详细资料请下载附件，复制不了图片 目 录 一、 结构健康监测介绍 二、 结构健康监测应用领域 (一) 结构健康监测系统在桥梁健康监测中的应用 (二） 结构健康监测系统在地质灾害监测预报现状综述 我国地质灾害隐患状况 目前国内采用的地质灾害监测预警设备 地质灾害的监测预报现状 地质灾害监测技术 灾害预报问题 地质灾害监测预报的发展方向
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目 录
结构的健康监测(Structural health monitoring，SHM)是指利用现场的无损伤的监测方式获得结构内部信息。通过包括对结构响应在内的结构系统特性分析，达到检测结构损伤或退化的目的。健康监测的一个目标就是在这个临界点到来之前提早检测出结构的损伤，这是个实时在线监测过程。
结构的长期健康监测是一种在线监测技术。健康诊断是指结构在收到自然的（如地震、暴雨等）、人为的破坏，或者经过长期使用后，通过测定其关键性的指标，检查其是否收到损伤，如果收到损伤，损伤位置、程度如何，可否继续使用及其剩余寿命等。
安全评估是通过各种可能的、结构允许的测试手段，测试其当前的工作状态，并与其临界失效状态进行对比，评价其安全等级。
损伤识别（Damage dientification）是基于结构振动的损伤识别方法，其基本原理是结构模态参数（固有频率、模态振型等）是结构物理特性（质量、阻尼和刚度）的函数，因而物理特性的改变会引发系统动力响应的改变。理想的损伤识别方法应该具备的另一重要性能是，能够区分结构建模误差引起的偏差与结构损伤引起的偏差间的区别。对于如果从测量得到的信息来解释结构的安全状态及损伤情况是一个尚待遇健全的科学理论。
结构健康监测技术大致经历了三个发展阶段：第一阶段以结构监测领域专家的感官和专业经验为基础，对诊断信息只能作简单的数据处理；第二阶段以传感器技术和动态测试技术为手段，以信号处理和建模为基础，在工程中得到了广泛的应用；近年来，为了满足大型复杂结构的健康诊断要求，进入了以知识处理为核心，数据处理、信号处理与知识处理相融合的智能发展阶段。
结构健康监测应用领域- 结构健康监测系统在桥梁健康监测中的应用
随着交通建设事业的蓬勃发展，一些大跨度和超大跨度的桥梁相继建成，人们对这些大型重要桥梁的安全性、耐久性与正常使用功能日渐关注和重视。桥梁健康监测系统和智能控制技术正成为国内外桥梁学术界和工程界的研究热点，对于不同类型的桥梁建立了各种规模的桥梁健康监测。
桥梁健康监测系统是一个多学科、多组成、多功能的系统，以桥梁检测、监测为基础，辅以信号处理、结构分析、损伤识别、可靠性评估等多种手段，对结构进行健康与安全评估，达到安全预警的目标。
桥梁健康监测系统主要由监测系统和评估系统组成，具体到一个实际实施的桥梁健康监测系统，涉及的内容有很多，如系统规模、系统测试参数、系统集成等等，这些问题都涉及桥梁健康监测系统是否能很好地建成，建成后系统是否能够很好地维持，系统能否很好地使用并且为桥梁的安全评估服务。
监测目的
通过对桥梁进行健康监测，分析桥梁的结构健康状态，评估结构的可靠性，为桥梁的管理与维护提供科学依据。
（二）结构健康监测系统在地质灾害监测预报现状综述
我国地质灾害隐患状况
我国有12万个山体滑坡，8.5万座水库，数以亿计的尾矿库、危岩、泥石流等地质灾害隐患点。统计数据显示，2009年，全国共发生地质灾害10840起，其中滑坡6657起、崩塌2309起、泥石流1426起、地面塌陷316起、地裂缝115起、地面沉降17起。造成人员伤亡的地质灾害197起，共导致331人死亡、155人失踪、315受伤，直接经济损失17.65亿元。
由于全球气候变暖、极端天气的频发，气象因素是诱发地质灾害的主导因素之一。2010年我国地质灾害发生率是2009年同期的10倍以上。
近几年，我国实施过多个地质灾害治理项目，建立了群防群治的组织机构。但是这样的机构要耗费大量的人力和财力不断的巡视地质灾害易发点。这种观察也只能是在天气情况良好的情况下才能实施。只有通过一整套使用数字化、网络化的实时的监测设备才能及时掌握地质灾害易发地区的地质结构健康状况。再加上人工的干预处理，如果被检测结构即将出现险情，尤其是在发生极端天气的时候，这套系统能为居住在周围的群众赢得更多的逃生时间和逃生机会，从而减少人民群众的生命财产损失。
目前国内采用的地质灾害监测预警设备
目前，我国地质灾害的监测和预警主要是采用人工定期采集数据及宏观巡视检查等传统监测手段，存在效率低、投入大、无法及时预报险情等问题。为提高各级政府对地质灾害突发事件的监测预警和管控力度，研发和使用高精度、全天候、自动化、远程实时监测预警的专业级系统装备，已迫在眉睫。
国内的主要检测手段有：激光位移、多普勒合成孔径阵雷达、GPS、应力监测、沉降监测、倾角监测等方式。这些技术都在国内的重点工程上加以应用。比如三峡大坝、小浪底等国家重点工程。其投入的资金都在亿元以上。
倾斜测量
大地GPS监测
这样的投入对于一般的城市很难接受。在这些监测手段中GPS位移监测相对是最便宜的，但是我们要依赖美国的GPS卫星。而且GPS的监测精度是10米，如果要达到毫米级的测量精度GPS所采集数据要经过很长的时间才能计算出来，最快的也几十分钟。由于他的滞后性，如果采用GPS方案就必须有强大的灾变数据分析能力。但是只靠监测地表数据又难以胜任。大部分地质灾害都是突发性的，在发生位置突变的时候GPS根本计算不出这些数据。
我国当前能够完全独立完成一个地质监测项目的公司还很少。因为这是一个复杂的系统工程。涉及到和使用到的设备和网络繁多。现在能做到很好的地质健康监测的地方很少。只有在国家重点工程上才能见到。其中主要的原因是传感器、采集系统、网络多样化的。只有将多个厂家的产品在一个很好的结合体下才能完成。如何能将这些传感器、采集设备、网络及强大的后台分析系统有效的结合是一个今后的发展方向。
一套能够胜任监测、预警的系统应当具备一下几个特点和功能：
- 稳定
- 快速
- 准确
- 低成本
- 结构灵活
- 具有强大的后台分析预警数据平台
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地质灾害的监测预报现状
在地质灾害的研究中，近年来出现了一些新的研究动向。地质灾害问题表现为多因素、多层次和多阶段，是复杂的非线性系统。用传统按静力平衡原理建立的力学方程难以精密解决问题。用基于概率论的可靠性分析，其数学本质仍是用泰勒级数展开并忽略高次项，以得到简单的解析关系，这仍未能深刻揭示灾害系统演化的非线性动力学行为。所以，引入非线性动力学理论分析评价灾害问题，理论上更合理并已成为一个新的方向。
作为非线性科学的支柱的耗散结构论、突变论和分形理论已开始被引入工程地质中，年轻学者表现更为活跃（如秦四清、黄润秋、殷跃平、刘松玉、易顺民等）。其中分形理论用的较多，在区域稳定性和滑坡研究中也取得了一些有意义的成果。分形理论研究自然界具有自相似性但没有特征长度的图形和现象，方法是求图形和现象的分维。或者说在形态、结果、功能和信息等方面具有自相似性或统计自相似性的研究对象叫分形，分形的定量表征就是分维或分维值。目前，常用分维来揭示图形和现象之内在本质和规律，已有十多种不同的分维，主要是容量维、信息维和关联维。
易康民等用信息维评价某滑坡，发现信息维值低，滑坡自组织程度差；信息维急剧变化阶段，对应着一个滑坡活动的高潮期；一定范围内，大滑坡发生前，滑坡活动时空结构的信息维具有很好的降维特征。河海大学曾开华用新信息法计算关联维，发现当边坡进入加速变形阶段时，分维值趋近于1，而临近失稳破坏时，分维值有下降趋势。二者有近似结论，反映分形理论对滑坡等地质灾害研究可能提供一种简洁的技术方法。地质灾害研究对象是地质体和地质环境，数学力学方法有助于量化评价，然而实际证明，宏观和微观地质方法的发展会提供更深刻揭示事物本质的手段，而监控技术手段的发展，对复杂随地质安全施工，设计修正使之更符合安全经济的要求，也是不可缺少的。
储同庆等（1994）将矿物包裹体研究方法引入工程地质，利用被封闭在矿物晶格缺陷、空穴和微裂隙的包裹体，可测试分析得到关于地区区域镇定性总貌、应力场性质、断层切割深度、活动期次与断层活动年龄等信息，已较好地解决几个重要工程的稳定性评价问题。中科院孙广忠、杨志法、周瑞光、刘大安等发展了地质灾害监控系统和CT技术，在地震超前预报、监控反分析、反馈动态设计等方面已形成工程地质特色。例如，在五强溪电站对蠕变体高边坡应用位移时空综合分析监控反馈技术，保证了安全施工，节约了大量经费。
地质灾害的发生具有地域性、阶段性和周期性等，因此在科学意义上具有可区划性与可预测预报性。地质灾害的社会属性最突出地体现在人类作为一种前所未有的作用力，由于人类作用方式、强度的不同，作用对象的反应各异，从而使问题变得复杂起来，使地质灾害的可区划性与可预测预报性降低。地质灾害社会属性研究的根本问题是探索地质环境的自然演化与人类社会活动的和谐关系，从而规范人类改造自然的行为。
当前应基于地质灾害监测预测预报的需要，在开展专门的全国性地质灾害空间预测预报区划研究的同时，选择典型地区实施地质灾害预测预报研究示范工程，总结出一套预测预报准则。当前的地质灾害防治由于缺乏先进技术手段以及未从系统工程观点进行防治，因此在防治工作中具有某些盲目性和处于被动状态，存在的问题大概有以下几点：
1．调查手段落后，用传统的地面方法调查地质灾害，往往在未查明地质灾害的性质、规模、危害程度的情况下，急于整治；
2．灾害点整治的安排轻重缓急不完全合理，或者心中无数，缺乏科学的、完整的勘测、监测、整治规划和计划，造成发生一处治理一处，头痛医头，脚痛医脚的被动局面；
3．地质灾害发生时间的预测预报较薄弱，一般仅限于已经发现地质灾害产生的征兆后，进行监视、监测和预告，而对于事先未发现征兆的地质灾害的预测预报工作较为薄弱；
4．常规的地质灾害监测方法明显存在着不足:一是数据采集主要由人工完成，观测周期长，受天气等外界条件的影响大，需要人员多；二是平面、高程分别施测；三是没有将各种监测方法的数据采集、传输、处理与分析组成一个完整的系统。因此，常规监测方法无法对地质灾害实施连续、实时、动态的监测，不能满足自动化的要求。对于地质灾害的监测预报技术，国内外的许多学者和机构已开展了大量的研究和探索工作。由于我国地质灾害发生频度高，灾害形式复杂多样，促使研究工作在困难中不断前进。
杨志法（1993）按照工程地质综合集成理论（EGMS）提出地质灾害监测系统建立的原则，先根据地质条件分析、理论分析和专家群体经验判断来确定（滑坡）变形敏感区、应力集中区和可能破坏区；再在此基础上设计监测系统。当然，在施工过程中诱发的大裂隙和塌方等灾害，一般也属于重点监测部位。另外，为了进行对比分析，某些地质条件或工程上十分典型的有代表性的地段虽然不属于变形敏感区、应力集中区和可能破坏区，但也应埋设必要的测点。在现场监测中应合理确定监测范围及监测点的布置，埋设必要的量测仪器，获得数据以了解地层和地下结构中的应力场、位移场的实际变化规律，作为采取工程措施的依据。
卓宝熙（1998）提出以“3S”（RS、GIS、GPS）技术为主要手段，建立“3S”地质灾害信息立体防治系统，强调立体防治和实用。在地质灾害发生时间的预测预报方面，提出不同于传统思路的全新概念，即地质灾害发生时间的预测不提出具体时间，而是相对的、随机的时间概念。
陈亚宁（1998）针对环境地质灾害以人——地系统为研究对象、灾害成因机理及其防治为其研究内容的特点，提出环境地质灾害研究本身具有系统性、综合性、应用性和研究方法的多样性。采用调查研究、灾害制图、数学计算、系统分析、模型模拟等定量方法，将地质灾害的监测预报纳入地质灾害信息系统进行研究。
廖椿庭（1999）提出具有数字化、自动化和网络功能的地质灾害监测系统；将灾害发生前的特征信息通过传感器转化为数字化信息、数字化传输、数据库存储并提供使用。并介绍了位移传感器的实验研究和在长江三峡链子崖危岩体监测中的应用情况。
许彦卿（1999）针对地下水与地质灾害的相互依存关系，提出地下水能够影响岩土体的变形和强度，而岩土体中应力的变化（自然力和人类工程力）导致地下水的补给、径流和排泄条件的改变，从而成为诱发地质灾害（地震、滑坡、岩溶塌陷、地面沉降、隧道突水）的主导因素，并运用岩体水力学理论分析了地震孕震规律及进行地震预报与控制的可能性。
刘大安（2000）等探讨了监测信息工程在地质灾害中的作用和地位，重点就监测信息工程建设中若干高新数据库技术的应用问题进行了研究。根据国际上新出现的数据仓库与数据集市的概念，提出了数据运筹概念，并通过实践运用表明:数据运筹数据的监测信息工程，在地质灾害预测与防治、环境保护与监测、地质工程安全监控等领域中是有应用前景的。
刘传正（2001）主要针对突发性地质灾害的监测预测预报提出一套工作思路，核心是通过建立区域地质－气象耦合分析预测预报示范区的途径，探索建立区域突发性群发型地质灾害的预测预报准则，为群测群防提供技术支撑。
赵玉光（2001）结合高速公路隧道中的地质构造（塌方、垮塌、裂隙）问题，对岩体应力释放特征进行了观察和监测，证明量测结果与设计要求存在较大差别，从而提出针对工程建设中的地质灾害问题必须进行动态监测和预报。
刘浩吾（2002）针对地质灾害的预测预报方向，提出并研究了地质灾害特征的可视化模拟技术。结合实际灾害数据，利用计算机模拟技术成功地进行了地质灾害特征的可视化模拟，为更好进行地质灾害预测预报提供了依据。同时，国家“八五”科技公关项目——京津唐地质灾害预测防治计算机辅助决策系统研制，是把计算机科学的高新技术：数据库技术、方法、模型库管理技术、图形图象空间分析技术以及人工智能专家系统技术结合为一体，开发研制出可为主要地质灾害的预测、防治以及经济损失分析提供有效服务的、具有先进的“四库一体化”结构的智能决策支持系统。实际上根据现有的资料来看，地质灾害监测和预报中最重要也是最难把握的问题是监测技术（包括手段、方法、设备和监测内容）和时间的预测预报问题。
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地质灾害监测技术
地质灾害监测技术发展及应用状况自20世纪50年代末期以来，现代科技成就，特别是电子技术和计算技术的成就被引用到地质工程及岩土工程中来，极大地推动了勘察测试技术的进展（魏道垛，1998）。作为工程建设重要内容的监测技术的发展与进步，加速了信息化施工的推行，反过来又迅速提高了人们对地质灾害深层次的认识。
地质灾害监测系统的总体结构随着高新技术的发展，地质灾害监测系统具有了一定的数字化、自动化和网络功能。即将灾害发生前的特征信息通过传感器转化为数字化信息，自动采集或汇集，数字化传输，数据库存储并提供使用，在全国范围内通过互联网实现前兆数据的分布式共享；建立多维地质灾害监测系统，即三维空间和不同的时间尺度，可分为大时间尺度的面上扫描和小时间尺度的单体突发性地质灾害的实时监测。
大时间尺度的监测主要是以遥感（RS）为主，配合中长距离的GPS监测，主要了解大范围地质环境演变过程，为灾害危险性区划服务。通常数月或几年复测一次，以便掌握在不同阶段地质环境的演变过程。
小时间尺度的监测主要监测单体突发性地质灾害，以实时自动监测手段为主，辅以个别间断监测手段（如三角测量、水准测量、钻孔倾斜仪测量）。根据灾害体的具体情况，选定监测内容。主要手段有位移、地电、地应力、微震、地下水位、地下水温、水化学、地球物理探测（磁法、电法、地质雷达）等，但各单体地质灾害所选用的手段不一定相同，要根据实际情况有效地组合达到最佳效果。仪器的选用，要求尽量采用自动监测的智能型仪器，以便实现实时快速捕捉前兆特征信息。纵览中外，地质灾害监测技术的进步和发展具体表现在以下二个方面：
一是监测方法及机具本身的进步。现代物理，特别是电子技术的成就，已广泛应用于新型监测仪表器具中，如各种材料不同形式的收敛计、多点位移计、应力计、压力盒、远视沉降仪、各类孔压计、雨量计及测斜仪等的设计与制作，优化了仪表结构性能，提高了精度和稳定性；
二是监测内容的不断扩大与完整，分析方法的不断提高。但是，我们必须看到，目前岩土工程监测及应用方面还存在着一些急需解决的问题，主要表现以下几点：
1．监测仪器本身，在线性、稳定性、重复性、响应特性及操作性方面存在不少问题。
2．监测信息的采集对基础地质信息重视不够，信息处理的新技术、新方法有待进一步的研究和发展。
3．在一些工程项目中，虽然重视了地质灾害的监测工作，但监测信息却没有得到充分的应用。在许多工程中，地质灾害监测信息真正得到实际应用的不多，用以现场、指导生产、解决实际问题的则更少。
4．地质灾害监测信息的采集一般采用机械式、电子式和自动遥测传输等方式；信息的处理在主要依靠传统数理统计方法的同时，引入了一些非线性处理方法及神经网络处理技术，但研究程度还不高，有待于进一步的研究和工程实践的检验。
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灾害预报问题
灾害发生前已经发现各种征兆时，较容易进行预测预报，人们有意识地采取有益监测手段，密切注意灾害的动态变化。属于此类的地质灾害，其灾害发生时间可较准确的时间预报，其准确程度可达到月、日，甚至小时，即通常所说的灾害临发生前的预报一般只适用于滑坡、崩塌等斜坡变形的地质灾害的预报。关于地质灾害临发前的预报，不乏成功的例子，其中最典型的为1985年6月湖北省秭归县新滩发生滑坡，由于预报准确，滑坡发生前新滩镇上1317人安全迁离，无一伤亡。再如1991年汛期，江苏省地矿局成功地预报了镇江市云台山、跑马山等处的十几个滑坡，危险区内的居民及部分财产安全转移。
问题在于现场人员所关心的是另一种情况，即在地质灾害发生前，并未发生各种征兆时，能否较准确提出何时可能发生斜坡变形，这种情况，难度就大多了。因为，单凭地面调查（即地面因素）确定何时发生斜坡变形是不可靠的，也是不科学的，必须考虑气象因素，换句话说，地质灾害的产生，受两个因素制约，即地面因素和气象因素。
地面因素包括地形、地质、水文、人为活动等诸因素，这些因素与灾害发生的时间如何联系起来难度较大。实际上，前者为定性的而后者为定量的，它们不是属于同一个范畴的概念，如何将前者定性因素转化为后者定量数据，除应对当地历年发生的灾害进行回访和数理统计外，很重要的是经验的分析和逻辑推理，但很难有一个标准的尺度。
除此之外，气象因素是诱发地质灾害的主导因素之一，要真正把握灾害发生规律和准确预测预报灾害的发生时间、规模和破坏程度，就必须考虑两个问题：其一是该地区降雨量多大的情况下可能产生何种类型、多大规模的地质灾害，这就必须了解以往该地区发生过的滑坡、泥石流等灾害的临界雨量。临界雨量确定后，也只能说明该地区各种地质灾害在响应的临界雨量下可能产生灾害，还无法确认何时发生灾害。要预测预报何时会发生灾害，则应结合气象预报，而气象预报准确是很困难的。小区域的降雨量的预报准确更困难，气象台一般预报的是大范围地区的降雨量。在山区，特别是暴雨,往往受小气候和地形的控制而有较大的差别，山前、山腰和山顶的雨量迥然相异；分水岭两侧的雨量也有差异，这些情况，都给灾害产生的时间的预报带来困难。而自动雨量计的设置远未能满足灾害预报的需要，雨量计的管理也是薄弱环节。
由上述可见，对未觉察出地质灾害发生的任何征兆，而将来又可能产生灾害的斜坡（或称不稳定斜坡）或暂时停歇的地质灾害何时再度发生等的预测预报，难度是最大的。对这类地质灾害发生时间的预测预报，我们认为宜粗不宜细，细了容易失误，反而造成麻烦，而且也难作到，对此类地质灾害发生时间的预测预报，一般应以年为单位，至少是一年、数年、十余年、数十年、百余年，等等。当然，纯粹是工程斜坡本身形成的病害，另当别论。实际上，这种预测预报时间单位的划分也不科学，前面谈过，气象预报很难准确预报。因此，硬性规定时间范围，似乎难以反映客观实际。
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地质灾害监测预报的发展方向
应以野外调查为依托，结合气象、环境、大地构造和区域地质资料，以“3S”技术为手段，从系统工程观点出发，把勘测评估、预测监测以及病害整治三者结合成一体的地质灾害信息立体防治系统，在勘测评估中，开展以遥感技术为先导的综合勘测，在查明地质灾害情况后，确定监测（用GPS技术）和设置警报系统地段（或工点），提出需整治的工点，预测可能发生的地质灾害。形成从天上到地面，从面到点，以“3S”技术为主体的公路地质灾害信息立体防治系统。
基于地质灾害检测平台的应急通讯指挥决策系统
这个系统网络的主要特点就是大量的使用的基于ISM频段的无线网络技术。他的基本构架就是一个大型的无线数据链。依托这个技术平台，只要增加一些相关的语音中继链路设备就可以构成一个：数字、语音、图像的多功能灾害指挥决策系统。在遇到重大灾害发生，而且电力和通讯中断时，他的供电系统能保障设备的运行，能为指挥决策部门提供有力的数据通讯保障。配合车载和单兵系统可以为决策部门提供现场图像、语音、灾变数据服务。
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应急通讯指挥设备
激光光干涉位移传感器技术介绍
激光光干涉阵列式位移传感器是利用了激光的抗干扰能力强、分辨率高、误差小、稳定性好等特性，结合使用了国际上先进的视觉测量技术，将激光器固定在检测物体上，通过检测物体上的激光器发出的光线位移测量获得检测物体的相关位移。它还可以根据测量的需要自由组合，同时一个检测设备可以测量一个或多个光靶上的被测物体的位移。
该设备主要应用于土木工程、危险山体、尾矿库、边坡等结构的健康监测上。
水坝监测
尾矿库监测
边坡监测
技术创新点：
1、稳定激光成像及激光器控制技术
2、利用视觉测量技术对成像激光进行精确测量
3、激光在空气中的折射率及折射方向测量，用来修正折射引起的测量误差
项目成熟程度：
通过以上技术的应用与开发，我们已经成功生产出样机。样机经山西省质量技术监督局检验合格，精度达到0.1mm。项目核心技术采用了公司已获得授权的6项专利技术，其中1项为发明专利，5项为实用新型专利。
项目技术方案与创新性
1、项目的技术原理：
图1
如图1所示，该项目利用了现场测量数据采集控制器通过现场测量控制总线，来控制激光器的运作情况。同时，采集控制器也可以利用现场控制总线，指挥视觉测量控制器采用工业面阵CCD监测并采集光靶上光斑的相关数据。然后将采集到的相关数据转化为可识别的电信号后交给计算机。计算机通过图形及数字显示的方式为技术人员提供被测量物体的所在位置及相关位移。
该激光光干涉阵列式三维位移传感器是利用了激光的抗干扰能力强、分辨率高、误差小、稳定性好等特性，结合使用了国际上先进的视觉测量技术，将激光器固定在检测物体上，通过检测物体上的激光器发出的光线位移测量获得检测物体的相关位移。它还可以根据测量的需要自由组合，同时一个检测设备可以测量一个或多个光靶上的被测物体的位移。
项目国内外研究开发现状：
现在国内外的传感器市场比如压力传感器、温度传感器、水平传感器等己表现出成熟市场的特征。激光技术正在将更高的质量和更高的精度引入价值链，而远距离激光光干涉位移传感器是最新流行产品，它的测程大，精度高，有超强的抗干扰能力，广泛应用于土木工程的野外监测。
项目主要内容及创新点：
（1）项目主要内容及技术路线：
激光光干涉阵列式三维位移传感器是利用视觉和光学测量位移，根据固定在测量物体上激光器对测量单元发出激光的投影大小、面积等，从而准确的掌握被测量物体与测量单元之间的相对位移。
其主要解决的问题就是：由于大气的折射率随温度、大气密度、能见度的变化而变化，而且没有什么规律，导致了监测点的位移测量不够精确。我们通过用准直激光器和测量单元来检测折射率，为实际的测量值提供折射率修正。
本项目依据己获受理的1项发明专利和5项实用新型专利。
分述如下：
①可调式激光器
图2
如图2所示，该可调式激光器，属于激光器技术领域，所要解决的技术问题是提供一种能够调节激光器镜头和功率大小的可调式激光器，采用的技术方案是：可调式激光器，包括壳体、激光器、激光器控制器、镜头、标准CS接口和底座，壳体一侧面有开口，开口处设置有标准CS接口，镜头安装在标准CS接口上，激光器固定于壳体开口处内部，激光控制器位于壳体内部，激光控制器与激光器连接，壳体底部设置有底座，本实用新型可以用于工业、农业等测量和探测领域。
本实用新型与现有技术先比，具有的有益效果是：激光控制器通过数字模块的脉冲量来调节激光器功率的大小，满足周围环境对光斑的亮度、成像均匀及边缘整齐的要求，并且可以根据调节激光器的镜头来改变光斑的大小。
②激光光靶结构
图3
图4
如图3、图4所示，本实用新型一种激光光靶，属于激光光靶技术领域，所要解决的技术问题是提供一种能减少外界光对激光信号成像影响的激光光靶，采用的技术方案是：一种激光光靶，包括靶心、框夹、光学玻璃、窄带滤光片、光学投影膜、白平衡膜和巴德滤光膜，靶心四周装有框夹，靶心由光学玻璃、窄带滤光片、光学投影膜、白平衡膜、巴德滤光膜和光学玻璃从上到下依次叠加而成，本实用新型可以用于工业、农业等激光测量和探测领域。
本实用新型与现有技术相比具有的有益效果是：本实用新型的靶心由光学玻璃、窄带滤光片、光学投影膜、白平衡膜、巴德滤光膜和光学玻璃从上到下依次叠加而成，光学玻璃具有很高的透明度和平整度，能够让光线很好穿过，并能压紧其它光膜，窄带滤光片能将特定波长的光通过而让其他波段的光反射（或衰减），光学投影膜可以透过屏幕看到屏幕后面的图象，白平衡膜可以还原物体本来的颜色，巴德膜能消减光线和有害辐射，同时并不会降低被摄物的反差，这样就很好的保证了面阵CCD接收的激光信号的清晰，提高了测量的精度。
③双路视觉测量控制装置
图5
如图5所示，该双路视觉测量控制装置，克服了现有技术存在的不足，所要解决的技术问题是提供一种既能接收、处理激光信号，又能同步校准光源折射率的双路视觉测量控制装置。
本实用新型与现有技术相比，具有的有益效果是：激光光靶保证了面阵CCD接收激光信号的清晰，面阵CCD将接收的激光信号转化为数字电信号，并通过视觉测量控制器将信号送至计算机，实现了激光信号的接收处理，两个面阵CCD与光靶均保持垂直方向放置，以任一面阵CCD及其相对应的光靶做为校准光源折射率检测模型，测量激光在大气中的折射率，另一个面阵CCD及光靶则测实时数据，测量被测物体的偏移位置，克服了大气折射率对测量的影响，这样就在接收处理信号的同时，同步校准了光源折射率，保证测量精度，恒温控制器实时监测壳体内部的温度，通过对散热器和半导体制冷/热块的控制，调节壳体内部温度，保证各仪器在正常温度工作。
④视觉图片
图6
如图6所示，该图则为视觉图片。它是提供被测物体相关位移的数据的直接参考方式。
利用基恩士视觉测量控制器通过对光靶的监测采集到光斑的相关位移数据，把采集到的相关数据转换成可识别的电信号后交给计算机，以视觉图片的方式为技术人员提供被测量物体的所在位置及相关位移。
激光光靶保证了面阵CCD接收激光信号的清晰，面阵CCD将接收的激光信号转化为数字电信号，并通过视觉测量控制器将信号送至计算机，实现了激光信号的接收处理，两个面阵CCD与光靶均保持垂直方向放置，以任一面阵CCD及其相对应的光靶做为校准光源折射率检测模型，测量激光在大气中的折射率，另一个面阵CCD及光靶则测实时数据，测量被测物体的偏移位置，克服了大气折射率对测量的影响，这样就在接收处理信号的同时，同步校准了光源折射率，保证测量精度。
（2）项目创新点：
1、稳定激光成像及激光器控制技术。常见的激光器会有镜头大小不合适，成像不均匀，亮度不适合，边缘不整齐等缺点。例如，环境太亮，会导致光斑周围很毛，这样测出来的数据误差很大；环境太暗，则会测不会光斑。而我们设计的这款激光器，它可以根据数字模块的脉冲量来调节适合功率的大小，满足周围环境对光斑的亮度、成像均匀及边缘整齐的要求。
2、利用视觉测量技术对成像激光进行精确测量。采用视觉测量数据控制器，它能提供多种网络接口，比如串行网络、并行网络、以太网等。它可以连接2个摄像机，并同时处理采集到的光靶上光斑的相关位移数据。然后，再把所得到的数据传给计算机，精确地分析相关数据。
3、激光在空气中的折射率及折射方向测量，用来修正折射引起的测量误差。在设计过程中，将工业1个面阵CCD与光靶均保持相对垂直方向放置，做为校准光源折射率检测模型，测量激光在大气中的折射率。另外的面阵CCD及光靶则测实时数据，精确测量被测物体的偏移位置。
（3）预计项目完成时达到的关键技术及技术指标：
在本项目的执行期中，预计项目完成时达到的关键技术是提供高防护等级，能对激光在空气中的折射做出修正减少测量误差，可以通过组合方式测量位移的其他几维值，一个测量控制器可以测量多个激光标点的位移值，主要技术特征是激光器控制总线串联多个激光器后接入数据采集控制器的输入端，数据采集控制器的一端口通过测量控制总线并接校准激光器和双路视觉测量控制装置；双路视觉测量控制装置的第一激光光靶对准激光器的发射端，所述双路视觉测量控制装置的第二激光光靶对准校准激光器的发射端。
示值误差校准结果：±0.1mm
（4）项目实现的质量标准类型、标准名称
准备申请企业标准。《AP2008企业能量管理系统企业标准》。
产品应用与推广
“结构健康监测及灾害预警系统”由于应用领域很广，所以他是一个庞大的系统工程。整个系统涉及到多领域多学科的多方面技术。基于这种因素，我们首先要根据市场部门的市场调查报告以及初期的业务需求制定相应的设计规划。要在最短的时间内在这个行业立足，短时间获取第一桶金。在行业规范还没有出台之前以领先的技术领先的案例作为行业默认标准和效仿的对象。
为了能尽快占领市场，我们首先要使用国内外成熟、稳定而且已经有成功案例的产品或者器件。例如：倾斜、位移、应力、引张线、GIS、无线网络、嵌入系统等成熟技术。在这个技术上要有自己的创新或者改变。利用这些成熟的技术，加上自己具有一定分析能力的网络化后台组成多种结构适应多种方式的结构健康监测系统。将这些技术整合以后可在一个点和小区域迅速拓展市场。只要有很大的市场存在，这个市场的生命周期不会大于五年，技术领先性不会大于两年。
为了我们在这个行业一直具有领先性，也就是说我们要在这个行业要具有长期稳定的市场占有率就必须具有自己独特的具有市场竞争力的核心产品。
经过几年收集和分析资料，这个行业测量的主要问题在传感器上。后台分析程序由于国内没有很好的地质专家和数学专家，所以“灾变数据模型”没有一个很好的案例。传感器主要是精度、性价比上没有好的突破。好多地方还只能依赖国外GPS。综合以往的经验，我们计划利用成熟的激光技术和视觉传感器技术设计“三维远距离激光光干涉位移传感器”。在速度、精度和性价比上要超过GPS等监测用传感器。
充分配合、利用和完善“引张线技术”将引张线与倾斜、水分、渗漏、孔径压力等传感器结合，做出一个多功能的传感器集合。使他的设计更加成熟、完善，应用场合更加广泛。
只要有了以上两种传感器的支撑，尤其是“三维远距离激光光干涉位移传感器”。只要能很快的申请到专利，公司以这两种传感器做为推广的主导产品。这样整个产品的生命周期就会大于5年以上。在这5年内做一部分技术保留。如果遇到外界有雷同的产品推出，我们就在以往的产品基础上做更新，这样就能继续保持该产品的技术优势和技术领先性，同时就会击败竞争对手。
“三维远距离激光光干涉位移传感器”的核心技术是视觉传感器中的图像修正、图像识别、图像计算等多个算法的结合。尤其是每个算法中的干扰处理部分。目前这种算法掌握最好的是欧姆龙公司。国内掌握这种算法的还在军工和科研单位。所以我们这个设计在国内民品中可以领先一段时间。
“三维远距离激光光干涉位移传感器”的主要优势是：整体造价低、一个测量单元就可以测量多个测点的三维位移值、距离远（不受临近地理干扰）、速度快（测量时间不大于2秒）、精度高（按500万像素CCD计算：分辨率可以达到0.2 MM，精度优于1MM）、安装简单、易维护等多种特点。
1、项目产品特性：
（1）产品形态：工业中间产品；
（2）产品主要用途：用来测量被测物体的偏移量；
（3）产品对相关产业或行业的影响：
随着社会的高速发展，公路、桥梁、大坝、高楼大厦等土木工程成为了整个社会发展最主要的体现。对于土木工程健康状况的连续永久监测是土木工程中最为理想的“结构健康监测”方法。
“结构健康监测”是指利用现场的无损伤的监测方式获得结构内部信息。通过对结构响应在内的结构系统特性分析，测试其是否受到损伤，如果受到损伤，损伤位置、程度如何，可否继续使用及其剩余寿命等，从而提早预知灾难发生时间并积极采取相应措施,以减轻危害程度的目的。
在结构健康监测技术中，传感器作为最基础的结构健康数据采集设备。它将结构中关多个关键点的多种关键数据转换成可以识别的电信号后交给计算机。计算机通过图形及数字显示的方式为技术人员提供该结构测量数据。技术人员通过对这些数据的分析实现对结构体的健康状况作出评估。
这款激光光干涉阵列式三维位移传感器，主要应用于土木工程中进行物体位移量的测量，它测量速度快，精度高，量程大，抗干扰能力强。它是桥梁、边坡等特殊地形、地貌场所的无接触远距离测量位移的最佳选择。
在土木工程的实施过程中，结构的健康监测是必须要做的项目。因此，该传感器起了相当重要的作用。在现场施工中，当建筑物受到天气、温度、材料等影响时会出现变形等质量问题，该传感器会尽早的提供相关偏移数据，以防灾害的发生。
（4）产品对经济社会协调发展的影响
随着社会的高速发展，土木工程成为了整个经济社会发展最主要的体现。同时，土木工程的健康状况监测也成为工程技术人员关注和研究的重要课题。
这款传感器，对公路、桥梁、大坝、高楼大厦等土木工程进行全面监测和监控，将起到耳、目的重要作用，是保证工程安全运行的重要措施之一。一个现代化的测控技术，应该具有采集数据、科学管理数据，及时或实时对水利水电工程的安全状况作出分析和评价，对异常或险情作出辅助决策等等功能。
从防范措施入手，减少自然灾害给人类带来的创痛和经济损失。这是人类避免自然灾害给我们造成损失最好的办法。这是社会发展的需要，也是构建和谐社会的需要。
（5）项目开发对民生改善、经济社会发展或区域优势资源利用的影响。
这套激光光干涉阵列式三维位移传感器，可以进行实时连续的监测，尽早预测临界点到来时间。尤其是在发生极端天气的时候，该设备能为居住在周围的人民群众赢得更多的逃生时间和逃生机会。
项目产品市场与竞争
市场概述
1、项目产品市场概况及需求情况：
现在的传感器市场使用引张线技术、倾斜仪技术和高精度GPS技术比较多。而激光技术正在将更高的质量和更高的精度引入价值链，激光光干涉阵列式三维位移传感器是连续永久监测传感器，它的测程大，稳定性强，精度高，有超强的抗干扰能力。
现在大部分的土木工程以及危险结构体都需要这种永久监测传感器，它具有安装方便，防护等级高优点。如果没有实时连续的观测数据就会有很多不确定的灾变有可能要发生。
2、项目产品的目标市场：
现在这种激光光干涉阵列式三维位移传感器主要应用于：
（1）已经建成的土木工程中，例如：坝体、边坡、山体、尾矿库、桥梁、公路、水利、水电、天然气长输管线等，做实时连续性永久监测。 （2）正在施工过程中的施工单位、监理单位、监管单位以及建筑实验室提供过程监测设备。
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竞争优势分析
1、项目产品的主要竞争者：
目前，同类产品主要的竞争对手是高精度GPS设备和德国莱卡的高精度陀螺全站仪。
2、项目产品技术性能比较优势：
高精度GPS设备存在不稳定、成本高和速度低等缺陷，这样会导致结构健康监测不能得到广泛应用。GPS的低速度会造成，变形临界点即将到达时，长达几分钟的低速度检测根本不能完成灾害预警工作。
现在，土木工程中的高精度测量基本是通过陀螺全站仪来实现的。每台全站仪不仅价格在十万元以上，而且它只能在人工的干预下才能进行测量工作。由于其防护等级低，所以不能胜任实时连续监测的工作。
而我们设计的这款激光光干涉阵列式三维位移传感器，它是实时连续监测传感器。它可以提早预知灾难发生时间，从而尽快做出灾害预警，并采取相应措施以减轻危害程度。
3、项目产品其他市场竞争优势：从产品的顾客价值、价格优势、生产及销售合作网络建设、行业认知、企业管理、客户管理等方面进行阐述。
激光四维位移传感器技术概论
远距离激光四维位移传感器是在二维位移传感器基础上设计的，其中的测量单元在原有X和Y轴的基础上增加了Z轴和旋转倾斜角度及位移测量。对激光光源和和测量单元都有重大改进，其中的激光光源由原先的点光源改为可控图形光源，测量单元采用线阵测量方式，除了在测量维度上有所增加外大大降低了设备成本，只有采用视觉测量成本的15%以下，大量程测量成本将更低。可靠性有了很大提高，使用环境温度从原先的-20℃—40℃，提高到-35℃—65℃，达到了军工级产品标准，可以满足国内任何使用环境需求。
由于产品正在申请国家专利，不能公开核心技术，尽请谅解。
当前激光光干涉位移传感器已获得的知识产权
