本发明属于交通隧道检测成像技术领域，具体涉及一种交通隧道表观及内部三维成像方法及系统，主要面向于隧道表面及隧道管片背后缺陷结合的三维成像。
背景技术
在现代，伴随计算机绘图技术的发展，在交通隧道设计初期就绘制三维设计规划图已经成为常态。而早先建成的存有手绘图纸的隧道也可以通过计算机临摹绘制的方式获得电子图纸，进而进行三维建模。但是，由于火车诞生较早，在我国有大量火车隧道建成于计算机绘图技术诞生之前，且有相当一部分火车设计图纸因时间原因已经丢失，如何对这部分火车隧道进行三维建模成为亟需解决的问题。
此外，由于运营时间的问题，新老交通隧道均会不同程度出现病害，例如表观缺陷或管道背后空洞等问题。在运营期，部分隧道因其总里程较长，病害出现点分散，采用人工检测已经不能满足隧道日常养护维修的需求。
传统的检测方法例如激光扫描法只能针对隧道表观进行三维建模，而超声波探测法虽然可以探测隧道管片背后的缺陷，但现有超声波探测技术均只专注于探测缺陷大致位置，且需要检测人员具有丰富的经验才能判断出缺陷类型及大致形状，且缺乏形成三维图像的相应手段，导致无法针对隧道管片背后的注浆层及土层和缺陷进行三维建模。
技术实现要素：
根据现有技术中存在的上述不足，本发明提供一种隧道三维成像方法及系统，将激光扫描与超声波探测技术结合，通过测定超声换能器与激光扫描成像仪的相对位置，将超声换能器检测的反射层深度数据转换为坐标并整合至激光扫描得到的点云数据中共同进行重建，从而能够建立包含隧道表面及深层构造的三维图像。
为了实现上述目的，本发明提供了一种隧道三维成像方法，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，确定反射界面的深度及各反射界面的反射次数，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。
进一步地，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。
进一步地，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。
为了实现上述目的，本发明还提供了一种隧道三维成像系统，包括：激光扫描成像仪、超声换能器、放大解调器、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经由放大解调器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。
进一步地，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。
进一步地，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。
总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：
1、通过激光扫描测量的方法，大面积高分辨率地快速获取隧道表面的点云三维坐标数据，快速建立隧道表面点云模型；而通过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的方式，结合超声换能器的坐标记录，将超声换能器探测的反射信号所表征的一维数据，即反射面的深度结果转换为反射面的三维坐标，并能与隧道表面点云模型的坐标数据相对应，从而建立隧道表面与隧道深层构造的三维模型；
2、由于本发明能将超声波探测的深度数据与隧道表面点云模型的坐标数据相对应，得到反射面的三维坐标，因此根据不同反射面的反射次序以及隧道基础构造可以判断出隧道背面是否存在孔洞缺陷以及缺陷的大致形状、大小及位置并通过三维建模进行直观展示。
3、通过超声换能器平面阵列进行超声波扫描，使用不同振动频率的超声波进行探测，一方面可以准确区分各超声波换能器的探测信号，另一方面在一次扫描过程中，对同一扫描点可以进行多次重复探测，从而利用重复探测的反射信号数据进行校验，获得更准确的反射界面位置信息。
附图说明
图1是本发明的主要步骤流程图；
图2是本发明第一实施例的功能模块架构图及声波反射示意图；
图3是本发明第二实施例的超声换能器阵列平面示意图；
图4是本发明第三实施例的搭载车简图；
图5是本发明第三实施例的悬臂顶端构造示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参照图1及图2，本发明提供的一种隧道三维成像系统方法，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，确定反射界面的深度及各反射界面的反射次数，并记录超声换能器的三维坐标。
具体地，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。
(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测量点坐标，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。
具体地，获取反射界面深度及点云的方法如下：
声速在介质中的传播速度c计算公式为：
式中，e为介质的杨氏弹性模量，ρ为介质密度，k为与介质泊松比σ有关的常数，按照经验值选取。
由于隧道管片、土层的上述性质可以取样实测获得，故可由公式①确定超声波在隧道管片中的声速c隧和在土层中的声速c土。
请参照图2，由于第一次反射来自于管片的底面，接收到第一次反射信号的时间为t1，则管片厚度h管计算公式如下：
h管＝t1c隧/2②
第二次反射来自于空洞上表面，第二次反射经过了土层和管片，从接收到第一次反射信号到接收到第二次反射信号的时间间隔为t2，则空洞上表面该测点的深度h上计算公式如下：
h上＝h管+t2c土/2③
由于隧道土层松动产生的空洞一般并不是真空，内部填充有空气或液体，因此声波会继续透过空洞，而不会在空洞上表面发生全反射，而能够接收到空洞下表面反射回的第三次反射信号。
本实施例假定空洞内容物为气体，超声波在气体中的传播速度为c气，从接收到第二次反射信号到接收到第三次反射信号的时间间隔为t3，则空洞下表面该测点的深度h下计算公式如下：
h下＝h上+t3c气/2④
由于深度为一维坐标，而超声换能器与激光扫描成像仪的相对位置保持固定，且超声波发射方向与光轴方向平行，故超声换能器在激光扫描成像仪内部坐标系的坐标是恒定的，因此，将上述深度直接添加到超声换能器在激光扫描成像仪内部坐标系的光轴方向坐标上，即得到反射界面(管片底面、空洞上下表面)的当前测点坐标。
通过扫描运动，则可以获得反射界面上所有测点的坐标，从而得到反射界面的点云。
(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。
以图2为例，由于正常区域只有管片及土层，本实施例不考虑土层尽头的反射，则，正常区域只有管片与土层交界面反射回的一次反射波，因此，原始点云模型中只有一次反射波的区域为正常区域。而每个空洞区域都会产生两次反射，因此三个反射波说明该处有一个空洞，五个反射波表示该处深度方向有两个空洞，依次类推。深度计算公式也可以由步骤(2)类推得到。
(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(本实施例为空洞)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。
请参照图2，本发明的集成上述方法的隧道三维成像系统包括：激光扫描成像仪、超声换能器、放大解调器、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经由放大解调器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步骤(1)～(5)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。
本发明的第二实施例与第一实施例的区别在于，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，超声换能器平面阵列示意图如图3所示，包括超声换能器安装板1，多个超声换能器2在超声换能器安装板上组成平面阵列，各超声换能器2的超声波发射方向平行；超声换能器安装板1中心开设有透光孔3，激光扫描成像仪的头部正对透光孔3设置。
超声换能器平面阵列在一个超声波检测周期内可以一次性获取多组深度数据，如图3所示可以一次扫描获取25组深度数据；而在随激光扫描成像仪同步前进扫描过程中，会对两次扫描过程的交叉区域进行二次测量。根据设置的步进扫描距离，对同一区域的重复测量次数可以随意调整，例如，对于图3中的5×5阵列，从图中向右步进，每次前进距离等于列间距，则同一区域可以经过5列超声换能器重复扫描5次从而得到该区域的5组点云数据，从而可以利用5组点云数据剔除噪声，进而拟合出更为精确的空洞轮廓曲面。
请参照图4、5，为本发明的第三实施例，第三实施例提供了一种用于带动激光扫描成像仪和超声换能器进行扫描工作的搭载车。该搭载车包括：悬臂4、车身5以及步进电机6；悬臂4根部枢接于车身5上，以在步进电机6驱动下做旋转运动，车身5用于带动悬臂前进或后退。悬臂4顶端安装激光扫描成像仪和超声换能器安装板集成模块7
请参照图4、5，悬臂顶端设置有套筒8、压缩弹簧9、圆柱状的安装杆10以及连接销11；套筒8上沿轴线方向开设有关于套筒轴线对称的两个腰型孔12；压缩弹簧9设于套筒8内部，安装杆10一端插于套筒8内、抵接压缩弹簧9，且通过连接销11与腰型孔12配合，避免安装杆10从套筒8中脱落；安装杆10另一端用于安装固定激光扫描成像仪和超声换能器安装板集成模块7。
通过上述设置，一方面利用压缩弹簧9的弹性使超声换能器紧贴隧道表面，另一方面，在扫描过程中的距离波动也可以通过压缩弹簧9的伸缩进行补偿，提高扫描稳定性及适应能力。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。