GLSS 钻孔式三维声呐-激光扫描系统
GLSS钻孔式三维声呐-激光扫描系统是北京徕达泰科科技有限公司面向矿山采空区、城市地下空间、地质勘察与应急救援领域的研发设计制造的新一代地下空间三维精细扫描装备，可实现对含水和不含水地下空间一体化扫描的复合测量系统。
应客户要求，北京徕达泰科科技有限公司在内蒙古某矿开展现场扫描测量工作，现将系统基本情况及扫描结果汇报如下。
01
系统基本情况
系统工作原理
系统通过在一个可水平旋转360°、垂直旋转±90°的机构上搭载声呐测距单元和激光测距单元，基于超声波在水中传播和激光在大气中传播的物理特性进行测距，通过伺服控制2个轴的精确旋转角度，实现声呐和光学设备在360°范围内的全方位扫描，从而完成空间测距。
系统根据获取的测量距离S，结合垂直旋转角度值ω水平旋转角度值∅，将水平角度、垂直角度、测距值进行一一对应的匹配，通过计算将球坐标系的测量值换算为空间坐标值，即：每一个测点包括水平角度、垂直角度、距离值，最终计算得出X、Y、Z为空间坐标值。
其中，t为声呐或激光测距时基于超声波和激光在水中和大气中的传播时长，v为超声波在水中的波速（在含水采空区中取1450m/s）或光速（3×108m/s），根据公司（4）通过测量计算系统原点到合作目标的距离。
系统组成及技术参数
GLSS钻孔式三维声呐-激光扫描系统主要由三维声呐探测棒、三维激光探测棒、控制机箱、系统电缆、电动绞车、深度计米测轮、平板控制计算机、数据采集控制软件及相关辅件等9部分组成。
三维声呐探测棒
三维声呐主探测棒内集成了高精度光纤陀螺仪、声呐测量单元、水平角度传感器、垂直角度传感器、姿态传感器和300万像素前置高清观察摄像机等单元组成。
三维声呐探测棒总体结构图
三维声呐探测棒前端细节图
该探测棒直径为6.5厘米，可通过拖拽电缆，沿着勘探或填充钻孔下放至地下封闭的采空区域。探测棒搭载声呐测距单元，并在前端集成了可用于下放过程钻孔观测的高清摄像头。同时探测棒集成了方位传感器、倾斜传感器，扫描测量的同时可准确反馈其方位及姿态，用于实现采空区延伸情况的侧向定位，当探测棒置入采空区后，通过平板计算机采用WIFI无线连接控制机箱控制实现空间360°的扫描测量。
三维激光探测棒
三维激光探测棒内部集成高精度光纤陀螺仪、垂直角度传感器、水平角度传感器、激光测距单元、伺服控制电路、姿态传感器和前置300万像素高清观察摄像机。由于在黑暗环境中观察钻孔和环境空间情况，前照灯采用可调LED射灯，前照距离可达1米左右，可观察前方是否堵孔、垮孔、破碎、掉块等。
三维激光探测棒总体结构图
控制机箱
控制机箱内部集成了视频服务器、载波远传通信接受模块、无线通信单元（WIFI）、主控制板、AC220/DC18-26V电源模块、信号/电源滤波模块、电动绞车提升-下放控制单元及涉及设备运行安全运行的限流保护装置等。
控制机箱实物图
控制机箱的左部区域是探测棒控制功能区，用于控制探测棒的供电和电压显示；右部区域是电动绞车控制功能区，设有电动绞车的供电开关、升降控制、下放深度显示、下放/提升速度调速，并配置急停开关，当下放/提升出现异常时可紧急停车做到系统保护。下放和提升时，软件自动记录深度值，用于计算方位变化。
控制机箱输入/输出端口
控制机箱的输入输出端均采用军工级航空插头，防护等级可满足IP65，适用于恶劣的野外工作环境。
系统电缆
系统电缆采用聚醚聚氨酯（A85P4394聚醚基）护套，中间编织层采用加密凯夫拉纤维绳编织，具有很好的水密、耐磨及抗拉拔拖拽性能，适用于水下使用。电缆与探测棒的连接采用Subcon水密连接头，可承受不低于20Mpa的耐压防水性能。电缆导体采用5*2*0.5mm2共计10芯，现使用6芯预留4芯备用。
系统电缆实物图
该电缆既可以用于连接三维声呐探测棒也可以用于连接三维激光探测棒，实现一套机箱、电动绞车及测量装置实现2种环境的测量工况。
电动绞车
电动绞车由机架、滚筒、直流减速电机及接线端口组成，可用控制机箱驱动实现电缆的下放和提升，有效提高测量效率及测量工作强度，同时可保证下放提升工作的平稳性，对设备及侧向定位精度的提升均具有十分重要的意义。
电动绞车实物图
深度计米器轮
深度计米器轮由计米器轮架、角度编码器和连接线组成，测量时将连接线连接至主控机箱和角度编码器，将轮架的角度值换算为下放深度值，下放200m时测深误差不大于0.3m。
深度计米器轮实物图
平板控制计算机
为适应野外恶劣的工作环境，系统配置一台高性能三防平板控制计算机，用于实现与控制机箱的无线连接和探测棒控制及数据采集。
平板控制计算机实物图
数据采集控制软件
系统配套的数据采集控制软件界面简洁、功能强大，可实现扫描控制和数据采集、视频观察及录制，同时也可观察下放过程中的姿态变化。支持三维点云数据的对整、整合、编辑、测量、检测监测、压缩和纹理映射等点云数据全套处理流程。保证在同一个坐标系下，拼合的公差小于5mm。实时3D视图功能下点云及物体均可显示，视点可任意选择，在区域内可自由移动，支持工程管理及相关数据快速有效的设置，评估选择区域点云质量，输出至用户CAD系统。
系统数据采集控制软件
其他测量辅件
其他测量辅件包括大功率磷酸铁锂户外电源、电源适配器、测试连接线、地质多盘、方位标定杆、探棒放置支架、航空运输箱和野外工具箱等。
系统技术特点
钻孔式三维声呐的技术特点
目前，技术成熟的钻孔式三维声呐的生产厂家有俄罗斯POISK公司(俄罗斯波依斯克公司)生产的sanner-3000R声呐探测系统、德国SOCON公司（德国搜空公司）生产的BSFI声呐测井仪和北京徕达泰科科技有限公司生产的GSS钻孔式三维声呐扫描系统。俄罗斯和德国生产的声呐探测系统主要面向盐穴测量，探测棒的外径分别为76mm和70mm，北京徕达泰科科技的产品主要面向矿山采空区测量，外径为65mm。
俄罗斯
sanner-3000R声呐
德国
BSFI声呐
对比分析：北京徕达泰科科技有限公司生产的GSS钻孔式三维声呐扫描系统声呐探测棒尺寸更适用于矿山钻探后的扫描测量，性价比相对较高。
北京徕达泰科GSS声呐
同时，声波波束角直接决定着空间扫描的空间分辨率和测量精度，北京徕达泰科科技有限公司设计制造的三维声呐采用自主设计的＜2°的声波换声器。
此技术指标已达到俄罗斯和德国设备的技术指标，优于加拿大的二维声呐技术指标。二维声呐只能通过沿不同深度下放测得含水空区的水平剖面形状，且无法获取含水采空区的底部及顶部空间特征，这里不做对比分析。
左图的极轴每格为 3dB，右图的极轴每格为 6dB。
换声器在 833.3kHz 时的指向性图测量结果
三维激光的技术特点
GLSS钻孔式三维声呐-激光扫描系统中的三维激光扫描探测棒总长度96cm、直径为5m。内部集成了高精度大量程的光纤陀螺仪、光电编码角度测量传感器、驱动电机、载波远传通信及控制电路等模块。且激光测量模块的长度为6.88cm，更适合于狭小空间的展开测量，尤其是钻孔贴近采空区帮部时候的扫描测量。
激光测距单元设计尺寸图
探测棒设计上，水平和垂直2个旋转轴部分采用“油封-润滑脂-轴承-润滑脂-轴承”动密封结构，有效保障了优异的防水防护性能。
工程测量的便携性
系统配置了轻便的电动绞车，大大提升了测量工作的数据稳定性和下放提升工作的安全性，同时也减少野外测量工作的工作强度，提高测量工作效率。
02
现场扫描测量成果
测量前准备工作
开始测量前收集现场资料，根据资料合理设计测量方案，需要收集的资料如下。
钻孔深度
即从地面到空区的距离和从地面到空区底部距离，分别对应，钻机开始掉钻时钻杆长度（即覆盖层厚度）和钻机钻杆掉落触底长度。目的：作为探棒是否进入空区的依据，和设备视频影像，激光测距相互辅助判读是否进入钻机揭露空区，软件有下放米数显示，下放米数和覆盖层接近时，放慢下放速度。
孔径
钻孔直径要满足适用探测棒的下放，通常情况下放三维声呐扫描测量钻孔孔径＞90mm、三维激光扫描测量钻孔孔径＞70mm，防止孔径过小容易造成卡孔，即探棒下放或提升时和掉落的石块发生挤压卡死。
地质情况
沿钻孔深度，地层状态，重点关注是否有破碎带和软石层及其分布，预判钻孔坍塌风险。
周边地形
仔细观察周边地形情况，根据地形安排设备架设方式和位置。
测量步骤
◀
连接设备
▶
检查设备种类携带无误后，连接机箱，电源。设备连电后与控制台连接，对设备进行测试，测试设备摄像头及扫描功能是否正常运行，保证设备下井后正常运转。
◀
测量工作
▶
◀
探棒提升
▶
扫描结束后，现场人员以相同的分组进行设备回收工作。结束时，需逐一核对各设备及连接线，避免遗漏。
◀
内业处理
▶
设备扫描结果及轨迹结果在扫描过程中会存入控制平板计算机内，工程结束后，尽量导出扫描结果，避免文件受损或遗漏。
扫描测量成果
本次外业数据采集历时1天，现场共有两个钻孔。
A1钻孔扫描实测结果
A1钻孔轨迹：
A1钻孔轨迹俯视图及侧视图
图例说明：X:Y:Z=1:1:0.1；红色为起始位置，黄色为测量点位置。
空腔体有两处延伸趋势，如图分别为1号西偏北方向延伸，2号南偏西方向延伸。1号延伸：北侧有完整点云反馈，南侧由于角度原因无有效点返回，有西偏北延伸趋势。2号延伸：东侧有完整点云反馈，西侧出现空白区域即无有效点返回，有向南偏西延伸趋势其他空白区域：未显示出延伸趋势，考虑角度原因无有效点返回。
A2钻孔扫描实测结果
A2钻孔轨迹俯视图及侧视图
图例说明：X:Y:Z=1:1:0.1；红色为起始位置，黄色为测量点位置。
A2钻孔空区三维视图：
A2钻孔空区水平投影：
空腔体有两处延伸趋势，如图分别为1号西北方向斜向下延伸，2号东南方向延伸。1号延伸：北侧和西侧有完整点云反馈，顶部点云有向下趋势，南侧和底部由于角度原因无有效点返回，有西北方向斜向下延伸趋势；2号延伸：北侧有部分点云反馈，南侧出现空白区域即无有效点返回，有东南方向延伸趋势。其他空白区域：未显示出延伸趋势，考虑角度原因无有效点返回。
03
附件说明
附件1. A1孔空区三维扫描点云图（DXF格式）
附件2. A1孔空区三维扫描封装图（DXF）格式
附件3. A2孔空区三维扫描点云图（DXF格式）
附件4. A2孔空区三维声呐+激光扫描封装图（DXF格式）
·了解更多·
▼
www.ladartek.com
钟经理 135 2685 9109