（光学工程专业论文）全自动真空激光大坝变形测量系统的研制.pdf

大连理j ：大学博士学位论文 摘要 大坝工程既代表了巨额投资和巨大的经济、社会效益，同时又蕴含着潜在的成灾风 险。对此，各国都极为关注，并不遗余力设法降低大坝失事风险，大坝安全管理是其基 本环节，而大坝监测则是实现安全管理的必要手段。 大量的事例表明：在大坝安全监测中，变形监测工作在及早发现问题，防止大坝失 事、减轻灾害损失等方面已经取得了十分显著的成效。 本论文的主要工作是为辽宁省役窝水库研制一套全自动真空激光大坝变形测量系 统，主要工作内容如下： 1 本文采用数值模拟的方法，通过建立一个典型的数学模型，对真空激光波带片 衍射成像系统进行了详细的理论分析和数值模拟，得到了若干对系统设计和实 施有指导意义的结论；总结光路部分的计算结果为，真空激光波带片系统具有 良好的成像特性，对各种常见的影响因素，如激光漂移，波带片的装设位置误 差等，有很强的抗干扰能力，是一种稳定的大尺寸范围成像测量系统。 2 以数值模拟的结论为基础，为辽宁省莅窝水库研制开发出了一套全自动真空激 光大坝变形测量系统，该系统的主要特点为：测量精度高，可同时测量大坝的 水平垂直位移，精度为o 1 m m ；自动化、智能化程度高，整个系统实现了全 自动运行；采用全密封设计：具有远程通讯、控制能力。在系统研发过程中， 开发出了两种用于真空激光大坝变形测量的新技术，细径测量技术和接收端技 术( 己申请发明专利) 。 3 系统研制完成后于2 0 0 3 年6 月进入莅窝水库现场安装调试，并于2 0 0 3 年8 月 投入试运行，经过一年多的试运行，系统运行稳定，取得了大量测量数据。通 过对数据的分析确认测量数据能够真实地反映大坝的变形。由于系统的高度自 动化，可以对大坝进行连续不问断的变形测量，通过系统的高分辨率测量，发 现了大坝以2 4 小时为周期的变形规律，为提高大坝安全监测水平提供了一种 新的途径。 经过一年多的试运行考核，系统完全达到了设计要求，于2 0 0 4 年1 0 月份通过工程 验收。 关键词：真空；激光；波带片；大坝变形；自动化 全自动真空激光大坝变形测量系统的研制 d e v e l o p m e n t o fa u t o m a t i cv a c u u ml a s e r z o n e - p l a t ed a r n d e f o r m a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m a b s t r a c t n o r m a l l y ，d a mp r o j e c tm e a n ss u b s t a n t i v ei n v e s ta n dm i n ts o c i a la n de c o n o m i c a lb e n e f i t ， b u ta tt h es a m et i m e ，i tm e a n sh u g ep o t e n t i a ld i s a s t e rr i s k a l lt h ec o u n t r i e sh a v ep a ya t t e n t i o nt o t h er i s ka n dh a v es p a r e d1 1 0e f f o r tt or e d u c ei t d a ms a f e t yc o n t r o ls y s t e mi st h eb a s i cs e g m e n t ， d a mh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e mi se s s e n t i a lw a yt or e a l i z ed a m s a f e t yc o n t r 0 1 d e f o r m a t i o nm o n i t o r i n gi sp a r to f d a mh e a l t hm o n i t o r i n g m a n ye x a m p l e sp r o v e dt h a t d e f o r m a t o nm o n i t o r i n gi sav e r ye f f e c t i v em e t h o do nf i n d i n ga b n o r m a ld a ms t a t e sa n d p r e v e n t i n gd m n f r o mf a t a la c c i d e n t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w ed e v e l o p e da l la t t t o m a t i cv a c u u ml a s e rd a md e f o r m a t i o nm o n i t o r i n g s y s t e mf o rs b e n w o r e s e r v o i rl o c a t e di nl i a o n i n gp r o v i n c e t h em a i nc o n t e n t so f t h i s d i s s e r t a t i o na r ec l a s s f i e di n t ot h r e ep a r t s ： 1 w eb u i l dac l a s s i c a lh u m e r i c a lm o d e lo f v a c u u m1 a s e rz o n e p l a t ed i f f r a c t i o n s y s t e m t h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o no f t h em o d e l ，w eg e ts e v e r a li m p o r t a n t c o n c l u s i o n s ，t o t a l l y ，t h ev a c u u ml a s e rz o n e p l a t ed i f f r a c t i o ns y s t e mh a sg o o d i m a g i n gc h a r a c t e r i s t i ca n d i sr o b u s tt od i s t u r b a n c e ss u c ha sl a s e rb c a n ad r i f ta n d p o s i t i o ne r r o ro f z o n e - p l a t e 2 s e t u pu pt h es y s t e ma c c o r d i n gt ot h ec o n u h i s i o n so f n u m e r i c a ls i m u l a t i o n m e r i t s o f t h es y s t e ma r ew i t hh i g ha c c u r a c y ( o 1 n u n ) ；v e r t i c a la n dh o r i z o n t a ld e f o r m a t o n m e a s u r e m e n ts i m u h a n e o u s ；a u t o m a t i ca n di n t e l l e c t u a lm e a s u r e m e n t ；t o t a l l y e n d o s e d ，t e l e c o n m m n i c m i o na n dl o n g r a n g ec o n t r 0 1 t w on e w l yi n v e n t e d t e c h n o l o g y s ，n a r r o wt u b et e c h n o l o g ya n dl a s e rr e c e i v e rt e c h n o l o g y ，w e r e p r o p o s e da n dg o tp a t e n t e d 3the s y s t e mw a si n s t a l l e di nj u n e2 0 0 3a n dw a sp u ti n t ot e s tr u ns i n c ea u g u s t 2 0 0 3 d u r i n g f i l et e s tr u nm o r et h a no n e y e a r ，t i l es y s t e mw o r k ss t a b l ya n d a c c u r a t e l y t h r o u g ha n a l y s i so f d e f o r m a t i o nd a t a ，a2 4h o u r sd e f o r m a t i o np e r i o d o f t h ed a mh a sb e e nf o u n dw h i c hc a nb e u s e da san e w p o s s i b l ew a y t oi n c r e a s e d a r ns a f e t yc o n t r o l l e v e l 1 i 大连理1 人学博十学位论文 a f t e rt e s tr u n ，t h es y s t e mh a sp a s s e dt e s ti no c t o b e r2 0 0 4a n dr e c e i v e dg o o dc o m m e n t s f r o ml h er e s e r v o i ra d m i n i s t r a t i o n k e yw o r d s ：v a c u u m ；l a s e r ；z o n e - p l a t e ；d a md e f o r m a t i o n ；a u t o m a t i c i i i 。 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名：墨彪 日期： 工一只1 ，王 全自动真空激光大坝变形测量系统的研制 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名：逝蛐 乏! ! 年丝月生日 一1 0 0 大连理工大学博士学位论文 1 绪论 1 1 引言 关于大坝的原型观测始于本世纪初，1 9 1 4 年德国瓦尔捷克尔坝首次使用遥测温度 计，1 9 2 6 年美国斯吉温逊科里克拱坝首次应用遥测应变计，1 9 4 5 年竣工的夏斯塔重力 坝( 美国，坝高1 8 3 m ) 进行了原型观测【l 】。1 9 5 9 年法国马尔巴塞拱坝失事和1 9 6 1 年意 大利瓦依昂拱坝库岸滑坡，使各国坝工界深感震惊，巨大的损失和沉重的教训大大推动 了大坝观测的发展，观测对大坝安全运行的作用开始受到重视，观测的项目也从温度、 应变、位移等扩展到渗压、渗流、裂缝、动力观测等等在内的全面观测。 1 2 大坝安全监测的意义 大坝工程既代表了巨额投资和巨大的经济、社会效益，同时又蕴含着潜在的成灾风 险。在不到一个世纪的时间跨度里，由于各种原因，几乎所有国家都发生过大小不同的 垮坝事件。根据国际大坝委员会的统计【2 】，4 3 个成员国的8 9 2 5 座大坝中垮坝1 3 5 座 ( 占1 5 1 ) ；美国大坝委员会1 9 7 5 年、1 9 8 8 年资料统计5 4 5 0 座大中型水库，垮坝 8 9 座( 占1 5 3 ) ，见表1 1 。我国按中国水旱灾害编委会资料，1 9 5 0 , + 1 9 9 0 年期 间大型水库3 6 7 座中垮坝2 座( 占o 5 5 ) ，中型水库2 5 2 4 座中垮坝121 座( 占 4 7 9 ) 。如表1 1 ，美国和世界其他43 国统计每坝年度垮坝概率o 9 5 和1 0 9 ，我 国大中型水库如按照平均运行年限为2 5 年计，垮坝率为1 7 7 ，明显高于国外，表明 我国大坝总体水平尚有差距，在提高大坝安全等方面需做出更大努力。 在近一个世纪里，垮坝率由于天气气候、地震活动、建筑科技、社会经济等因素的 影响而有所波动，但垮坝率仅略有下降而基本持平，并没有出现人们所期望的、随着科 技突飞猛进和社会经济巨大发展而出现大幅度下降。这是一种值得关注的反差，启示我 们必须作出切实努力提高大坝安全度 2 1 。降低大坝的失事风险，大坝安全管理是其基本 环节，而大坝监测则是实现安全管理的必要手段，对此各国都极为关注，并不遗余力采 用更多地技术手段【3 川，从更多的角度i s - ”1 去观测了解大坝的运行状态，设法加强对大坝 运行状态的监测。 全自动真空激光太坝变形测量系统的研制 表1 1 美国和世界其他4 3 国大中烈水库垮坝统计袭 t a b l e1 1d a m - b r e a ks t a 鼬i e $ a m o n gl a r g ea n dm e d i u ms c a l ed a m si n4 3c o u n t r i e sa n d a m e r i c a 统诗范围中国美国其镳4 3 莺 统计水库总数( 座) 2 8 9 15 4 5 08 9 2 5 垮赖数( 痊) 1 2 38 9 1 3 5 垮坝发生在头5 年的百分比( )( 无统计) 5 0 o5 3 ，0 垮坝率( ) 4 2 51 6 31 5 l i 筝餐薅翁承疼乎垮王箨年羧 2 5 1 7 1 61 3 9 2 垮坝概率( ) 1 7 7o 9 51 0 9 另，从坝工技术角度来说，缀然筑坝技术已有几千年历史，但大坝工程始终没有成 为一f j 密静科举，因为大坝工耩，是一种包含着许多随机的或不确定韵潮索的庞大的 系统工剃1 2 1 ，因此，加强大坝安全监期4 至关重要。一方面安全监测的任务农于随时了解 大坝的运行状况，及时发现预报辫常状态，特别怒险情，以确保大坝安全；另一方面， 避过对大坝运褥状态数据躲计算努板，有助予坝工理论的不鼗完善秘筑埂技术数提蹇。 搴实上已经有越来越多的监测设备在服务于大坝安全管理的同时也在服务予坝工理论的 遴步，必凌王理谂鼓及穗荚顿域豹进步巍宠善提供技本秽数据支持吲。 1 3 关予大凌变形鉴测 目前园内外都非常薰视在大坝上设置一套完善的观测系统，而且都趋向于采用技术 饿能优越的自动诧蓝漠l 系统或集中遥测酶半自动纯系统，黻便准确，可靠，及时地采集 和处理大坝安全旅测数据，解决人工观测的精度麓，可靠陡低，周期长等闯题。这也已 成为现代坝工管瑷的一个方向。大坝安全监测是包括应型1 4 1 、温度、位移、渗压、渗流 f 1 5 】、裂裂1 a l 、动力波测等等在内的全嚣鼹测。逛3 0 年寒，由于大缎安全整溅基盏受戮 擞视，国内外监测的经验移 累日盏增多。大量的事例表明：变形监测工作猩及早发现问 2 大连理工大学博士学位论文 题，防止大坝失事、减轻灾害损失等方面已经取得了十分显著的成效。因此变形观钡i 技 术以及相应的分析理论处理技术”7 - 2 3 也得到了长足的发展。 大坝外部变形监测的项目一般分为：水平位移监测、垂直位移监测、水平垂直位移 同时监测、挠度监测和倾斜监测等 2 5 倒，下面分述目前各种变形监测的主要手段： 1 3 1 水平位移监测 水平位移监测方法有视准线法，引张线法，正、倒垂线法精密导线法和前方交会法 等。 1 3 1 1 视准线法 视准线法是在两个测量基点之间通过光学视准线建立一条基准线，测量各测点偏离 该基准线的偏离值。常用于直线型大坝的水平位移观测，对于非直线型大坝，可采用分 段视准线的方法施测。视准线法的特点是工程造价低，但精度低，不易实现自动观测，受 外界条件影响较大，而且变形值( 位移标点的位移量) 不能超出该系统的最大偏距值，否则 无法进行观测。提高视准线法精度及自动化程度的措施有：改进观测技术和操作方法，选 用高精度仪器，如t c a 2 0 0 3 自动跟踪全站仪 a o - 3 4 。 1 3 1 2 引张线法 引张线法是在两个固定的测量基点之间拉一根钢丝，为保持钢丝的水平，隔一定距 离有一个浮子( 或浮船) 来托起钢丝。这样钢丝就作为水平方向变形测量的基准，采用 手动或自动的设备来读取大坝测点相对于钢丝位置的变动。特点是成本低，精度高( 主要 取决于读数精度，人工读数精度为0 2 o 3m ，自动读数精度优于o 1 m m ) ，受外界条 件影响较小，应用较普遍d 5 胡。最新的引张线测量系统常采用线阵c c d 传感器，能实现自 动读数，其量程为几厘米，精度优于o 1 m m 。引张线法的发展趋势是双向引张线，它既能 够观测水平方向的位移，又能观测垂直方向的位移，提高了观测效率。缺点是浮船本身的 自由浮动需要人工维护来保证，且当测量距离大于几百米以上时，保持引张线本身的稳 定较为困难。 1 3 1 3 正倒垂线法 正、倒垂线法，是在坝体上钻垂直孔，如果是倒垂线，通常要求钻孔深达基岩，将 垂线( 钢丝) 锚固在孔底，垂线的另一端用浮子绷紧，可提供一个垂直的基准线。正垂 一3 全自动真空激光大坝变形测量系统的研制 线与倒藏线相反，垂线的上端固定，下端用重锤绷紧。该方法既可以实现水平位移监测 船，又霹实瑷滢凝主凌静瓷度蕊溯器渊。掰近磋铡豹垂线残溺役采蠲线薄c c d 簧感嚣， 实现了读数自动化。在x ，y 方向上的坐标变化值采集精度优于o 1 m 。 1 3 1 4 精密导线法 精密导线测爨法主要用于监测拱坝的水平位移【4 “。此法应用较为广泛，但量边工作 最大，角度观测受空气温度梯度造成的光线偏折影响较大。为此，研布设成蹙似于搿能 谚理鸯8 逮器工程中懿测褰壹 枣强形鼹，遴避畏l 量狻长三蹙彩鼓边妖秘裹鳇途径，寒阕搂 提高测角精度。该法的精度取决于量边精度，如果用铟钢线尺量边，或m e 5 0 0 0 测距仪 溅边，耩度霹鞋这囊委蘸张缀。 1 3 1 5 前方交会法 在备稃永王建筑物酌施工阶段或已建成的拱竣下游磷、拱冠等观测效率较低鼓观测 时不易纛接到达的部位，可以用i 贝4 边、测角或边角前方交会法测定篡水平位移。前方交 会法由于受测角误差、测边误差、交会角及图形缩构、基线长度、外界条件的变化簿因 素影响，髓度较低，一般必圭( 1 3 ) 隰。是钤，其鼹测工终爨较大，计算过程较复杂，数不 单独使用，而是常作为各用手段或配合其他方法使用。 1 3 2 垂赢蕴移婺测 垂赢位移监测的主要方法有几何水准法和流体静力水准法( 连通管法) 。 1 3 2 1 凡街永准法 几何水准法的基本服理为借助水准仪上的水准器将视准轴置平以建立水平视线，根 据水平视线在不间地点竖立的水准尺上的读数，求得不同点之间的罱差。怒垂直位移监 测的零用方法，精度容易满足，徨主要闽题是如何安l 贼测甄动佬。嗣蔻，其褒自动采 集、储襻资料的电子水准仪已在擞产中使用，其精度可达( 0 3 0 4 ) 唧( 姆千米往返 测褰差审数夔孛溪差) ，王终效率明显提麓。 1 3 2 2 流体静力水准法 流体静方承准法溅豢骧理是漆运营簸瑾，裁麓滚俸翁液面壹麓承平韵特往来建供一 个水平测量基准。该法徽容易实现读数及传输的自动化，测量精度优于o 1 m ，在蘧直 位移益测中有着广泛的成爝嘲。能静力水准的测点基本上簧处于嗣一水平位置，高麓测 d - 大连理工大学博士学位论文 测量范围较小。近年来研制开发出了通过压力传感器测量液体压力的变化来计算高差变 化的仪器，扩大了测量范围。 此外，也可采用双金属标来测量特定点的垂直沉降f 4 3 。双金属标通常是两根热膨胀 系数不同的金属丝，利用两根金属丝不同的膨胀系数来排除温度的影响，提供一个稳定 的高程基准。 1 3 3 水平垂直位移同时监测 以上各种监钡9 方法是将变形点的水平位移和垂直位移分别施测，测量结果不具有同 时性，降1 氐了成果的科学性和使用价值，而且采用常规方法观测周期长，无法实时地了解 大坝的变形情况。目前已研制出能实时连续观测变形点水平位移和垂直位移的测量系统， 按其原理和观测方法可分为极坐标法、距离交会法等三角测量方法【4 “5 1 、g p s 法删刀、 大气激光法和真空激光法。 1 3 3 1 极坐标法 极坐标法：就是根据一个角和一段距离从一个控制点上标定其它点位的一种方法 口蚋。也就是在一个已知的控制点和另一个已知通视的控制点，由两个已知控制点坐标和 欲放点的设计坐标，算出由控制点到所放点的方向和距离，即放样元素。该法当前采用 测量机器人进行作业，如徕- 暑t c a 系列全站仪。如采用差分的办法来修正测量值，在近 距离可以达到比较高的精度，接近亚毫米级嗍。 1 3 3 2 距离交会法 又称线交会法，是根据放样的两段距离交会出地面点的平面位置的测量方法，可用 于大坝变形测量，由中南工业大学张学庄教授提出，为测量精度接近毫米级。 i 3 3 3g p s 法 g p s 即全球定位系统。使用g p s 系统提供的位置信息进行大坝变形测量。测量不需 要测量点间通视，但要求对空通视。在l k m 左右的短基线上，g p s 测量可以获得亚毫米级 的相对定位精度。该系统能够实现自动连续观测，精度较高，但有以下缺点需要克服： 不能实时得到高精度的变形值：观测点必须对空开阔，接收卫星不能少于4 颗：每增 加1 个观测点就必须添加1 台g p s 接收机，成本较高。 1 3 3 4 大气激光准直 5 全自动真空激光大坝变形测量系统的研制 将波带片i 置i 定在位移点上，激光器和接收端固定在坝的两端，激光经过波带片后成 象在接收端，根据三点法准直的原理，可测出位移点的位移量。 大气激光准直的应用对象是坝长小于3 0 0m 、坝高较低的大坝，测量相对精度为1 0 一 5 1 0 。由于受大气折射及湍流影响会引起光束抖动，该法测量精度低且不易实现自动 化观测。大气激光准直技术的最新发展是采用c c d 技术。它消除了光斑随机抖动，实现 了监测自动化，此项技术已成功地应用于一些水电工程的变形观测中。 1 3 3 5 真空激光准直 真空激光准直法也是采用三点法准直的原理，与大气激光波带片法不同的是，将整 个光路置于真空管道中，使系统运行更加稳定，精度更高，综合相对精度可达( 1 2 ) 1 0 1 ，主要用于直线型长坝、高坝的变形监测，可同时测量水平和垂直位移【h 瑚】。 真空激光准直法方案的主要优点是：1 光学和机械系统全部密封在真空环境中， 不会受到潮湿，霉菌和尘埃的影响，可以保持系统长期稳定运行。2 激光光束方向不 会受到温度梯度变化影响，可以实现高精度测量。千米长的大坝，测量精度可达0 1 毫 米。3 只需要一套激光发射系统和接收系统，就可以实现千米以上的直坝的高精度测 量，只需在两端设置基准点。由于以上特点，真空激光准直法正在得到越来越多的重视 和应用陋硎。 此外，还有一些正在探讨中的方法，c c i ) 成像阑、拱坝的变形测量技术等例，本文 不再赘述。 综合考虑上述所有方法，如果不按照传统的分类方法，以测量介质分类，可以分为 电磁波法和非电磁波法两类。非电磁波法包括引张线法、正倒垂线法、流体静力水准法 等测量介质不是电磁波的方法。由于非电磁波法自身的特点，它们并不适合于本课题的 要求。电磁波法指测量介质为电磁波的方法，例如视准线法或其它三角测量方法，其测 量介质为可见光。除真空激光准直方法外，在所有其它的电磁波法中，电磁波都是在大 气中传播。在大气中传播的电磁波将不可避免地会受到大气湍流、温度梯度、雾、雪、 雨、扬尘等气候因素影响，很难实现高精度测量。例如大气中的温度梯度，会造成光线 偏折，而且这种光线偏折的变化速率并不像湍流引起的光线扰动那样快，相反，其变化 速率接近于大坝的实际变形速率，很难区分。 一6 一 大连理工大学博士学位论文 由上述讨论可见，在所有的大坝变形测量方法中，真空激光准直法具有如下明显的 特点： 1 封闭性，与所有其他方法相比，真空激光准直法的整个光路在真空中传播，是 唯一不受大气湍流、温度梯度、挂露结冰乃至雨雪扬尘等气候因素影响的方法，也具各 了设计成完全封闭系统的基本条件； 2 高精度，基于系统的封闭性和现代光电检测设备( 如面阵c c d ) 的采用，真空 激光准直法精度可以达到( 1 2 ) x1 0 - 7 ； 3 稳定性，基于系统光路的封闭性再加上合理的系统设计，可以使系统光学和机 械系统全部密封在真空环境中，不会受到潮湿，霉菌和尘埃等因素的影响，最大限度地 排除自然条件和人为干扰，可以达到长期稳定运行的效果； 正是如上的三个主要特点，使得真空激光准直法成为了最适合开发成全自动高精度 大坝变形测量系统的方法。 t 4 本论文的主要工作 辽宁省穆窝水库为辽宁省八大水库之一，库容7 9 亿立方米。该库大坝为直线型混 凝土重力坝，坝长5 3 2 米。为加强对大坝运行状态的监控，拟安装一套大坝变形测量系 统。通过对现有大坝变形测量方法的研究，决定采用真空激光准直法，开发出一套可长 期稳定自动运行的大坝变形测量系统。 本论文的主要工作： 1 对真空激光波带片衍射成像系统进行详细的理论分析和数值模拟，为下一 步的系统设计和实施作理论准备； 2 以全自动长期稳定运行为目标，开发新的测量技术并进行系统设计、制 造，包括电器系统、软件测量和控制系统、机械结构设计等； 3 系统进行实地安装调试和运行，考察系统的运行状况。 本论文的内容组织上分为四部分，具体内容如下： 第一章绪论 一7 一 全自动真空激光大坝变形测量系统的研制 对目前国内外大坝变形测量技术的发展现状和意义进行了综述，介绍了本论文的主 要工作。 第二章真空激光大坝变形测量系统的理论分析与数值模拟 为保证系统设计的针对性和有效性，对这种真空激光波带片衍射成像系统进行了详 细的理论分析和数值模拟，得到了对实际的系统设计和开发具有指导意义的若干结论。 第三章全自动真空激光大坝变形测量系统的研制 根据第二章得到的若干结论，进行系统设计和制造。包括新的接收装置技术和细径 测量技术等新技术的开发，整个系统的布局，电器系统设计、软件测量和控制系统设计 调试以及有关的机械设计。 第四章全自动真空激光大坝变形测量系统的安装与试运行 系统设计制造完成后，进行现场的实地安装和调试，并于2 0 0 3 年8 月投入试运 行。经过一年的运行考核，系统运行稳定，测量精度达到o 1 m ，自动化程度高，可实 现无人值守自动测量，完全达到设计指标，于2 0 0 4 年1 0 月通过了工程验收。 第五章结论与展望 论文最后对全文的工作进行了总结，对真空激光大坝变形测量系统的应用前景进行 了展望。 8 大连理工大学博士学位论文 2 真空激光大坝变形测量系统的理论分析与数馕模拟 2 1 引裔 波带片，亦称菲涅尔透镜i s 0 1 ，是基于菲涅尔半波带理论而产搿三的一种光学元件。波 带片具裙无像差，制作工艺简单，成本低，面积大，重量轻，抗机械振动涎力强等诸多 优点。因此它在实际应用中，常和激光组成成像颡4 量系统，用于大型军用和民用工程 上。由予真空激光波带片衍射成像测量系统具有糙度高，稳定性好等特点，近几十年 来，在溺内被越来越多遗孀于大坝等大墅建筑物的变形监钡8 项哥中。 真盔激光波带片准赢法，从光学角度来说，是一种激光波带片衍射成像系统。这种 成像系统韵衍射特侄并没有严格的解析表达式，眭有文献赦过有哭这种系统的一感方面 特性的分析，例如关于真空激光波带片衍射成像系统的像簇【8 1 1 和焦点漂移嗍已有相关的 研究。毽对整个成豫系统的成像将往，齑未有系统、完整静特洼分析。 为了能够对这种衍射成像系统有一个系统、究整的了解，以指导实际自动测量系统 的设诗粒研发，本文蓄毙采蔫数值模羧静方法，遴过建立一个藕波的数学模型，瓣这种 系统进行详细的理论计算与数值分析，并得到了糟干对实际系统设计有指捋性的结论。 2 2 激光波带辫衍射系统酶先攀原瑾 该系统的琢理光路如下， ! ? 一 f 1 ： 孙 1 l 图2 1 波带片衍射系统的光学原理 f i g 2 1s c h e m a t i c d i a g r a m o f z o n e - p l a t e 援翅翟黼s y s t e m 像0 p 在如上国2 1 囊示的光路中，s 为点光源，z p 为波带片，p 梵像点。骞波带片z p 的通光带和遮光带的各半径p ，满足( 2 21 ) 。9 。 藤 全自动真空激光) v - t f a 揪j l 量系统的研制 ( 其中九为光源s 的光波长) 时，点源s 发出的球面波经过波带片时，恰好奇数菲 涅尔半波带被波带片挡住，偶数菲涅尔半波带通过( 或者相反) ，这样，因为偶数( 或 奇数) 半波带在p 点的场振动相位相同，互相加强，从而使p 点光强变强，形成亮点。 且( 2 2 1 ) 式还可写成 土+ = 等(222t2ro r )一+ = = 下( 一z ) 伐 如设，= 露( 现) ，则( 2 2 2 ) 还可表达为 i1+i1=71(2,2 3 ) k - ， 上式与透镜的成像公式完全相似，由于波带片与透镜的这种相似性常把波带片当作 透镜使用，并称之为菲涅尔透镜。以上即为波带片成像的简单原理。 在类似大坝变形测量这种大尺度成像测量系统中，普通透镜的加工与检测很困难， 制造成本高且存在像差。而与普通透镜相比，波带片制作简单，成本低，面积大，重量 轻，且无像差，故在真空激光准直法中采用波带片构成光路。 本系统的光路特点是光源与像点相距很远( 近6 0 0 米) ，且波带片的制作只能是针 对某特定波长。由于激光具有亮度高，方向性强，单色性和相干性好等特点，为保证 光线远距离传输时像点的质量和亮度，本系统采用单横模激光器作为光源。但激光器并 非点光源，激光的传输有自己的特点1 8 3 】： 沿z 轴方向传播的基模高斯光束，无论它是由何种结构的稳定腔产生的，均可表示 为如下的一般形式， g 川：南矗一i 叫 叫) 其中c 为常数因子， ，2 = x 2 + y 2 七：娶 l = 喘瓜手 2 r = r ( z 1 = z + l 一1 0 大连理：l = 大学博士学位论文 ，= 牟绞= 庠 上式中钆为基模高斯光束的腰斑半径，为欺焦参数，r 0 ) 为与传播轴线相交于z 患愆裹斯光束等籀使蟊瓣癌率半径，翻z ) 是与蕊疆辘线穗交于善赢麓高辫淹束等程露上 的光斑半径。 基羧高蘩光策的基本 璧矮魏下： ，2 ( 1 ) 基攘赢靳搬柬在横裁嚣内的场振鹾分布按赢疑函数e 。b f 蹶擞述的规律从中心 ( 即传播轴线) 向外平滑降落； ( 2 ) 出耀位因予可知，离骺光窳的等相位耍为以r 为半径的球甏，且鸯 脯+ 譬= 刳2 i 由( 2 25 ) 式可以看出， z = o $ 我震一一，& e 黢斑艨在处瓣等程蘑为乎瑟； z = 一时，fr ( z ) i 一。o ，表明离腰斑无限逝处等相丽为平面； 三一意，时，l 霆国l 嘭戈l 剧) l 戆极，j 、骧； o 孔即等相面的曲率中心在一一- f 之间； 一危，对，簿相嚣瓣曲率中心在尹叼之间，羹z 越大，显0 ) 越趋近予磊郢等榻薅的 曲率中心趋近予柬腰位鼹。 ( 3 ) 定义在基模囊孥走索强度黪孑点熬运场发数是为 冬= 脚掣“辱 嘲 如上所述，高斯光束在其传播轴线附近可以看作是一种非均匀球面波，其曲率 中心隧羲难离懿交豫瑟不叛改交，英振溪在横截嚣蠹始终搽持毫辫分蠢夔特蛙，冀等穗 面为球面。 在本系绞的溅量髭鼹孛，由予波繁冀酾激巍器之闻斡委i 裹最j 馥鸯筠涨，最送必 6 0 0 米，远远大予一股基模高斯光束的公焦参数f ( 一般为l 米左右) ，故撼于前述高 额毙裳戆特蛙，慰手波带片焉言，可以熬该走束避毅为由使于寒麟姓戆豢漾发出的球瑟 波，这样，该高斯光束巍通过波带片后将像点源一样衍射成像。 荬党鼹示意图翅国2 2 所示。 j 螋型型眵一 如删，本系统的原理光路是由蝴、波带片和接收器组成的三点准瓣 一釜茹嚣裟 移蒜篓篇竺釜蒜描蔷煮姜菜磊磊茹光路会造舯嫦 图2 3 光束漂移分析 f i g 2 3a n a l y s i s o f b e a m d r i r 1 2 大连理工大学博士学位论文 为不失一般性，以平凹腔内腔式气体激光器为例。理想情况下，腔镜与放电毛细管 轴完全对正，且互相垂直。如图2 3 a 所示，其中r 为凹面镜曲率半径，c 为曲率中 心，其水平线为管轴，理想情况下光轴与管轴重合。 当激光器开始工作后，由于放电管开始发热，而腔镜的支撑管( 例如n e c 的 g l t 2 3 2 1h e n e 激光器) 在开始工作后的一段时间里还没有达到均匀受热，这会使支撑 管发生不均匀膨胀( 在垂直方向上尤其如此) ，从而导致腔镜与管轴不再垂直。如图 2 3 b 所示，如果凹镜发生倾斜，将使曲率中心c 移动，从而造成光轴的平移，图中c a 即为新的光轴。当平镜发生倾斜时，如图2 3 c 所示，将使光轴发生倾斜，图中c a 即为 新的光轴。当平镜与凹镜都发生倾斜时，情形稍微复杂，但其结果总不外乎光轴的倾斜 与平移，故不再讨论。 需要特别说明的是，这种光轴的倾斜，角度一般很小，基本在几十个微弧度左右。 下面看一下这种光轴的倾斜和平移会对本文这种测量系统造成什么样的影响。由前 述光路原理部分知道，对我们的系统而言，单横模激光束被看作由束腰所在处的点源发 出的不均匀球面波。那么问题又归结为这种光轴的漂移对这个点源的成像产生了什么样 的影响。 由于光轴同时又是光强高斯分布的中心，显然，这种光轴的倾斜和平移相当于点 源，也即束腰的位置发生侧移( 由于束腰的位置沿光轴方向的移动很小，且对测量无关 紧要，故不予考虑) ，同时，也会使这个点源发出的非均匀球面波的光强分布发生变 化。也即是说，对于相位分布而言，意味着点源的侧移；对强度分布而言，意味着等相 球面上的光强分布中心发生偏移。 下面我们就分析一下相位分布的漂移，即束腰变位对测量系统的影响。如图2 4 所 示三点法准之原理光路， s d s z o n e - p l a t e 、i 夕 一z 一一一一一一= 二：二二1 ： 1 7 i 图2 4 三点法准直原理 f i g 2 4t h r e ep o i n tc o l l i m a t i o n 1 3 全自动真空激光大坝变形测量系统的研制 激光束的漂移使束腰( t i l l 点源) 位置由s 变为s ，侧移量为d ，则接收面上的像的 侧移量为d ， 矿：生d ( 2 3 1 ) z 对三点法准直测量系统来说，由束腰侧移d 所造成的波带片( 即被测点) 等效侧移 量为出， 毋= j r 了2 = 字d = ( 1 一；户 ( 2 3 2 ) 显然，z 叫时凼叼，z 叼时出耐，即最大可能误差值趋近于束腰的侧移值。当 然，一般情况下，z 不可能太靠近s ，实际上出一般最多为0 9 倍的d 值。 根据我们的实验结果，最适宜这种系统中使用的内腔式石英玻璃管h e n e 激光器在 上电后3 0 分钟内最大的光轴侧移量为3 6 f 腰。也就是说，如果不采取任何措施，单纯 由光轴侧移所造成的测量误差最大为3 6 脚。事实上，在实际的真空激光波带片衍射 系统中，为了防止更换激光管造成点源位置的改变，在激光器的前面都要加装限位孔 ( 限位光阑) 。理论上如果能够保证即使光轴发生最大侧移光束也能充满整个限位孔， 那么这种光轴的侧移对测量的影响就可以忽略不计。实际上我们在设计系统时，限位孔 直径取0 4 1 n m ( 激光束腰直径0 6 m ) ，以消除这种光轴侧移对测量的影响。 如上所述，我们把激光束的漂移分解为束腰位置的偏移和光强分布的变化。关于束 腰位置的偏移对测量的影响在本部分中已作讨论。关于光强分布的变化对测量的影响将 在数值模拟部分中给出详细的讨论。故，数值模拟中所说的漂移实际上是指光强分布的 漂移，而并非是指等相面的平移( 即光轴平移) 。 2 4 光路系统的数值模拟 2 4 1 理论准备 对于真空条件下的激光波带片衍射成像系统，由于没有解析解且缺少系统、完整的 成像特性分析资料，所阻，本文采用计算机数值模拟的方法对这种成像系统进行详细的 分析。 由前述理论分析，建立如图2 5 所示的坐标系。 在如图所示坐标系中，z 轴为固定水平轴，x 0 y o 为固定在波带片上的坐标系，其原 点为波带片的中心。在模拟计算中，假定波带片不动，即x o y o 坐标系的原点固定z 轴 上，z 为波带片与光源的距离。( x o o , y o o ) 为激光光斑中心点在x o 3 i o 坐标系上的坐标， q ( x o ，y o ) 为积分取样点，p 阮y ) 为像面上的一个像点，r 为相应等相面的曲率半径。 。1 4 。 大连理工大学博士学位论文 滚赘挎 图2 5 坐标系统 f i g 2 5c o o r d i n a t es y s t e m 如果光源是点源，那么由菲涅尔理论p 点的复振幅司表达为 鼬) ：竿删了e r r 打 叫) 式中的积分范围遍及波带片上的通光面积。其中爿三i 为关于点光源的表达式。由 于波带片与像面的距离z 1 远远大于x o ，y o 的取值范围，故倾斜因子w 即叫。对于本系 统，要用激光的高斯光束表达式代替相应的点光源表达式，有 讯加：肌汕) 斋丢e 忙+ 务嗍爿孚出。砒 叩) 上式中a ( ) 【o ，y 0 ) 为相应波带片的透过率函数，与波带片的具体形式有关。 督= ( 一x 。) 2 + ( y 。一y 。) 2 为积分取样点与光斑中心的距离。对上式进行化简可得， 像面e 任一点的复振幅为 驯= 雨ci e i ( a r c t g ，f f a ( x o , y o ) e 呜产e i k - - 。孚+ 唑型7 砒 ( 2 4 3 ) 以上式为基本公式，采用基于龙贝格积分的算法，进行数值分析。 一1 5 一 全自动真空激光大坝变形测量系统的研制 由于这种系统有一定的代表性，为不失一般性，建立如下系统模型：光源与像面距 离1 0 0 0 m ，光源为输出功率l m w 的h e n e 激光器，激光波长为6 3 2 8 埃，腰斑半径 0 5 m m 。从光源到像面每隔1 0 0 m 放置一波带片，以便分析不同位置的波带片的成像特 点。以下数值分析即是针对这个系统模型而做。 2 4 2数值模拟结果分析 1 不同形式的波带片及其所成的象 1 1 理想波带片的成像。 理想波带片是指制造时没有任何误差，没有支架，装设位置准确的波带片。我们假 定在z = 5 0 0 m 处有一4 0 环的理想波带片，波带片的形状如图2 6 所示，在z = 1 0 0 0 m 处 形成的衍射斑如图2 7 所示。 图2 6 理想波带片图2 7 理想波带片成像 f i g 2 6p e r f e c tz o n e - p l a t ef i g 2 7i m a g eo f p e r f e c tz o n e - p l a t e ( 本文中的衍射斑图样如非特别说明，均指像面中心2 e m x 2 c m 的正方形范围内 的成像，像素数为4 0 0x4 0 0 ，像面辐照度指各级极大对应的最大辐照度) 由计算数据 可知，其中央主极大的辐照度为5 0 6 w m 2 ，次极大的为7 2 7 1 0 - 2 w m 2 ，它们的比值 约为7 0 ：1 。由计算值可以看出，实际上次极大以下因为光强太弱，几乎没有什么实用价 值。 1 2 实际波带片所成的像 1 6 大连理工大学博士学位论文 图2 8 四支架波带片图2 9 四支架波带片成像 f i g 2 8z o n e - p l a t ew i t hf o u rs u p p o r t s f i g 2 9i m a g eo f z o n e - p l a t ew i t hf o u rs u p p o r t s 实际上波带片不能没有支架，只是支架的形式有所不同。如图2 8 所示的四支 架系统( 四个支架的角宽度均为u 1 6 ) ，设它装在z = 5 0 0 m 处，环数为4 0 。它所形成 的像斑如图2 9 所示。 由图2 9 可见，支架的存在改变了像斑的形状，而且中央主极大的辐照度为 3 8 7 w m 2 ，次极大的辐照度为1 3 1x1 0 - 1 w m 2 ，它们的比值约为3 0 ：1 。由此可见，支架的 存在不但使整个像斑的辐照度降低，而且也降低了聚集特性，但好在还不至于对测量造 成什么实质性的影响。相反，特定形状的支架所形成的特定的像斑特征可以为某些测量 手段所利用。 图2 1 0 八支架波带片 f 远2 1 0z o n e - p l a t e 、v i t l le i g h ts u p p o r t s 图2 1 l 八支架波带片成像 f i g 2 11i n l a g eo f z o n e - p l a t ew i t he i g h ts u p p o r t s 一1 7 全自动真空激光大坝变形测量系统的研制 下面再看一下其他形式的波带片。如图2 1 0 所示的八支架系统。既然支架的存在 对像斑影响较大，