一种基于激光测距的采动裂缝监测装置及方法与流程

1.本发明涉及矿区地表监测及激光测距技术领域，并且更具体地，涉及一种基于激光测距的采动裂缝监测装置及方法。


背景技术：

2.地表采动裂缝是煤矿区常见的一种开采损害现象，尤其开采深厚比较小的矿区更为明显，然而其破坏程度也更加严重。常见的采动裂缝引起的损害有道路破断阻滞交通、建(构)筑结构错断倒塌、输电线路或埋地管线拉压破坏、土地开裂影响耕作或植被生长，甚至加剧水土流失、地表水体漏失影响人们生产生活等，对人们的生存和自然生态环境造成破坏，给人们的生命财产造成损失。因此，采动裂缝已成为矿山开采中的重要研究内容之一。
3.目前地表采动裂缝主要采用现场实测方式进行研究，常见的方法为钢尺或卷尺量距，这种方法当测距较大或地形起伏变化较大时，需要多人配合进行测量，费时费力；近年来也有采用机械装置测量的方法，如专利cn201420594768.1和专利cn201220196161.9，但需要人工读取数据，另一种为激光测距，采用激光脉冲或激光相位干涉的方法，记录从发射脉冲到接收到目标反射的脉冲之间距离。激光测距快速、准确，为了携带方便、不增加额外成本投入，有人发明了激光测距手机，如专利cn201710261248.7和专利cn201020639150.4。但无论是目前的现场人工测量、机械装置测距或者便携式激光测距，都难以兼顾便携、大尺寸观测和实时全自动观测的需求。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术中的问题，本技术提出了一种基于激光测距的采动裂缝监测装置及方法，利用激光测距和无线传输技术，实现了对大尺寸裂缝的高精度观测，避免裂缝落差或移动不确定而引起的观测数据不完整，并可自动实时采集数据和成图。
5.第一方面，本发明提供了一种基于激光测距的采动裂缝监测装置，其包括至少一个监测单元和外部计算单元，该监测单元包括：激光发射单元，其包括多个激光发射器以用于发射激光以及接收反射激光；以及激光反射单元，其包括反射板，该反射板由至少一个八连通模板组成，在使用状态下，该激光反射单元与该激光发射单元平行相对地设置于该采动裂缝的两侧；其中，该外部计算单元与该激光反射单元通信连接以接收来自激光发射单元的数据并进行计算。通过该方面的监测装置，其通过利用激光测距和无线传输技术，结合通过八连通模板的反射单元确定反射点位置，从而确定采动裂缝的三维尺寸变化。
6.在第一方面的一个实施方式中，该激光发射单元还包括发射单元主体、控制主板、数据传输天线和电源模块，多个该激光发射器、该控制主板、该数据传输天线和该电源模块均设置在该发射单元主体上。
7.在第一方面的一个实施方式中，该激光反射单元包括反射单元主体，该反射板固定设置在该反射单元主体上且其由至少一个该八连通模板按照矩阵形式邻接组成，该八连通模板包括9个具有不同反射率的反射块，该反射单元能够反射来自该激光反射单元的激
光。通过该实施方式，利用激光发射器接收来自八连通模板上的具有不同反射率的反射单元的回波信息确定反射点在八连通模板的位置，从而确定裂缝的三维尺寸变化。
8.在第一方面的一个实施方式中，该反射块为正方形，其边长构造为大于或等于该激光发射单元和该激光反射单元在相邻两次测量时刻之间错动距离的一半。
9.在第一方面的一个实施方式中，该激光发射单元包括5个激光发射器，其在该发射单元主体上呈“x”形分布。通过该实施方式，能够保证在裂缝的各种运动形式下，均有激光器能够接收到来自激光反射单元的回波信息。
10.在第一方面的一个实施方式中，该采动裂缝监测装置还包括无线数据传输中继站，其用于将该至少一个监测单元和该外部计算单元通信连接。通过该实施方式，使得在较大尺寸的采动裂缝两侧的多个监测单元的数据都能够被收集，确保对采动裂缝监测的全面性。
11.在第一方面的一个实施方式中，该激光发射单元还包括用于支撑该发射单元主体的发射单元支架，该激光反射单元还包括用于支撑该反射单元主体的反射单元支架。通过该实施方式，便于将监测单元针对采动裂缝设置。
12.在第一方面的一个实施方式中，该电源模块为蓄电池和/或太阳能光伏板。
13.第二方面，本发明提供了一种利用第一方面及其任一实施方式的采动裂缝监测装置检测采动裂缝的方法，该方法包括如下步骤：步骤1、在采动裂缝两侧布置该至少一个监测单元，每个该激光发射单元和该激光反射单元平行相对地位于该采动裂缝的两侧；步骤2、在第一时刻，该至少一个激光发射器向该反射板发射激光，并接收由该反射板反射回来的反射激光；步骤3、根据该反射激光确定在该第一时刻的反射点坐标，然后向该外部计算单元发送第一反射信息；步骤4、在第二时刻，重复步骤2和3，向该外部计算单元发送第二反射信息；以及步骤5、根据该第一反射信息和该第二反射信息确定该采动裂缝的三维尺度变化。
14.在第二方面的一个实施方式中，该第一反射信息或者该第二反射信息包括回波时间以及该反射板中的反射点坐标。通过该实施方式，能够由此确定裂缝在第一时刻和第二时刻之间的宽度变化、高度变化以及垂直于宽度方向的水平错动距离等。
15.在第二方面的一个实施方式中，该三维尺度变化包括宽度差、高度差以及垂直于宽度方向的水平错动距离。
16.在第二方面的一个实施方式中，该宽度差由以下公式计算：
[0017][0018]
其中，di为第i时刻该激光发射单元和该激光反射单元之间的距离，i为正整数，δd为第i时刻和第i-1时刻之间的宽度差，ti为第i时刻的回波时间，c为光速。
[0019]
在第二方面的一个实施方式中，该高度差为第二时刻和第一时刻的反射点坐标的纵坐标值之差与反射单元边长之积；该水平错动距离为第二时刻和第一时刻的反射点坐标的横坐标值之差与反射单元边长之积。
[0020]
本发明提供的基于激光测距的采动裂缝监测装置及方法，相较于现有技术，利用激光测距和无线传输技术，实现了对大尺寸裂缝的高精度监测，避免裂缝落差或移动的不
确定性引起的监测数据不完整，满足拉伸和压缩裂缝同时可测及实时全自动采集数据与成图的需求，能够适应复杂地形、可靠性好且可进行三维测量；另外，该装置无须人工读取数据，避免了人为因素带来的误差，可在pc端实时直观显示裂缝发育曲线，提高监测效率。
[0021]
上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。
附图说明
[0022]
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
[0023]
图1显示了根据本发明实施例的监测装置相对于采动裂缝设置的示意图；
[0024]
图2显示了根据本发明实施例的激光发射单元的结构示意图；
[0025]
图3显示了根据本发明实施例的激光反射单元的结构示意图；
[0026]
图4显示了根据本发明实施例的采动裂缝三维变化量坐标系统示意图；
[0027]
图5显示了根据本发明实施例的测点位移矢量表；
[0028]
图6显示了根据本发明实施例的监测方法的示意性流程图；
[0029]
图7至图9分别显示了采用本发明实施例的监测装置和监测方法获得的裂缝宽度、裂缝高度差和水平错动距离随时间变化的曲线。
[0030]
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。
[0031]
附图标记清单：
[0032]
100-监测单元；200-外部计算单元；300-无线数据传输中继站；采动裂缝-400；110-激光发射单元；120-激光反射单元；111-发射单元主体；112a～112e-激光发射器；113-控制主板；114-数据传输天线；115-蓄电池；117-发射单元支架；121-反射单元主体；122-反射板；123-八连通模板；123a-反射单元；124-反射单元支架。
具体实施方式
[0033]
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
[0034]
图1为本发明提供的采动裂缝监测装置相对于采动裂缝400设置的示意图。如图1所示，该监测装置包括至少一个监测单元100、外部计算单元200以及无线数据传输中继站300。该至少一个监测单元100沿着该采动裂缝400的延伸方向(优选均匀地)布置并且与外部计算单元200通信，以将每个监测单元100收集的与该处裂缝运动相关联的数据传送给该外部计算单元200，以供外部计算单元200计算和成图。进一步地，该无线数据传输中继站300能够将每个监测单元100通信连接到外部计算单元200，实现了监测数据的汇总和远程传送，提高数据传输效率。
[0035]
优选地，该外部计算单元200为计算机设备。
[0036]
在图1中为了说明的目的，仅仅示出了其中一个监测单元100。然而，未显示的其它监测单元100也应当适用于下文即将描述的结构以及工作原理。
[0037]
在图1中，该监测单元100包括激光发射单元110和激光反射单元120，其平行且相对地固定设置在该采动裂缝400的两侧。激光发射单元110能够发出激光束到相对的激光反射单元120上，并接收来自于该激光反射单元120的反射激光，根据反射激光的特性确定反射点信息，并将反射点信息传送给外部计算设备200，以确定裂缝在三维方向上的运动情
况。
[0038]
具体地，如图2所示，该激光发射单元110包括发射单元主体111、多个激光发射器、控制主板113、数据传输天线114以及电池模块。该发射单元主体111为板状结构，其用于固定和承载多个激光发射器、控制主板113、数据传输天线114以及电池模块于其上，在该发射单元主体111上开设连接孔以便于连接和安装上述部件。控制主板113与多个激光发射器和数据传输天线114电连接，使得其能够从多个激光发射器处接收发射激光，并将发射激光信息经由数据传输天线114发送给外部计算单元200，电池模块与控制主板113电连接以为控制主板113提供电力。
[0039]
可选地，本发明的电源模块可以包括蓄电池115和/或太阳能光伏板(未显示)。在图2所示的实施例中，蓄电池115和太阳能光伏板均设置在该激光发射单元110上，其中，蓄电池115安装于箱体内部，太阳能光伏板通过粘合剂或者螺栓附接在该发射单元主体111上，以保证系统长期功能需求。
[0040]
应理解，该激光发射单元110还可以设置有信号处理元件、微型处理器、电子钟等元件，其内嵌于控制主板113上，并嵌入为本系统开发的软件，实现信号处理及本系统测量单元的控制。当然，也可以在每个激光发射器内部单独设置信号处理元件。同时，多个激光发射器仅需要设计激光发射及信号接收功能，不需要信号处理元件，实现设备的小型化。数据传输天线114完成数据的汇总及交换需求，同时降低能耗与加工成本。
[0041]
在激光发射单元110中设置多个激光发射器的目的在于增大测量量程，实现仪器小型化以及裂缝三维变化量较大时可以有效采集数据，确保至少有一些激光发射器能够接收到发射激光，即在激光发射单元110和/或激光反射单元120移动后，即便有1-2个激光发射器无法接收到反射信息，其他激光发射器仍可收到回波信息，从而保证测量数据的完整性。
[0042]
在图2所示的优选实施例中，发射单元主体111上设置有5个激光发射器112a、112b、112c、112d和112e。更优选地，该5个激光发射器在发射单元主体111上呈“x”形分布。如裂缝两旁形成落差，激光发射单元110整体下降，而激光发射单元120相对上升，那么处于激光发射单元110下部的激光发射器可能接收不到回波信息，但是激光发射单元110顶部的2个激光发射器112a、112b的量程相对而言是增大了，它们可以采集激光反射单元120从上边缘至下边缘的整个回波信息，其量程也接近于整个激光反射单元120的高度；反之，若激光反射单元120相对下降，那么激光发射单元110的激光发射器112d、112e也可采集到从激光反射单元120的下边缘至上边缘整个范围内的回波信息，即便中部激光发射器112c接收不到回波信号时，上下两端的激光发射器112a、112b或112d、112e还可继续采集回波信息。同理，若位于裂缝两侧的激光发射单元110和激光反射单元120在水平方向上沿裂缝平行错动(简称“平错”)时，其左右两侧的激光发射器(112a、112d或112b、112e)也会相应的采集到激光反射单元120从左至右或从右至左的回波信息。当裂缝同时产生沿裂缝宽度、垂直裂缝宽度和竖直三个方向的较大移动时，激光发射器112a、112b、112e可能无回波信息，此时激光发射单元110可接收到激光发射器112c、112d的回波信息。
[0043]
如图3所示，监测单元100的激光反射单元120可以包括反射单元主体121以及附接在该反射单元主体121上的反射板122。具体地，反射单元主体121为板状结构，且其尺寸大于或等于发射单元主体111以确保至少有一束入射激光能够被反射。反射板122可以通过诸
如粘合剂或者螺栓等方式附接在反射单元主体上121上，也可以采用本领域技术人员所熟知的其他已知结合手段将二者结合，本文在此不作限定。
[0044]
本发明提供的反射板122用于接收并反射来自激光发射单元110的多束入射激光。具体地，该反射板122由多个八连通模板123以矩阵形式邻接而成(在图3所示的实施例中，该矩阵包括9个八连通模板123)，每个八连通模板123为由9个反射单元123a组成的方形结构，每个反射单元123a也构造成方形结构，这9个反射单元123a具有不同的针对激光的反射率。在反射板122上可以建立虚拟坐标系，每个反射单元123a在该虚拟坐标中均具有对应的坐标，如图5所示。激光发射单元110的激光发射器能够根据接收到的反射激光确定其是由哪个反射率的反射单元123a反射而来，继而确定反射点在反射板122上的坐标。
[0045]
应理解，激光发射单元110采用多个激光发射器的另一目的是避免因激光回波信号被障碍物遮挡引起信息采集的错误。具体而言，激光发射器结合八连通模板123的反射率信息，在数据记录过程中只记录在固定区间的反射率测量值，当反射率信息与已有的9种材料反射率信息偏差较大时，则不记录该测量值，将其值记录为空，该功能可进一步的保证测量数据的准确有效性。
[0046]
在该监测装置运行过程中，激光发射器以适当的频率(时间间隔)反射板122发射激光束，因此，为了更加精准地监测裂缝运动情况，可以根据经验以及历史监测资料，将反射单元123a的边长构造成大于或等于在相邻两次测量之间，激光发射单元和激光反射单元相互错动距离的一半，这样可以及时地判断反射点在八连通模板上移动的距离以及方向，更加快速地了解裂缝的运动情况。
[0047]
应理解，本发明提供的至少一个监测单元100均具有对应的唯一标识码、专有数据存储结构以及数据处理算法原理。本发明的专有数据存储结构，单条示例数据为：
[0048]
a001003 201808091308 120501 120603 120308 120607 120609
[0049]
其中a001003为监测单元100的标识码，用于记录监测单元位置，201808091308标识监测数据获取日期及其时间，120501标识激光测量的数据，前4位表示测量距离，单位为mm，后2位基于反射率表示入射位置的材料。
[0050]
优选地，该激光发射单元110还可以包括用于支撑发射单元主体111的发射单元支架117，激光反射单元120具有用于支撑反射单元主体121的反射单元支架124，通过这种方式，能够更加方便地将激光发射单元110和激光反射单元120布置在裂缝的两侧，同时提升监测单元的稳定性。
[0051]
图6为本发明提供的监测方法600的流程图。如图6所示，该监测方法600包括如下步骤：
[0052]
s610、在采动裂缝两侧布置该至少一个监测单元，每个该激光发射单元和该激光反射单元平行相对地位于该采动裂缝的两侧；
[0053]
s620、在第一时刻，该至少一个激光发射器向该反射板发射激光，并接收由该反射板反射回来的反射激光；
[0054]
s630、根据该反射激光确定在该第一时刻的反射点坐标，然后向该外部计算单元发送第一反射信息；
[0055]
s640、在第二时刻，重复s620和s630，向该外部计算单元发送第二反射信息；以及
[0056]
s650、根据该第一反射信息和该第二反射信息确定该采动裂缝的三维尺度变化。
[0057]
具体地，激光发射器接收到的来自反射板122的反射激光，并将其中包含的反射信息发送给外部计算单元200，其中，该反射信息包括回波时间t以及反射点坐标，外部计算单元200根据该反射信息确定该采动裂缝在监测单元布设位置处在两个测量时刻之间的宽度变化δd、高度变化δh以及垂直于宽度方向的水平错动距离δl，如图4所示。
[0058]
宽度差δd由以下公式计算：
[0059][0060]
其中，di为第i时刻该激光发射单元和该激光反射单元之间的距离，i为正整数，δd为第i时刻和第i-1时刻之间的宽度差，ti为第i时刻的回波时间，c为光速。
[0061]
高度差
△
h、垂直于宽度方向的水平错动距离
△
l，是通过获取测量激光反射率结合设计的八连通反射板信息判断两次测点位置的变化，并结合位移矢量表(图5)进行计算，从而得到三维的变化信息。例如，假设原始位置为(x,y)，根据前后两次入射位置的变化，其移动增量(a,b)，移动后数据为(x a,y b)，则高度差
△
h为|b|
×
反射单元边长，水平错动距离
△
l为|a|
×
反射单元边长。监测结果以居中的激光发射器112c为主，但同时记录其他激光发射器的坐标信息，当极端情况下则选取任一测量值作为监测结果，并用激光发射器112c监测数据进行校正。
[0062]
在内蒙某矿地表采动裂缝调查中采用了本监测装置，具体过程如下：
[0063]
加工完成激光发射单元110、激光反射单元120后进入现场进行布设。在沉陷监测区域选择裂缝发育地带，合理调整支架117、124，分别在裂缝两侧布设激光发射单元110、激光反射单元120，布设时保证激光发射单元110与激光反射单元120平行，启动该监测装置并记录该监测单元100的标识码及首次测量的基础数据，包括裂缝的初始宽度、反射率信息、首次测量距离、装置坐标位置，即完成一个监测单元100的布设。当完成多个监测单元的布设之后，在监测区域中心或者信号较好的地点布设无线数据传输中继站300，实现监测数据的汇总及远程传递，最后在室内利用诸如计算机的外部计算设备200获取传输数据，并实现实时数据处理、表达及其成图的工作。图7至图9为通过上述过程获得的3条裂缝的裂缝宽度、裂缝高度差和水平错动距离随时间变化的曲线。
[0064]
通过本发明提供的基于激光测距的采动裂缝监测装置及方法，利用激光测距和无线传输技术，实现了对大尺寸裂缝的高精度监测，避免裂缝落差或移动的不确定性引起的监测数据不完整，满足拉伸和压缩裂缝同时可测及实时全自动采集数据与成图的需求，能够适应复杂地形、可靠性好且可进行三维测量；另外，该装置无须人工读取数据，避免了人为因素带来的误差，可在pc端实时直观显示裂缝发育曲线，提高监测效率。
[0065]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0066]
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神
和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。