一种二维光栅薄膜式隧道变形监测方法与流程

本发明涉及隧道安全，尤其涉及一种二维光栅薄膜式隧道变形监测方法。

背景技术：

1、目前隧道变形测量主要包含接触式测量技术和非接触式测量技术，后者主要包括反射式全站仪技术、激光扫描技术、摄影测量技术等。

2、接触式测量技术通过与被测物体接触获取数据，精度、准确度、可靠性较高，但存在自动化程度较低、测量速度较慢等问题。反射式全站仪技术应用较多，能实现长距离的毫米级变形测量，但是也存在成本较高、自动化程度低等问题。激光扫描技术可以实现毫米级的自动化测量，但是设备成本高昂、数据处理缓慢、实时性差。但现存的隧道变形测量方式存在自动化程度低、测量速度慢、成本高、精度低、数据处理缓慢、实效性差的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种二维光栅薄膜式隧道变形监测方法，旨在解决现有技术中存在的自动化程度低、测量速度慢、成本高、精度低、数据处理缓慢、实效性差等问题。

2、为实现上述目的，本发明采用的一种二维光栅薄膜式隧道变形监测方法，包括如下步骤：

3、步骤一：将二维光栅薄膜通过粘合剂紧密粘接在隧道内壁表面；

4、步骤二：在隧道中部安装白色复色点光源，使复色光照射至二维光栅表面产生二维平面光学衍射；

5、步骤三：在设定位置安装光学图像采集系统用以接收二维光栅薄膜产生的衍射光；

6、步骤四：根据光源位置、衍射点、光学图像采集系统的位置产生特定的衍射光，衍射光经过光学图像采集系统的半波片进行旋转，随后通过偏振分束器分解成正交方向的两幅解耦衍射光图像；

7、步骤五：当隧道内壁发生形变时，隧道内壁变形会反馈到二维光栅薄膜上，二维光栅薄膜产生形变从而导致光栅衍射的局部光栅周期发生变化、衍射角和入射角微小变化，从而导致正交方向衍射光波长发生变化；

8、步骤六：通过对基准衍射光图像进行比对，从而通过解算衍射光图像获取隧道内壁三维形变图。

9、其中，步骤一中对二维光栅薄膜进行安装在隧道内壁表面的具体过程为：使用高压水枪对隧道内壁进行清洁，后喷射工业酒精除尘，并使用高压空气进行吹扫。将混合环氧树脂胶涂附在隧道内壁上，将薄膜按压粘贴至隧道内壁表面进行粘接剂的固化。

10、其中，所述二维光栅薄膜的光栅周期为200nm-5000nm，薄膜模板的可选加工方式包括但不限于纳米压印光刻技术、振动压印加工技术、振动刻划加工技术。

11、其中，所述二维光栅薄膜为树脂橡胶材料。

12、其中，所述光学图像采集系统包含半波片、偏振分束器、两台工业相机，所述半波片用来旋转偏振光，旋转后经过所述偏振分束器将衍射光图像分解为正交解耦图像，从而使两台所述工业相机分别接收二维光栅的横向和纵向光学衍射。通过机器学习方法对大量光栅衍射图像进行训练，获取形变-衍射关系，从而使衍射光图像解算能精准识别隧道内壁变形；

13、具体过程为：对图像数据进行双边滤波，根据基准图像与衍射光图像进行图像增强与区域提取，进行区域整合后进行边缘提取和离散化，提取轮廓进行形变解算。

14、其中，所述白色复色点光源为钠灯。

15、其中，所述二维光栅薄膜以亚微米级尺度为佳。

16、其中，图像中某像素点的二维衍射光波长，仅受入射角、衍射角、光栅周期的影响，而轻微的变形就可使三影响因素迅速发生改变从而改变衍射光图像，其二维光栅衍射图像合成与分解遵循光栅衍射公式的矢量合成分解原则。不同类型的变形在二维衍射上生成不同的特征，从而可以通过衍射光图像的解算反推出隧道内壁的变形。

17、本发明所述的一种二维光栅薄膜式隧道变形监测方法，相对于接触式测量技术，取样面积大，测量范围广，可以完全实现无人化自动化测量，可以在较低的设备成本上进一步降低人工成本。相对于反射式全站仪技术、激光扫描技术、摄影测量技术等技术，本方法仅仅使用弹性可变形薄膜、光源、光学元件及工业相机，在实现自动化测量的基础上大大缩减了成本。相对于较为接近的隧道测量摄影技术，比起后者需要对隧道复杂图像进行边缘处理和计算，本方法只需对二维光栅薄膜变形的衍射光图像进行处理，从而使图形分析的难度大大降低、精度和速度大大提高。本方法采用的光栅薄膜中，光栅间距为亚微米级，测量精度在亚微米级，远远高于目前隧道变形监测方法的毫米级精度，解决了现有技术中存在的自动化程度低、测量速度慢、成本高、精度低、数据处理缓慢、实效性差等问题。

技术特征：

1.一种二维光栅薄膜式隧道变形监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的二维光栅薄膜式隧道变形监测方法，其特征在于，

3.如权利要求2所述的二维光栅薄膜式隧道变形监测方法，其特征在于，

4.如权利要求3所述的二维光栅薄膜式隧道变形监测方法，其特征在于，

5.如权利要求4所述的二维光栅薄膜式隧道变形监测方法，其特征在于，

6.如权利要求5所述的二维光栅薄膜式隧道变形监测方法，其特征在于，

技术总结
本发明涉及隧道安全技术领域，尤其涉及一种二维光栅薄膜式隧道变形监测方法，包括如下步骤：一、将二维光栅薄粘接在隧道内壁表面；二、在隧道中部安装白色复色点光源，使复色光照射至二维光栅表面产生二维平面光学衍射；三、在设定位置安装光学图像采集系统用以接收二维光栅薄膜产生的衍射光；四、衍射光经过半波片和偏振分束器分解成正交方向的两幅解耦衍射光图像；五：隧道内壁的形变反馈到二维光栅薄膜上导致正交方向衍射光波长发生变化；六、通过对基准衍射光图像进行比对，本方法旨在解决现有技术中存在的自动化程度低、测量速度慢、成本高、精度低、数据处理缓慢、实效性差等问题。

技术研发人员：张华文,卜磊,章晓余
受保护的技术使用者：中煤科工集团南京设计研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/7