采用盾构技术更为经济合理。

目前，常用的测量盾构机的姿态与位置的方法有：

1.人工测量法。在盾构机轴线的正上方固定安装前、后二个标靶，辅助经纬仪测量盾构机轴线在大地坐标系下的方位角，在盾构机上固定安装有坡度板，通过重力锤在坡度板上的位置测量盾构机的俯仰角和转动角，最后通过已安装的管片数量确定盾构机的位置。此方法存在的主要缺陷包括：位置测量、俯仰角和转动角测量的精度低；每次测量都必须人工读取数据，测量效率低；对测量工程师要求高，工作强度高，对盾构施工干扰大。

2.多棱镜测量法。在盾构机上安装两个或三个棱镜，通过智能全站仪和角度传感器对盾构姿态进行定位，但在实际施工由于受到通视条件的限制，特别是曲线掘进时，需频繁搬站测量，工作量大，棱镜的安装位置对测量精度的影响也比较大。且硬件集成度低，稳定性较差。

3、电子激光靶测量法。通过测量前后靶上光斑的相对位置、固定安装的棱镜和角度传感器来确定盾构的方位和姿态角。这种测量方法原理简单，但是入射激光直接照射在相机镜头上容易造成镜头损伤，需频繁更换镜头，测量成本高。

有鉴于此，如何设计一种集成度高、成本低的激光靶及其测量装置，以精确测量待测物的位置，尤其是盾构施工中面临的可通视空间受限情况下的精确测量，是业内人士亟需解决的问题。

技术实现要素：

针对现有技术中，盾构测量中存在的测量自动化低、需要测量空间大、硬件集成度低、系统稳定性差和精度低问题这一缺陷，本发明提供了一种隧道掘进施工导向系统的激光靶及其测量装置。

根据本发明的一个方面，提供了一种激光靶，设置于待测物上，用来测量所述待测物的位置，其中，所述激光靶具有箱体，所述箱体为长方体，具有前侧板、后侧板、左侧板、右侧板、顶板和底板；所述四个侧板位于顶板和底板之间，且垂直于所述箱体的横轴或纵轴；所述前侧板上具有通光窗口。

箱体内包括分光镜、第一棱镜、成像系统、角度传感器；分光镜设置在所述通光窗口后方，所述分光镜的中心与所述通光窗口中心的连线与所述箱体的纵轴平行；所述第一棱镜的中心与所述分光镜中心的连线与所述箱体的纵轴垂直；所述成像系统包括成像镜头和相机；所述前侧板、所述分光镜、所述成像系统沿所述箱体的纵轴依次排列；所述角度传感器用来测量所述激光靶相对于水准面的俯仰角和转动角；所述分光镜、第一棱镜、成像系统、角度传感器均与所述箱体固定连接。角度传感器的安装位置只要不遮挡进入成像系统的光线即可。

激光束穿过所述通光窗口以实现激光束透过所述前侧板后，直接传输至所述分光镜上，形成光斑，一部分光被反射至所述第一棱镜，一部分光透射到成像系统，且通过成像镜头后形成光斑，所述相机用于拍摄激光束于所述分光镜上和所述成像镜头上形成的光斑。

优选地，所述第一棱镜与所述成像系统的位置可互换。

根据本发明的另一个方面，提供了一种测量装置，其中包括：

如上所述的激光靶；

第二棱镜，用来提供后视点；

全站仪，设置于所述箱体与所述第二棱镜之间，所述全站仪用来提供激光束，并且所述全站仪测量出所述第一棱镜的相对坐标及所述激光束射入至所述激光靶上的水平角和垂直角；

以及控制器，分别连接于所述全站仪及所述激光靶，所述控制器根据所述激光靶的大地坐标、所述激光束入射至所述激光靶的水平角和垂直角、用角度传感器测得所述激光靶的俯仰角和滚动角而计算所述激光靶的位置和姿态。

本发明的优点是：利用激光靶中的分光镜将光束分成两个部分，可以减小直接照射到成像镜头和相机上的激光的光强，从而减轻对相机的损伤；利用激光束在不同光学面上形成光斑的位置，在过程中对其精确地测量可确定激光靶的偏置角度，精度优于0.01°。并且，可以通过角度传感器测得激光靶与水准面的关系，然后通过控制器以进一步确定激光靶的位置，从而可以精确地测得激光靶的位置和姿态。本测量设备不受通视空间的限制。另外，测量设备固定在箱体上，可以减少因为施工中的振动导致设备移位引起的误差，且设备集成度高，体积小，并可以大大地节约成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为依据本发明一个方面的一个实施例的激光靶的结构剖面图；

图2为具有图1所示的激光靶的测量装置的结构示意图；

图3为依据本发明一个方面的另一个实施例的激光靶的结构剖面图；

图4为具有图3所示的激光靶的测量装置的结构示意图。

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作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。

图1示出了依据本发明一个方面的一个实施例的激光靶的结构剖面图。如图1所示，激光靶1设置于待测物上，用来测量待测物的位置。激光靶1具有箱体10，箱体10具有前侧板11及顶板12和底板13。前侧板11上还设置有通光窗口111。激光束穿过通光窗口111以实现激光束透过前侧板11。通光窗口111位于侧板11与箱体10的纵轴相平行的对称轴上，本实施例中，通光窗口111设置于前侧板11的中心位置。箱体10内包括第一棱镜14、分光镜15、成像系统16及角度传感器17。分光镜15、前侧板11及成像系统16沿箱体10的纵轴依次排列。第一棱镜14和成像系统16对应于分光镜15镜面对称设置。成像系统16包括成像镜头161和相机162，利用成像系统中的相机162拍摄激光光束、分光镜上的光斑及成像镜头161上的光斑。角度传感器17可以测量出激光靶1相对于待测物的俯仰角和转动角。

图2示出了具有图1所示的激光靶的测量装置的结构示意图。如图2所示，测量装置2包括：激光靶1、第二棱镜21、全站仪22及控制器23。其中，全站仪22设置于激光靶1与第二棱镜21之间，第二棱镜21用来提供后视点。全站仪22用来给激光靶1提供激光束，并且可以测出激光靶1的坐标。另外，全站仪22还可以测量出激光束的水平角和垂直角。全站仪22连接于控制器23，以便将其测得的激光靶1的坐标及激光束的水平角和垂直角传输至控制器23。成像系统16中的相机162及角度传感器17则分别与控制器23相连接，相机162可以将其拍摄的激光光束、分光镜上的光斑及成像镜头161上的光斑信息传输至控制器23，角度传感器17也可以将其测得的激光靶1相对于水准面的俯仰角和滚动角传输至控制器23内。

结合图1参照图2，本实施例中，测量待测物的位置的原理是：先定义激光靶1的局部坐标系，即以激光靶1的前侧板11的中心为坐标原点，并以前侧板11的中心与相机162中心之间的连线为Y轴的右手坐标系。利用全站仪22测得激光靶1的坐标，并将激光靶1的坐标输入控制器23。全站仪22为激光靶1提供激光束，并且根据第二棱镜21提供的后视点测量出激光束入射至激光靶1的水平角和垂直角。激光靶1将获得的激光束射入至激光靶1的水平角和垂直角输入至控制器23。控制器23则根据激光靶1的坐标及激光束射入至激光靶1的水平角和垂直角进行坐标转换，以获得激光靶1的大地坐标。从全站仪22发出的任一角度的激光束射入至激光靶1，因此激光束会在分光镜15、成像镜头161分别形成光斑，相机162则拍摄出形成于分光镜15、成像镜头161的光斑，并将光斑的信息输入至控制器23，然后由控制器23计算出激光靶1的大地坐标，进一步计算出激光靶1的水平方位角。然后，控制器23根据激光靶1的大地坐标及激光靶1的水平方位角确定出激光靶1的空间位置。角度传感器17将测得的激光靶1相对水准面的俯仰角和滚动角输入至控制器23，由控制器23计算出激光靶1的姿态角。最后，控制器23根据激光靶1的水平方位角及激光靶1姿态角计算出待测物的大地坐标，从而将待测物的空间位置予以确定。

以下只对本发明的其他实施例中与上述实施例的不同之处做详细介绍，而相同之处则做简略介绍。

图3示出了依据本发明一个方面的另一个实施例的激光靶的结构剖面图。如图3所示，激光靶3同样具有箱体30，箱体30具有前侧板31及顶板32和底板33，通光窗口311设置于前侧板31的中心位置，并且箱体30内包括第一棱镜34、分光镜35、成像系统36和角度传感器37。与图1所示实施例不同之处在于，成像系统36位于第一棱镜34关于分光镜35的镜面对称位置，如图3所示，但并不以此为限。分光镜35、前侧板31及第一棱镜34沿箱体30的纵轴依次排列。

图4示出了具有图3所示的激光靶的测量装置的结构示意图。参照图4，测量装置4同样包括激光靶3、第二棱镜41、全站仪42及控制器43。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。