一种基于光电感应的变形监测装置及方法与流程

本发明涉及变形监测，具体是一种基于光电感应的变形监测装置及方法。

背景技术：

1、土木工程、地质灾害防治等领域，建筑物结构稳定性监测和边坡变形监测等应变变形变位监测至关重要，其监测结果直接关系到人员生命财产安全。目前常用的变形监测技术包括gps/gnss定位监测、全站仪监测、光纤传感监测等。

2、gps/gnss定位监测技术易受遮挡、电磁干扰等因素影响，在山区、峡谷、城市建筑群监测精度难以保证，且设备安装、维护及专业数据处理需要较高投入，且依赖专业技能；全站仪监测依赖人工操作，自动化程度低，无法实现24小时连续监测，且长期监测的人力成本较高；光纤传感监测技术虽然精度较高，但光纤铺设成本昂贵，易受施工破坏，维护难度大。

3、现阶段监测行业常用的棱镜监测技术中，棱镜仅作为光学反射元件，需要全站仪设备主动发射光线并接收反射光，设备体积较大，且对监测环境的光照条件较为敏感，在强光或低光照环境下易出现监测数据失真的问题。因此，亟需一种成本低、自动化程度高、适应复杂环境的变形监测技术。

技术实现思路

1、针对现有变形监测技术中存在的精度易受环境影响、自动化程度低、成本高的问题，本发明提供一种基于光电感应的变形监测装置及方法，通过点光源发射与光电接收的配合，结合几何计算实现对监测点变形的精准、实时、自动化监测。

2、本发明具体提供如下技术方案实现上述目的：

3、本发明提供一种基于光电感应的变形监测装置及方法，包括：

4、点光源发射单元，部署于3个及以上不共线的固定基准点，包括光源发生器、光学准直器、角度锁定模块和位置标定模块；所述光源发生器产生的光线经光学准直器处理后形成平行度高的窄束点光源，角度锁定模块通过双轴倾角传感器与陀螺仪组合确保光源发射角度长期稳定，位置标定模块预先记录并存储每个光源的绝对坐标（xᵢ0，yᵢ0，zᵢ0）与发射角度参数作为空间解算基准，用于发射方向稳定的单色点光源；长期稳定是误差≤0.01°/月；发射角度参数包括水平发射角αᵢ0和垂直发射角βᵢ0；

5、光电感应监测单元，布置于建筑物或边坡的待监测点位，外形呈类棱镜结构，顶部设有采用高密度阵列式光电感应元件的光电接收器，具有固定接收视场角，可精准识别各光源光点在感应面上的像素坐标（x'ᵢ，y'ᵢ）；单元内置姿态传感器实时记录自身姿态数据，还包括同步采集模块和无线通信模块，同步采集模块用于关联存储光点坐标与姿态数据，无线通信模块将数据实时传输至数据处理单元；

6、数据处理单元，包括数据同步接收模块、空间解算模块、变形量融合模块和结果输出模块；数据同步接收模块关联接收各监测单元的光点坐标与姿态数据及各光源的基准参数；空间解算模块基于多光源空间位置与光点坐标，通过空间交汇法计算监测点实时坐标；变形量融合模块结合姿态数据修正解算结果得到精准变形量；结果输出模块以可视化形式展示变形数据并存储。

7、前述的基于光电感应的变形监测装置中，所述点光源发射单元中，角度锁定模块通过双轴倾角传感器与陀螺仪的组合，实时监测并调整光源发射角度，使发射角度误差在每月内不超过0.01°。

8、前述的基于光电感应的变形监测装置中，所述光电感应监测单元中，所述姿态传感器为三轴加速度计与电子罗盘的组合，用于精确测量单元的倾斜角和旋转角，为后续数据处理提供准确姿态信息。

9、前述的基于光电感应的变形监测装置中，所述光电感应监测单元的同步采集模块，按照“时间戳+光源编号+像素坐标+姿态参数”的格式，将采集到的光点坐标与姿态数据进行关联存储，确保数据的准确性与可追溯性。

10、前述的基于光电感应的变形监测装置中，所述数据处理单元的空间解算模块，基于多光源空间位置与光点坐标，通过构建并求解由多个空间直线方程组成的超定方程组，利用最小二乘法得到监测点实时坐标，且解算残差控制在0.2mm以内视为有效数据。

11、前述的基于光电感应的变形监测装置中，所述数据处理单元的变形量融合模块，结合光电感应监测单元的姿态数据对空间解算模块得到的监测点实时坐标进行修正，具体通过将实时像素坐标代入预校准模型得到各光源到监测点的实时入射水平角和垂直角，并结合姿态数据γt、δt对入射角度进行修正，得到修正后入射角θ'ᵢt=θᵢt-γt、φ'ᵢt=φᵢt-δt，从而计算出精准变形量。

12、前述的基于光电感应的变形监测装置中，所述结果输出模块，除了以可视化形式展示变形数据并存储外，还能够根据预设的时间周期输出累计变形量及变形速率；时间周期包括日和周。

13、一种基于所述装置的变形监测方法，括以下步骤：

14、s1：多光源部署、标定与参数初始化：

15、在监测区域选取3个及以上三维空间不共线固定基准点s1-sn（n≥3），安装点光源发射单元，标定各光源的绝对坐标sᵢ（xᵢ0，yᵢ0，zᵢ0，（i=1，2，...，n））及发射角度参数αᵢ0和βᵢ0，录入数据处理单元并锁定；

16、在待监测点位p安装光电感应监测单元，调整姿态使各光源光点均落在光电接收器感应面中心区域；记录各光源光点在感应面上的初始像素坐标（x'ᵢ0，y'ᵢ0），并标定感应面与监测点安装基准的几何关系；

17、校准光电接收器像素坐标与入射角度的映射关系：通过精确调整监测单元角度，建立“光点像素坐标（x'，y'）-光源入射水平角θ-入射垂直角φ”的校准模型θ=f（x'）、φ=g（y'），确保角度解算精度≤0.01°；

18、s2：多光源信号同步采集：

19、启动所有点光源发射单元，采用时间同步触发机制（如gps授时或有线同步信号）确保光源同时发射点光源；

20、光电感应监测单元的阵列式接收器同步采集各光源的光点信号，通过数据采集模块记录两个关键数据：各光源光点在感应面上的实时像素坐标（x'ᵢt，y'ᵢt），以及单元自身的实时姿态数据，姿态数据包括水平倾斜角γt、垂直倾斜角δt和旋转角εt；

21、数据按“时间戳+光源编号+像素坐标+姿态参数”的格式打包，通过无线通信模块传输至数据处理单元，采集频率根据监测需求设为1-10hz；

22、s3：空间交汇解算与变形量计算：

23、入射角度反推：将实时像素坐标（x'ᵢt，y'ᵢt）代入预校准模型，得到各光源到监测点的实时入射水平角θᵢt和入射垂直角φᵢt；结合监测单元姿态数据γt、δt、εt，修正入射角度以消除光电感应单元自身姿态变形的影响，得到修正后入射角θ'ᵢt=θᵢt-γt、φ'ᵢt=φᵢt-δt；

24、多光源空间直线方程构建：以每个光源sᵢ的基准坐标（xᵢ0，yᵢ0，zᵢ0）为起点，结合光源水平发射角αᵢ0、垂直发射角βᵢ0、修正后入射水平角θ'ᵢt和修正后入射垂直角φ'ᵢt，，构建各光源到监测点pt的空间直线方程，空间直线方程代表光源点sᵢ到监测点p的光线路径；具体以每个光源基准坐标sᵢ（xᵢ0，yᵢ0，zᵢ0）为起点，以光源固有发射方向确定方向向量di，以实时入射方确定方向向量ri，由方向向量di和ri共同确定修正后的方向向量vi；结合光源sᵢ的基准坐标与方向向量vi，构建各光源到监测点pt的空间直线方程：

25、（x-xᵢ0）/vix=（y-yᵢ0）/viy=（z-zᵢ0）/viz（i=1，2，...，n）；

26、式中，（x，y，z）为空间直线上任意一点坐标；

27、vi=(di+ri)/||di+ri||，其中||||表示向量模长；

28、di=（cosβᵢ0・cosαᵢ0，cosβᵢ0・sinαᵢ0，sinβᵢ0)；

29、ri=（cosθ'ᵢt・cosφ'ᵢt，cosθ'ᵢt・sinφ'ᵢt，sinθ'ᵢt）；

30、监测点实时坐标求解：n个光源对应n条空间直线，形成超定方程组；采用最小二乘法求解方程组，得到监测点pt的实时绝对坐标（xt，yt，zt），解算残差控制在0.2mm以内视为有效数据；

31、变形量输出：计算实时坐标与初始坐标的差值，得到三维变形量：δx=xt-x0，δy=yt-y0，δz=zt-z0；结合时间序列数据，输出累计变形量及变形速率；

32、s4：数据验证与分级预警：

33、精度验证：计算各空间直线到解算坐标pt的距离，当所有残差≤0.2mm时判定数据有效；若某光源残差＞0.2mm，标记为异常光源并剔除，使用剩余光源重新解算；

34、分级预警：预设三级预警阈值；当变形量达到对应阈值时，通过本地声光报警、远程平台推送、短信通知等方式触发预警，并附解算过程数据供追溯。

35、前述的变形监测方法中，在多光源部署、标定与参数初始化步骤中，对每个点光源发射单元的位置标定模块进行参数设定时，通过高精度测量设备获取绝对坐标与发射角度参数，以保证标定的准确性。

36、前述的变形监测方法中，在数据验证与分级预警步骤中，对于不同类型的监测对象，采用不同的预警阈值设定策略，以满足不同工程场景的监测需求；当监测对象为建筑物或边坡时，三级预警阈值为一级预警δz=3mm，二级δz=5mm，三级δz=8mm；边坡：一级δ=10mm，二级δ=15mm，三级δ=20mm。

37、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

38、1.本发明监测精度高：基于3个及以上光源的空间交汇约束，采用阵列式光电感应元件精准识别光点位置，配合姿态修正算法，可有效抵消单一光源的角度误差，通过空间几何关系推导变形量，监测误差可控制在亚毫米级。

39、2.本发明抗干扰与稳定性好：利用姿态传感器对入射角进行实时修正，消除了监测基准点自身微小位移对测量结果的干扰，保证了长周期监测数据的稳定性；同时，多光源冗余设计避免了单点故障导致的系统瘫痪。

40、3.本发明自动化程度高：点光源发射单元与光电感应监测单元可实现24小时连续工作，数据采集、传输与解算过程全自动化，无需人工干预，降低了人力成本。

41、4.本发明成本低：装置结构相对简单，点光源发射单元和光电感应监测单元的制造成本较低，无需铺设复杂的传输线路，安装与维护便捷。系统功耗低，易于实现太阳能供电和无线传输，大幅降低了工程部署与维护成本。

42、5.本发明环境适应性强：光电接收器具有固定的接收角度和光谱滤波能力，可有效抑制杂散光干扰，在昼夜、阴晴等多种光照条件下均能稳定工作，适用于复杂野外环境。

43、6.本发明工程适用性广：采用非接触式测量方式，量程大、安装便捷，特别适用于大跨度桥梁、高陡边坡及高层建筑等复杂场景的远距离、多测点同步监测。