高寒區(qū)RCC壩長(zhǎng)距離真空激光系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)綜述

摘要：隨著工程規(guī)模、地理位置、環(huán)境影響等對(duì)大壩變形監(jiān)測(cè)的精度需求不斷提高，研究適合于高寒區(qū)、長(zhǎng)距離的真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)已成為迫切需要。以新疆某RCC壩為例，從菲涅爾波帶片的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)、波帶片重復(fù)切入光路以及如何高精度重復(fù)定位、高寒區(qū)激光準(zhǔn)直系統(tǒng)保溫措施、長(zhǎng)距離調(diào)光技術(shù)及系統(tǒng)故障自動(dòng)檢測(cè)等方面介紹了長(zhǎng)距離真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)的研發(fā)過(guò)程與應(yīng)用情況。實(shí)踐證明，研制的真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)果精度較高，且解決了大氣激光準(zhǔn)直的漂移、抖動(dòng)和偏折問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：RCC壩;真空激光準(zhǔn)真系統(tǒng);高寒區(qū);長(zhǎng)距離;調(diào)光技術(shù)

中圖法分類號(hào)：TV698

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.03.039

近年來(lái)隨著科技的發(fā)展和創(chuàng)新，大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)也得到了不斷的提升，大壩變形監(jiān)測(cè)方法、手段及設(shè)備也日益更新、增多。目前在國(guó)內(nèi)外常用的大壩變形監(jiān)測(cè)設(shè)備主要有垂線坐標(biāo)儀、引張線儀、雙金屬管標(biāo)、靜力水準(zhǔn)儀、大氣激光系統(tǒng)、真空激光系統(tǒng)等[1-2]。其中真空激光準(zhǔn)直自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)因其能同時(shí)測(cè)量大壩水平位移和垂直位移，具有觀測(cè)精度高、穩(wěn)定性好、安裝調(diào)試后維修少等優(yōu)點(diǎn)而倍受關(guān)注，并在國(guó)內(nèi)外諸多工程中得到推廣應(yīng)用，有較好的發(fā)展前景。

21世紀(jì)以來(lái)，激光準(zhǔn)直系統(tǒng)逐漸采用CCD光電耦合技術(shù)及計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了真空激光準(zhǔn)直測(cè)量系統(tǒng)在湖南鎮(zhèn)大壩、白石水庫(kù)、金安橋水電站[3]、山口水庫(kù)大壩、萬(wàn)家寨水電站、參窩大壩、大朝山大壩、炳靈大壩、烏溪江水電廠[4]、鬧德海水庫(kù)、瀑布溝水電站[5]、龍灘大壩、觀音閣水庫(kù)[6]、新疆沖乎爾、葛洲壩、尼爾基等工程中的應(yīng)用（已超過(guò)20多套激光準(zhǔn)直系統(tǒng)）。隨著大型和特大型工程以及特殊地理位置、環(huán)境對(duì)變形監(jiān)測(cè)的需求不斷提高，研究適合高寒區(qū)、長(zhǎng)距離的真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)已成為迫切需要。

某RCC壩水利樞紐工程為I等大（一）型工程，具有供水、發(fā)電和防洪等綜合效益。大壩最大壩高121.5m，主壩全長(zhǎng)1570m，正常蓄水位為739m，死水位為680m。大壩地處高緯度嚴(yán)寒地區(qū)，具有壩軸線長(zhǎng)，最大壩高高，干燥寒冷周期長(zhǎng)、近場(chǎng)區(qū)地處地震帶，地震地質(zhì)背景復(fù)雜等特點(diǎn)。為了弄清嚴(yán)寒區(qū)重力壩變形規(guī)律和特性，掌握大壩運(yùn)行性態(tài)，保障大壩運(yùn)行安全，通過(guò)合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)置了兩條長(zhǎng)距離真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)。一條在706.5m高程廊道內(nèi)，長(zhǎng)度313m，布置了9個(gè)測(cè)點(diǎn);第二條在壩頂激光廊道內(nèi)，全長(zhǎng)1208m，布置了31個(gè)測(cè)點(diǎn)，溢流壩段處的管道采用了保溫措施。

1真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)的原理及應(yīng)用

1.1系統(tǒng)工作原理

長(zhǎng)距離真空激光準(zhǔn)直監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用激光器發(fā)出一束激光，穿過(guò)與大壩待測(cè)部位固結(jié)在一起的波帶片（菲涅耳波帶板），在接收端的成像屏上形成一個(gè)衍射光斑。利用CCD坐標(biāo)儀測(cè)出光斑在成像屏上的位移變化，即可求得大壩待測(cè)部位相對(duì)于激光軸線的位移變化[7-8]。其工作原理簡(jiǎn)圖如圖1所示。

設(shè)波帶板距光闌距離為S，即波帶板的物距為S;成像屏距波帶板距離為S'，即經(jīng)波帶板成像的像距為S';則成像屏至光闌的距離為L(zhǎng)=S+S'，也即系統(tǒng)的準(zhǔn)直距離為L(zhǎng)。

波帶板的焦距應(yīng)滿足波帶片的成像公式：

則通過(guò)小孔光闌的激光束經(jīng)波帶板會(huì)聚，將在成像屏.上形成一個(gè)清晰的衍射光斑。

1.2系統(tǒng)組成

真空激光準(zhǔn)直監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由6部分組成：激光發(fā)射端、測(cè)點(diǎn)部分（含波帶片、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)控制模塊）、激光接收端（CCD坐標(biāo)儀、接收屏）、真空形成系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)（圖像處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）、故障自檢系統(tǒng)等[9-10]。

1.3自動(dòng)化控制原理

長(zhǎng)距離真空激光準(zhǔn)直監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用無(wú)人值守自動(dòng)化測(cè)量，以計(jì)算機(jī)作為控制系統(tǒng)主機(jī)，自動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

2關(guān)鍵技術(shù)綜述

2.1菲涅耳波帶片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)菲涅耳波帶片成像原理，理想的菲涅耳波帶片應(yīng)該是由多個(gè)遮光與透光交替相間的同心圓環(huán)組成的片狀物。而實(shí)際應(yīng)用則無(wú)法使這些相間圓環(huán)有效布設(shè)而形成遠(yuǎn)場(chǎng)衍射成像[11-12]因此將菲涅耳成像原理應(yīng)用于長(zhǎng)距離遠(yuǎn)場(chǎng)成像，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需通過(guò)以下措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（1）緊緊圍繞菲涅耳波帶片的成像原理，結(jié)合當(dāng)前先進(jìn)的通光波帶的加工工藝，選擇適用于工程長(zhǎng)期可靠使用的材料設(shè)計(jì)波帶片的初始結(jié)構(gòu)。

（2）搭建試驗(yàn)平臺(tái)，模擬工程應(yīng)用的試驗(yàn)環(huán)境，通過(guò)一系列試驗(yàn)逐步改進(jìn)波帶片的設(shè)計(jì)參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式，形成高逼近菲涅耳透鏡的波帶片。

為了保證波帶片長(zhǎng)期不變形且不發(fā)生腐蝕，采用不銹鋼作為波帶片的制作材料。采用先進(jìn)制造工藝，制出的波帶片精度高，表面平整，在正常使用條件下，其壽命可達(dá)到100a。改進(jìn)并應(yīng)用于某RCC壩真空激光準(zhǔn)直監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的菲涅耳波帶片厚度僅為0.05mm，波帶精度為0.02mm。在同一片不銹鋼片上刻畫出相間同心圓環(huán)的通光帶和遮光帶，并采用多個(gè)沿圓周均布筋條連接，有效解決了數(shù)十個(gè)細(xì)密通光帶的連接與支撐問(wèn)題。理論上的菲涅耳光斑如圖3所示，高逼近菲涅耳透鏡的波帶片結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

2.2波帶片切入光路、高精度定位裝置

波帶片如何切入光路并在測(cè)量完成后退出光路可通過(guò)自動(dòng)控制裝置完成，但解決波帶片重復(fù)切入且可高精度重復(fù)定位這一問(wèn)題是整個(gè)激光準(zhǔn)直監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)，因此一套集切入并具有高重復(fù)定位精度的裝置在整個(gè)系統(tǒng)中是非常重要的。

（1）波帶片可靠切入與退出光路的方法。采用直流電機(jī)（DC24V）作為波帶片切入光路的動(dòng)力源，它在單片機(jī)控制下旋轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)波帶片起落，實(shí)現(xiàn)了波帶片切入與退出光路的功能。直流電機(jī)在真空環(huán)境中應(yīng)用的可靠性、穩(wěn)定性及壽命均可滿足激光系統(tǒng)使用要求。

（2）實(shí)現(xiàn)波帶片高重復(fù)定位精度的手段。采用機(jī)械定位（機(jī)械限位塊）與電氣定位（電磁定位）相結(jié)合的方式確保了波帶片的重復(fù)定位精度。通過(guò)可在真空環(huán)境長(zhǎng)期工作的微動(dòng)開(kāi)關(guān)來(lái)感知、獲取波帶片的位置信息，并將其信息反饋給自動(dòng)控制系統(tǒng)。

通過(guò)試驗(yàn)獲知，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可連續(xù)翻轉(zhuǎn)2萬(wàn)次以上不發(fā)生故障。若出現(xiàn)故障更換零件時(shí)也不會(huì)使波帶片的位移發(fā)生變化，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量值不會(huì)造成影響，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

2.3高寒區(qū)真空激光系統(tǒng)保溫措施

高寒區(qū)的真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)與一般地區(qū)真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)最大的區(qū)別在于它受極端低溫的影響，最關(guān)鍵的就是要做好保溫措施。該工程所在區(qū)域最低氣溫在零下42°C左右，雖然大部分激光管在廊道內(nèi)，但溢流壩段有將近200m的管道暴露在空氣中，所以該工程采用9mm壁厚的無(wú)縫鋼管，并對(duì)暴露在外面的真空激光管采用外面包裹10cm厚的聚氨酯瓦片進(jìn)行保溫處理，在真空激光的發(fā)射端和接收端各布置了一臺(tái)真空泵，以保證激光管的真空狀態(tài)和長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)作。

2.4長(zhǎng)距離、高難度的調(diào)光技術(shù)

某RCC壩水利樞紐工程位于高緯度嚴(yán)寒區(qū)，其地理位置具有特殊性，而且也是該類地區(qū)激光準(zhǔn)直系統(tǒng)研發(fā)距離最長(zhǎng)的，其距離為1208m，僅次于葛洲壩激光準(zhǔn)直系統(tǒng)（1630m）。故其施工、安裝、調(diào)試技術(shù)的整體難度很大。

激光安裝調(diào)試是一項(xiàng)系統(tǒng)性強(qiáng)、施工工藝要求較高的調(diào)試技術(shù)，這其中最關(guān)鍵、最困難的就是調(diào)光技術(shù)，它是檢驗(yàn)系統(tǒng)施工質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。通過(guò)不斷地試驗(yàn)并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，調(diào)試過(guò)程中先將整個(gè)管道（包括安裝管道里的波帶板）密封，抽至真空后打開(kāi)激光光源，讓激光束穿過(guò)波帶板形成衍射光斑，在管道出口的成像屏上形成光斑，光斑在屏幕上的位移可通過(guò)接收端CCD坐標(biāo)儀測(cè)出位移量。要是測(cè)點(diǎn)全都安裝在管道中心，但有些測(cè)點(diǎn)成像還是不能出現(xiàn)在接收端屏幕上，那就說(shuō)明該測(cè)點(diǎn)位置需要調(diào)整，激光調(diào)光難度最高的就是距離光源最近的測(cè)點(diǎn)。

通過(guò)不斷地調(diào)試、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出了一種比較簡(jiǎn)單有效的方法來(lái)解決超長(zhǎng)距離真空激光前5個(gè)點(diǎn)難于調(diào)整的狀態(tài)：先調(diào)整靠近接收端的測(cè)點(diǎn)（一般距離發(fā)射端越遠(yuǎn)的測(cè)點(diǎn)越容易調(diào)試），從發(fā)射端向接收端數(shù)前5個(gè)難調(diào)且在屏幕上找不到成像的測(cè)點(diǎn)，等其它測(cè)點(diǎn)調(diào)整好后，在放完真空的環(huán)境下，舉起已經(jīng)調(diào)整好位置的測(cè)點(diǎn)（盡量選擇距離發(fā)射端最近的測(cè)點(diǎn)），同時(shí)舉起難于調(diào)整的測(cè)點(diǎn)的波帶板，使得激光通過(guò)這個(gè)波帶板后的能量中心與調(diào)整好位置的波帶板中心基本重合，這樣將靠近發(fā)射端的幾個(gè)測(cè)點(diǎn)一一調(diào)整后，密封，抽真空再次進(jìn)行成像測(cè)試，基本上能在接收端屏幕上看到所有光斑，并通過(guò)相似三角形公式算出實(shí)際需要移動(dòng)的位移。此方法在該工程上得到了成功應(yīng)用，解決了激光測(cè)點(diǎn)盲調(diào)，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、費(fèi)設(shè)備等難題。

2.5系統(tǒng)故障自動(dòng)智能診斷技術(shù)

真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)的核心是光斑的位置，影響光斑位置的因素有很多，如管道真空度不夠、波帶板無(wú)法正常切入光路或者不能正常退出光路、同一時(shí)刻有2個(gè)及以上測(cè)點(diǎn)波帶板切入在光路中等，這些都會(huì)造成光斑成像不正確，另外任何一個(gè)硬件設(shè)備不正常都將引起不能正常測(cè)量或者測(cè)值不可靠，因此必須建立一套有效的故障診斷機(jī)制，確保系統(tǒng)測(cè)量前測(cè)量條件達(dá)到測(cè)量要求，否則測(cè)得的結(jié)果將是無(wú)效的。

系統(tǒng)故障自動(dòng)智能診斷技術(shù)的重點(diǎn)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩方面。

硬件系統(tǒng)方面，重點(diǎn)圍繞激光準(zhǔn)直監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各個(gè)部件的功能，設(shè)計(jì)各個(gè)部件運(yùn)行狀態(tài)反饋機(jī)構(gòu)，將其運(yùn)行狀態(tài)信息反饋至系統(tǒng)軟件。

（1）在激光光源部件上布設(shè)電源通斷、光源熄亮反饋裝置。

（2）在波帶片切入/出裝置上布設(shè)波帶片位置信息反饋開(kāi)關(guān)。

（3）在真空管道上布設(shè)電子真空計(jì)，將管道真空度反饋至系統(tǒng)軟件。

（4）獨(dú)立的抽真空系統(tǒng)，自動(dòng)維持管道真空度。

（5）布設(shè)激光準(zhǔn)直監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制單元，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各部件設(shè)備電源的有序管理，系統(tǒng)軟件與硬件設(shè)備、裝置的可靠通信與信息反饋。

（6）衍射光斑成像系統(tǒng)將成像屏上的圖像信息傳輸至計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)軟件給出實(shí)時(shí)圖像顯示。

軟件設(shè)計(jì)方面，重點(diǎn)從保障測(cè)量環(huán)境符合系統(tǒng)測(cè)量要求來(lái)設(shè)計(jì)對(duì)硬件的控制邏輯，而不是單純追求測(cè)量速度。在測(cè)量前后尤其是系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)測(cè)量時(shí)，由于系統(tǒng)處于無(wú)人值守狀態(tài)，必須保證測(cè)量是在符合測(cè)量要求的條件下進(jìn)行的。為此，在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，首先對(duì)硬件設(shè)備的狀態(tài)以及管道內(nèi)的真空度進(jìn)行確認(rèn)，符合要求時(shí)才進(jìn)入測(cè)量流程。進(jìn)入測(cè)量流程后，對(duì)各測(cè)點(diǎn)光路切入/切出進(jìn)行排它性操作，保證只有要進(jìn)行測(cè)量的測(cè)點(diǎn)波帶板切入到光路，再進(jìn)行測(cè)量[13-14]。另外增加自診斷日志，記錄系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)硬件設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，以圖示方式給出明顯提示，提醒管理員及時(shí)處理故障。

3成果分析

3.1水平位移

某RCC壩的壩頂真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)于2015年9月安裝運(yùn)行至今，從水平位移變化情況可以看出，壩頂最大水平位移為16.53mm，月變幅為1～2mm，壩頂水平位移和庫(kù)水位呈負(fù)相關(guān)的變化趨勢(shì)，略滯后于庫(kù)水位的變化;壩頂水平位移受溫度變化影響較大，溫度升高時(shí)，壩頂向上游位移，溫度降低時(shí)，壩頂向下游位移，呈現(xiàn)周期性的變化趨勢(shì)。主河床28號(hào)，29號(hào)壩段水平位移略大，其余壩段水平位移變化較為均勻。壩頂水平位移過(guò)程線見(jiàn)圖6。

3.2垂直位移

從壩頂垂直位移變化情況（見(jiàn)圖7）可以看出：壩頂?shù)淖畲蟠怪蔽灰茷?.64mm，月變幅為0.2～0.5mm，垂直位移變化同水平位移變化相似，和庫(kù)水位變化呈負(fù)相關(guān)性，垂直位移變化略滯后于庫(kù)水位;壩頂垂直位移受溫度變化影響較大，溫度升高時(shí)，壩頂上抬，溫度降低時(shí)，壩頂下沉，呈現(xiàn)周期性的變化趨勢(shì)。主河床28，29號(hào)壩段垂直位移略大，其余壩段垂直位移變化較為均勻。壩頂水平位移和垂直位移統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表

3.3系統(tǒng)質(zhì)量、測(cè)量精度分析

該真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)從2015年投入使用至今，整體運(yùn)行狀況良好，未出現(xiàn)不良工作狀態(tài)。該系統(tǒng)采用了面陣電荷耦合元件（CCD）圖像處理策略與方法。實(shí)踐證明，通過(guò)這種圖像處理技術(shù)，其測(cè)量精度可以達(dá)到0.1mm或者0.5x106L，最小讀數(shù)為0.01mm，能夠很好地滿足真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精度要求。

4結(jié)語(yǔ)

真空激光準(zhǔn)直技術(shù)應(yīng)用于大壩變形監(jiān)測(cè)是中國(guó)自主研發(fā)的大壩監(jiān)測(cè)手段，長(zhǎng)距離真空激光準(zhǔn)直監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的成功研發(fā)、關(guān)鍵技術(shù)的攻破解決了大氣激光準(zhǔn)直的漂移、抖動(dòng)和偏折等問(wèn)題，具有測(cè)量精度高、長(zhǎng)期可靠性好、自動(dòng)化程度高、速度快、維護(hù)方便、便于長(zhǎng)距離工程使用等，是現(xiàn)代化管理不可缺少的智能管理手段。

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Summary of key technology of long distance vacuum lasercollimation system for RCC gravity dam in severe cold area

SHANG Ceng

（Project Construction and Management Bureau of Xinjiang Irtysh River Basin Development，Urumqi 830000，China）

Abstract：With the increasing requirement on dam deformation monitoring due to engineering scale，geographical location andenvironmental impact，it is urgent to develop a vacuum laser collimation system suitable in severe cold regions.Taking a RCCdam in Xinjiang as an example，the research and development process and application of long distance vacuum laser collimationsystem were introduced from aspects of the structure and design of Fresnel wave plate，the wave plate repeatedly cutting into thelight path，high precision repeated positioning and insulation measures，long distance dimming technology and system fault automatic detection.Engineering practice showed that the precision of the vacuum laser collimation system was high，and the problems of deviation，jitter and deflection of atmospheric laser collimation were solved.

Key words：RCC dam;vacuum laser collimation system;severe cold region;long distance;dimming technology