非开挖地下信息管道三维测绘系统前期研究

摘要

本课题是非开挖地下信息管线的三维测绘系统关键技术研究项目的前期研究。主要研究设计一种新型的利用光纤光栅传感器进行管线弯曲变形检测的系统。将两根布拉格光纤光栅成90°粘贴在一种细径弹性基材上，形成直径5mm的弯曲变形测量传感器，然后将传感器封装在特殊的定心机构里面，驱动装置驱动定心机构，带动传感器沿被检测管线间歇式前进，在前进过程中，用光纤光栅解调仪在等间隔点上采样传感器的波长读数，经计算得到相应各点的应变和空间曲率信息。然后运用基于等距离离散点曲率信息的空间曲线重建方法重建出管道的空间位置形状。 围绕这一主题，课题主要进行了以下研究工作：第一章主要对课题的研究背景以及国内外研究现状做了介绍，对整个课题的研究概况和已有的研究基础作了介绍，并对本课题研究目标和研究内容作了概述。第二章介绍了水平导向非开挖施工技术铺设管道的情况，并对实际施工中测量的管道曲线数据进行了分析。第三章是系统总体方案设计，提出了两种可行方案：光纤光栅传感方案和准直仪方案，分析比较后选用光纤光栅传感方案，然后对这一方案中的关键技术进行了分析。第四章对光纤光栅的各种制作方法和利用光纤光栅制作本系统的传感头的工艺进行了介绍。第五章介绍了传感器定心机构的设计并进行了功能分析。第六章介绍了基于曲率的空间曲线重建的原理和方法。第七章对基于曲率的空间曲线重建算法和传感装置进行了实验验证。最后一章是对全文的总结，根据所取得的主要进展，提出了对今后研究工作的设想。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及本论文使用授权说明

第一章绪论

1.1问题的提出

1.2国内外非开挖技术与装备的研究现状

1.2.1非开挖施工技术和设备

1.2.2非开挖探测技术

1.3本课题研究内容和意义

1.3.1整个课题的研究概况

1.3.2本论文的主要研究内容

1.4已有的研究基础

1.5小结

第二章测量对象分析

2.1引言

2.2导向钻进非开挖施工技术

2.2.1导向钻头工作原理

2.2.2施工过程

2.3导向孔轨迹设计

2.3.1确定导向孔5项基本参数

2.3.2确定导向孔其它参数的方法

2.4实际施工轨迹分析

2.4.1数据分析

2.4.2测量的对象

2.5总结

第三章系统总体方案设计和关键技术分析

3.1引言

3.2总体方案

3.2.1总体方案确定

3.2.2关键技术分析

3.3传感器方案设计

3.3.1应变传感器介绍

3.3.2传感头设计方案

3.4传感器定心机构方案设计

3.4.1传感器定心机构方案

3.4.2传感器驱动方式

3.4.3传感器定心机构方案确定

3.5计程机构的技术方案

3.6水平机构的设计

3.7小结

第四章光纤光栅检测原理及传感器设计

4.1引言

4.2光纤光栅种类和制作

4.2.1光纤光栅的种类

4.2.2光纤光栅的制作技术

4.3 FBG光纤光栅的传感原理[33]

4.4 FBG光纤光栅波长的解调方案选择

4.4.1 FBG光纤光栅波长检测方法

4.4.2解调方案的选择

4.5传感器的结构、制作和工艺

4.5.1传感头结构和光纤光栅波长设计

4.5.2传感头的制作和工艺

4.6光纤光栅传感器的标定

4.7小结

第五章传感器定心机构设计

5.1引言

5.2传感器定心机构的设计要求

5.3传感器定心机构

5.4定心机构的定心功能的实现

5.5传感器力卸载的实现

5.6小结

第六章基于离散曲率的管道形状重建

6.1引言

6.2空间曲线微分几何基本理论[40、41]

6.2.1空间曲线的基本三棱形

6.2.2空间曲线的曲率、挠率

6.2.3空间曲线在某一点邻近的结构

6.3管道形状重建的方法和步骤

6.3.1问题的分析

6.3.2解决方案分析

6.3.3重建的具体方法和步骤

6.4小结

第七章实验及分析

7.1引言

7.2曲线重建实验及分析

7.3管道形状重建实验

7.3.1传感器的标定

7.3.2实验结果

7.4实验总结

第八章总结与展望

8.1完成的主要工作

8.2需要改进的工作

8.3进一步研究的方向

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢