激光隧道断面测距仪在输水隧洞中的应用

2020-07-21孙德刚

河南水利与南水北调 2020年6期

关键词：测距仪隧洞脉冲

孙德刚

（新疆水利水电勘测设计研究院）

0 引言

激光隧道断面距测仪在工程检测中应用广泛，特别对于隧道施工来说，在进行测量隧道超欠挖施工时，就可以应用激光隧道断面测距仪，它具有体积小、重量轻、操作简便的特点，可以更好地控制施工。

1 激光与激光断面测距仪的概述

1.1 激光概述

激光，从字面上的理解就是“受激辐射而放大的光”。激光从20世纪60年代出现，在短短几十年的时间内得到了飞速的发展。激光具有单色性、能量集中以及方向性良好的特点，所以在很多测量工作中都得到了很好的应用。激光的发现不但使得测量方式有所变革，还大大提高了测量的精确度。其中，目前应用较为广泛的一项技术就是激光测距。在国内外市场上，用于激光测距的系统已经有了100 多种类型，测试与量取的单位可以准确到毫米。从当前十几年来的发展情况来看，我国的激光测距仪的研究与使用取得了一定的成就，目前，我国已经研究并生产出很多类型的激光测距仪，武汉地震研究中心相继研发出了+、JcY-aJcY型激光测距仪。

1.2 激光断面测距仪概述

激光断面测距仪指的是通过对激光的应用来实现测量目标距离的仪器。在实际工作时，激光断面测距仪会朝着测量目标物发射出一束激光，目标物会将激光发射回去，光电元件用于接收其反射光，通过对计时器的利用来测量与确定发射到接收之间持续的时间，这样就可以计算出从观测者到目标之间的距离。

激光断面测距仪是在激光测距技术与精密数字测角技术的基础上设立起来的。极坐标测量法和现代互联网技术利用专业的图像处理软件，可以很快得到隧道断面图，并与设计图进行对比，从而获取检测报告。另外，激光断面测距仪的内存容量非常大，所以在测量现场不需要使用计算机就可以测量。

2 激光测距原理

一般而言，采用激光测量距离的方法主要有激光脉冲测距法和激光相位测距法。这两种方法之间的相似之处为：它们全是通过测量设备到被测目的地来回经过的时间t，来算出距离D，具体的计算公式如下：

式（1）中：指的是空气中的光速。

2.1 激光脉冲测距法

利用激光脉冲测距法进行实际测量时，具体的工作步骤如下：从激光器中发射出发一道非常短的脉冲波，通过被测量物的反射后，这一脉冲光就会按原路返回，反射光由光电探测器接收，根据主波和回波信号产生的时间，按照公式（1），就可以算出被测量物的距离是多少。

上边所说的时间主要是通过钟频脉冲数计算出来的。针对激光测距系统而言，钟频脉冲发生器一般会每秒发射超过3 000万个脉字电。因此，单个脉冲的时间为1/3 000万。除此之外，测距系统内所包含的计数器会将激光脉冲发射到被测量物反射光的钟频脉冲的数量计算出来，截至接收到回波信号，这样就能得到激光脉冲到目标的来回时间间隔。

假定N是计数器计到的脉冲个数，f是计数脉冲的频率，则：

将式（2）代入式（1）得：

2.2 激光相位测距法

激光相位测距法也就是将光源调整为频率为f的交变光，交变光经被测量物反射后，会通过光电探测器来对其进行接收。

假如，调制光经距离D 的来回后发生的相位变化是H，则光由发射到接收所经过的时间t为：

式（4）中，k 为调制光的调制角频率，将式（4）代入式（1）中：

3 激光断面测距仪进行断面测量的检测方法

首先，选取要测量的隧洞断面，从地面上找取一个标志处，并要尽可能保持三脚架的中间与地面标志处对准。在对断面进行测量之前，隧道应提前用经纬仪或全站仪放了点，在三脚架的最上端放置设备，并将螺丝钉拧紧固定好，这样就完成了仪器的安装工作；其次，打开仪器开关，仪器会先进行自我检查，并会跳入主菜单中，待仪器处于脱机模式的时候，要将激光器点亮，这时候仪器就会自己转到激光所指的与地面垂直的方向，并保持不动。在这种情况下，慢慢移动三脚架上的仪器，观测圆水准的位置，如有必要，还应调节三角架的位置，确保激光在地面的位置与中心标志处相吻合，这时就能够测量选定的断面。