一种基于光线变换的建筑测量装置、系统和方法

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、系统和方法。

背景技术：

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

技术实现思路

1、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、系统和方法。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。

2、为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

3、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：

4、激光器，用于提供沉降探测所用的高光束质量准直光线；

5、探测器，用于测量激光光点落在探测器上的位置变化；

6、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。

7、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。

8、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°。

9、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系统，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；

10、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。

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

12、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，

13、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；

14、3)两套主机测量到激光光点，获得激光的光点位置；

15、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。

16、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。

17、本发明装置或系统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系统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。

技术特征：

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：

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系统，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；

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系统，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系统，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系统，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所述系统测量建筑物沉降测量的方法，其特征在于包括以下步骤：

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:

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。

技术总结
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。

技术研发人员：吴波,张涵媚,余子英,蒋伟,沈永行,左越
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15