茹乃瑜，牛昱光，杜宏偉

（太原理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，山西 太原 030024）

尾礦壩的安全檢測是保證礦山尾礦壩安全管理，防止安全事故的發(fā)生的重要手段。根據(jù)國家規(guī)定的礦山尾礦壩監(jiān)測的目的和要求，其監(jiān)測的項目主要有壩體位移、浸潤線高度、干灘長度、滲流量及庫水位等。其中壩體位移是尾礦壩最重要的和首要檢測參數(shù)，也是壩體穩(wěn)定性最直接的反應(yīng)。

目前尾礦壩位移監(jiān)測傳統(tǒng)的監(jiān)測方法有：視準(zhǔn)線法，正、倒垂線法，前方交會法，測斜管法和幾何水準(zhǔn)法等。但這些方法都只能監(jiān)測水平位移或者垂直位移中的一種，而且精度也不是很高，不能實現(xiàn)自動化監(jiān)測，所以這些方法都有很大的局限性[1]。

現(xiàn)代化的監(jiān)測手段有全站儀和GPS等，精度比較高，其中GPS測量可達(dá)到亞毫米的相對定位精度，安裝方便，可實現(xiàn)全天候的實時監(jiān)測，但是成本較高，價格昂貴，在大型的尾礦壩體的應(yīng)用比較廣泛。

本文研究的是一種新興的壩體位移監(jiān)測方法。該方法結(jié)構(gòu)簡單，測量范圍大、精度較高、成本不高和可實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，很好地彌補了以上方法的缺點。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要由激光器、準(zhǔn)直系統(tǒng)、光探測器和信息處理系統(tǒng)等構(gòu)成。其中激光器和激光接收器固定在兩邊山體上，準(zhǔn)直系統(tǒng)則安裝在壩體上，激光器選用穩(wěn)定性較好的氦氖激光器，從光源發(fā)射的激光通過準(zhǔn)直濾光系統(tǒng)，再經(jīng)高反射率衰減片之后成像到光檢測器上，在接收器上形成一個光斑。光源、準(zhǔn)直系統(tǒng)、菲涅爾波帶片、光探測器在理想狀況下是在一條直線上。當(dāng)壩體發(fā)生位移時，將帶動波帶片同時移動，那么其所成的像在檢測器上也發(fā)生相應(yīng)的移動，通過測量探測器上的光斑的位移量，就可以進(jìn)一步得到準(zhǔn)直系統(tǒng)的位移。

圖1 尾礦壩位移監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

其中處理器采用三星公司的ARM11芯片s3c6410，CCD攝像頭將拍攝的圖片傳輸給s3c6410，s3c6410讀出圖像數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)字圖像處理，求出位移變化量，處理完成后交付給無線通信Zigbee模塊。Zigbee模塊發(fā)送給監(jiān)控中心，在監(jiān)控中心通過VC語言編寫的實時監(jiān)控軟件顯示出來，同時發(fā)布到Web站點上，使監(jiān)控人員能夠隨時隨地進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)異常，并能及時報警。

2 準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)

激光腔產(chǎn)生的激光束，既不是平面波，也不是均勻的球面波，而是高斯球面波[2]。高斯光束的特征是準(zhǔn)直性好、光束集中，且發(fā)散角較小，在較短距離的測量中，光束的發(fā)散并不明顯，可以省去聚焦準(zhǔn)直透鏡，從而降低成本。但在較大長度中，激光器光束的束腰存在一定的直徑，光束的發(fā)散就比較嚴(yán)重。所以仍需準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)進(jìn)行整形。

準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)多采用二次透鏡的形式，第一次變換透鏡是采用短焦距的聚焦透鏡來壓縮高斯光束的束腰半徑，使其越小越好。第二次的透鏡焦距較大，其目的是減小高斯光束的發(fā)散角。準(zhǔn)直擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)該滿足焦距大于后工作距離，即鏡頭的主面距離光學(xué)系統(tǒng)的焦面較遠(yuǎn)。所以設(shè)計的系統(tǒng)應(yīng)由雙凸面透鏡和負(fù)凹凸透鏡構(gòu)成。雙凸面透鏡位于像方側(cè)，負(fù)凹凸透鏡位于物方側(cè)，并使凹面向著像方側(cè)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

準(zhǔn)直透鏡系統(tǒng)的參數(shù)還需滿足下面條件

式中：f'1為雙凸透鏡焦距，f'是組合系統(tǒng)的焦距，d2是雙凸面透鏡與負(fù)凹凸透鏡鄰接面之間的距離，r3為負(fù)凹凸透鏡像方側(cè)透鏡面的曲率半徑。式（1）是決定準(zhǔn)直透鏡的NA條件。式（2）與球面像差補償有關(guān)。

因為氦氖激光器發(fā)射的激光束功率很大，如果CCD上的光照度過大，就會使得CCD的輸出飽和而無法工作。因此需要對激光進(jìn)行大幅度的衰減，所以還需要加上衰減片，使其透過率降低。

3 菲涅爾波帶片

菲涅爾波帶片是基于菲涅爾波帶理論的一種光學(xué)元件。菲涅爾波帶片和一般的玻璃透鏡比較，具有無像差、加工制作簡單、成本低、面積可以做的很大、抗機械震動能力強等優(yōu)點，所以常和激光配合使用，用于大型工程中。

菲涅爾波片帶是一種特制的衍射屏，波帶片的成像公式為[3]

式中：S為物距；S'為像距；f為焦距。與透鏡成像公式相似。菲涅爾波帶片的環(huán)數(shù)越多，相應(yīng)地亮度就會越高，但制作起來會困難一些，還會帶來一定的誤差，所以實際中一般取5～8環(huán)。

4 監(jiān)測原理

圖3為監(jiān)測原理圖，P為激光源，菲涅爾波帶片L的光心為O，A和A'為CCD光斑接收屏，P經(jīng)過L成像與A點。Z和Z'分別為光源到透鏡和透鏡到光探測器的距離。

圖3 監(jiān)測原理圖

通常情況下，當(dāng)該處大壩發(fā)生位移Δy時，帶動L一起移動，L的光心從點O移動到O'，同時，CCD上的像A相應(yīng)地移動到像A'。由于CCD定標(biāo)于A點，所以像點的位移量就反映出壩體的位移Δy。根據(jù)三角關(guān)系有

因為透鏡組的位置是固定的，所以Z和Z'已知，只要能精確探測到像點的位移量，就可以進(jìn)而計算出壩體的位移量。通過各個測點得到壩體變形量。

系統(tǒng)的光接收器每隔一段時間對光斑進(jìn)行采樣，計算出重心位置，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心。

5 接收裝置與圖像處理過程

接收裝置主要是CCD攝像機，其中CCD的分辨率D可表示為[4]

式中：S為成像范圍；P表示相應(yīng)的像素數(shù)；K=Z/Z'，是監(jiān)測點與光源的距離Z和發(fā)射器與接收器的距離Z'的比值?？蛇x取合適分辨率的CCD攝像機。

CCD成像的理想激光光斑應(yīng)該是個圓滑的圓點。但在實際中，存在衍射現(xiàn)象，并且光學(xué)系統(tǒng)也存在一定的像差影響，使光斑發(fā)生變形，則光斑的中心必定會與實際位置產(chǎn)生偏差。再加上其他各種各樣的干擾因素，也將引起中心位置的偏移。因此，首先要進(jìn)行數(shù)字平滑濾波，剔除干擾和隨機誤差，在實際中使用中值濾波，第二步是取閾值，第三步是求取光斑中心。

常見的中心定位方法有重心提取法、Hough變換法和圓擬合法等，本文采取精度相對較高并且速度較快的重心提取法來實現(xiàn)光斑中心的提取[5]。它的基本原理如下

式中：圖像像元的灰度值為P，重心坐標(biāo)為（x，y），總像元數(shù)為n。實際中往往對CCD圖像進(jìn)行多次采樣取平均值，以提高精度。

圖像處理程序流程如圖4所示。

圖4 重心提取流程圖

6 實驗分析

在實驗室中搭建尾礦壩模型，其中位移監(jiān)測的實驗裝置總長度為100 m，光源選擇一般的半導(dǎo)體激光器，波長為605 nm，金屬波帶片的焦距為140 mm，CCD選擇512×512像素的即可滿足精度要求，圖像處理程序選擇MATLAB來處理。

實驗過程中，先移動波帶片，記錄下一組位移量，然后對應(yīng)地將系統(tǒng)采集到得圖像進(jìn)行處理，用MATLAB求取位移量，將測量值和實際值進(jìn)行比對，即可求取誤差值。圖5是用MATLAB生成的波帶片位移量和相應(yīng)的光斑位移量的實驗數(shù)據(jù)和理論曲線的對照圖像，從圖5可以看出圖像相當(dāng)吻合，基本成線性關(guān)系，滿足位移監(jiān)測的精度要求。

圖5 系統(tǒng)精度考察

7 結(jié)論

本方法的精度較高，滿足一般的大壩位移監(jiān)測要求，易于實現(xiàn)自動化檢測，而且可同時觀察水平和垂直位移。在實際應(yīng)用時，建議在大氣激光線路上加上大氣管道裝置，安裝真空泵，將管道抽成真空以便減少折射影響，可以進(jìn)一步提高精度。總體來說，該方法是監(jiān)測尾礦壩體位移的一種較理想的方法。

[1] 趙志仁.大壩安全監(jiān)測設(shè)計[M].鄭州：黃河水利出版社，2003.

[2] 周炳琨.激光原理[M].4版.北京：國防工業(yè)出版社，2000.

[3] 韓軍.工程光學(xué)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2000.

[4] 王曉旭.全自動真空激光大壩變形測量系統(tǒng)的研制[D].大連：大連理工大學(xué)，2005.

[5] 徐亞明，邢誠，劉冠蘭，等.幾種激光光斑中心檢測方法的比較[J].海洋測繪，2007（2）：1-4.