[发明专利]一种隧道三维成像方法及系统

权利要求书

1.一种隧道三维成像方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)保持激光扫描成像仪与超声换能器的相对位置固定，将激光扫描成像仪的光轴与超声换能器的声波发射方向平行布置，通过激光与超声波同步扫描隧道，利用激光扫描隧道表面获取隧道表面点云中所有点在世界坐标系下的三维坐标；同时使用超声波纵波垂直于隧道表面扫描对应的激光扫描区域背后的注浆及土层，确定反射次数、反射界面的深度及各反射界面的反射次序，并记录超声换能器的三维坐标；

(2)根据隧道表面点云生成隧道表面点云模型；根据超声换能器的三维坐标以及反射界面的深度获取反射界面坐标，根据反射界面坐标在隧道表面点云模型中添加反射界面点云，从而获得包含反射界面点云及隧道表面点云模型的原始点云模型；

(3)将原始点云模型按照超声波反射次数进行区域划分，将原始点云模型划分为沿隧道轴向排列的多个区域；其中，

反射次数最少的区域为正常区域，仅有隧道基础构造分层界面的反射信号；其余区域为缺陷区域，包括隧道基础构造分层界面的反射信号以及缺陷部位界面的反射信号；

(4)将正常区域内隧道基础构造分层界面的反射界面点云进行重建，获得正常区域内隧道基础构造的三维轮廓；根据缺陷区域中的反射信号接收次序、正常区域内隧道基础构造分层界面的反射强度以及实际隧道基础构造的分层，确认缺陷区域内隧道基础构造的分层界面以及缺陷部位的反射界面；

(5)将缺陷区域内的隧道基础构造分层界面的反射界面点云进行重建，获得缺陷区域内隧道基础构造的三维轮廓，并与正常区域内隧道基础构造的三维轮廓连接，获得整个隧道基础构造的三维轮廓；将缺陷部位的反射界面按照反射信号接收次序，两两一组合并重建，获得缺陷部位的三维轮廓，从而获得包含整个隧道基础构造的三维轮廓与缺陷部位的三维轮廓的隧道三维模型。

2.如权利要求1所述的一种隧道三维成像方法，其特征在于，步骤(1)中采用超声换能器平面阵列进行超声波扫描，且超声换能器平面阵列中的各个超声换能器的超声波发射方向平行、使用不同振动频率的超声波进行探测。

3.如权利要求1或2所述的一种隧道三维成像方法，其特征在于，步骤(1)中，获取超声换能器三维坐标的方法如下：预先测定超声换能器与激光扫描成像仪的内部坐标系原点的相对位置关系，获得超声换能器在激光扫描成像仪的内部坐标系中的坐标，进而根据激光扫描成像仪的内部坐标系与世界坐标系的转换关系，直接转换为世界坐标系下的坐标。

4.一种隧道三维成像系统，其特征在于，包括：激光扫描成像仪、超声换能器、放大解调器、深度计算器、点云数据处理器以及点云数据处理程序模块；激光扫描成像仪与超声换能器的相对位置固定，且激光扫描成像仪的光轴与超声换能器的声波发射方向平行；激光扫描成像仪的信号输出端连接点云数据处理器的激光信号输入端，超声换能器的信号输出端连接放大解调器，深度计算器的输出端连接点云数据处理器的超声信号输入端；其中，

激光扫描成像仪用于扫描隧道表面，获得隧道表面点云并传输至点云数据处理器；

超声换能器用于扫描隧道背面，收集超声波反射信号并经由放大解调器处理成时间-振幅波形；

深度计算器用于根据时间-振幅波形计算出反射界面的深度，并传输至点云数据处理器；

点云数据处理器用于调用点云数据处理程序模块按照如权利要求1～3任意一项所述的方法对隧道表面点云和超声波反射信号进行处理，获得包含整个隧道基础构造的三维轮廓与缺陷部位的三维轮廓的隧道三维模型。

5.如权利要求4所述的一种隧道三维成像系统，其特征在于，包括超声换能器安装板，多个超声换能器在超声换能器安装板上组成平面阵列，各超声换能器的超声波发射方向平行；超声换能器安装板中心开设有透光孔，激光扫描成像仪的头部正对透光孔设置。

6.如权利要求4或5所述的一种隧道三维成像系统，其特征在于，包括搭载车，该搭载车包括：悬臂、车身以及步进电机；悬臂根部枢接于车身上，以在步进电机驱动下做旋转运动，车身用于带动悬臂前进或后退；

悬臂顶端设置有套筒、压缩弹簧、圆柱状的安装杆以及连接销；套筒上沿轴线方向开设有关于套筒轴线对称的两个腰型孔；压缩弹簧设于套筒内部，安装杆一端插于套筒内、抵接压缩弹簧，且通过连接销与腰型孔配合，避免安装杆从套筒中脱落；安装杆另一端用于安装激光扫描成像仪和超声换能器安装板。