具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种多源扫描式钻孔灌注桩扩大头轮廓扫描装置，包括孔内探头、传输拉力电缆、深度编码器、工控机和电源，孔内探头用于获取钻孔灌注桩扩大头轮廓扫描数据，孔内探头置于钻孔灌注桩扩大头所在的空区中，孔内探头通过传输拉力电缆下放到钻孔灌注桩扩大头所在的空区中，并通过传输拉力电缆将采集的扫描数据上传到地面上的计算机，孔内探头从孔口下放的同时，处于孔口的深度编码器开始工作，用于记录孔内探头下放深度，从而计算出钻孔灌注桩扩大头各轮廓扫描点所处的位置深度，深度编码器直接与计算机相连，深度信息直接进入工控机，工控机采集与存储声呐扫描仪4获得的距离数据、摄像仪7获得的圆锥反射镜5的侧部锥面反射的图像数据、电子罗盘8获得的方位数据和深度编码器获取的获得的深度数据，还用来显示和后期分析计算，电源为深度编码器、孔内探头和计算机供电。

如图2所示，一种多源扫描式钻孔灌注桩扩大头轮廓扫描装置，包括孔内探头，孔内探头包括上部壳体1、锥面反射式固定支座2、激光扫描仪3、声呐扫描仪4、圆锥反射镜5、标定通讯杆6、摄像仪7、电子罗盘8、液态感应器9、下部壳体10。

上部壳体1位于孔内探头的上部，上部壳体1的下方安装有锥面反射式固定支座2，锥面反射式固定支座2的底部安装有激光扫描仪3，激光扫描仪3的下方安装有声呐扫描仪4，声呐扫描仪4的下方安装有圆锥反射镜5，下部壳体10位于孔内探头的底部，上部壳体1和下部壳体10之间通过两根标定通讯杆6连接，下部壳体10的上方安装有液态感应器9，液态感应器9的上方安装有电子罗盘8，电子罗盘8的上方安装有摄像仪7，摄像仪7与圆锥反射镜5之间存在一定的距离，便于摄像仪7焦距的调节。

上部壳体1，呈圆筒状，为不带磁的材料，通常选择不锈钢材料，它具有保护内部元器件的作用，上部壳体1内设置有内部元器件，内部元器件包括控制器、信号调制模块、信号传输模块、电源稳压模块等，激光扫描仪3、声呐扫描仪4、摄像仪7、电子罗盘8、液态感应器9通过连接电缆分别通过对应的信号调制模块与对应的控制器连接，激光扫描仪3、声呐扫描仪4、摄像仪7、电子罗盘8、液态感应器9还通过供电电缆与电源稳压模块连接，各个控制器通过对应的信号传输模块与上部壳体1上的拉力接口连接，拉力接口与传输拉力电缆连接，传输拉力电缆通过深度编码器与工控机连接，上部壳体1同时也是支撑内部元器件搭建的平台，上部壳体1具有各种密封装置，防止钻孔灌注桩内部的液体介质进入孔内探头内部。

锥面反射式固定支座2，呈截头的倒圆锥状，即倒圆锥台状，锥面反射式固定支座2的锥面为镜面，具有反射光线的作用，锥面反射式固定支座2的底部是激光扫描仪3、声呐扫描仪4、圆锥反射镜5的支撑搭建平台。

激光扫描仪3，呈圆柱状，为水平周向旋转的激光测距装置，在扫描的过程中，能够同时提供激光扫描点对应测量点到激光扫描仪3的扫描中心的距离与方位角度，激光扫描仪3具有防水的特点，激光扫描仪3能够在空气介质中正常工作，当钻孔灌注桩扩大头内部扫描环境为无水情况下，能够采用激光扫描仪3扫描扩大头的内轮廓。

声呐扫描仪4，呈圆柱状，为水平周向旋转的声呐测距装置，在扫描的过程中，能够同时提供声呐扫描点对应测量点到声呐扫描仪4的扫描中心的距离与方位角度，声呐扫描仪4具有防水的特点，声呐扫描仪4能够在液态介质中正常工作。

当钻孔灌注桩扩大头内部扫描环境为有水或者泥浆情况下，能够采用声呐扫描仪4扫描扩大头的内轮廓。

圆锥反射镜5，呈截头的倒圆锥状，即倒圆锥台状，为不锈钢材料，圆锥角度呈45度。

标定通讯杆6，呈空芯管状，两个标定通讯杆6呈180度对称分布，标定通讯杆6的外侧为圆弧面，两个标定通讯杆6的外侧所在分布圆与孔内探头的外径一致，标定通讯杆6的中心为通孔，便于液态感应器9、电子罗盘8和摄像仪7的连接电缆和供电电缆走线，标定通讯杆6的内侧为平面，在钻孔灌注桩扩大头内部扫描环境为有水或者泥浆的情况下，通过采集声呐扫描仪4与标定通讯杆6的内侧之间的距离数据，能够实现钻孔灌注桩扩大头内部扫描环境的声速修正。

摄像仪7，整体呈圆柱状，摄像仪7具有防水的特点，摄像仪7的内部安装有摄像机和透明防水玻璃，通过合理布置摄像机和透明防水玻璃的位置，确保摄像仪7能够通过圆锥反射镜5观测到钻孔灌注桩扩大头的内部影像。

电子罗盘8，呈圆柱状，电子罗盘8具有防水的特点，能够实时获取孔内探头的二维状态信息，即孔内探头特定点的地理方位，

液态感应器9，能够实时感知钻孔灌注桩扩大头内部扫描环境，判定有物液体(水或者泥浆)，

下部壳体10，呈倒圆台状，上宽下窄，下部壳体10主要是用于设备在扫描过程中，保护孔内探头，防止孔内探头发生严重碰撞事故，下部壳体10通常选用尼龙材料，下部壳体10的顶部外围布设有一圈灯带，灯带发射的光线通过锥面反射式固定支座2的外围锥面镜反射光线到钻孔灌注桩的钻孔岩壁上，确保摄像仪7能够正常拍摄孔灌注桩钻孔内部岩壁的影像信息，

如图3所示，上述所述的激光扫描仪3的扫描平面和声呐扫描仪4的扫描平面之间的垂直距离为h1；上述所述的声呐扫描仪4的扫描平面和圆锥反射镜5的中高平面之间的垂直距离为h2，中高平面为圆锥反射镜5半高处垂直于圆锥反射镜5中心轴的平面，上述激光扫描仪3的扫描平面、声呐扫描仪4的扫描平面和圆锥反射镜5的中高平面平行；上述所述的圆锥反射镜5垂直高度为h；

一种多源扫描式钻孔灌注桩扩大头轮廓扫描装置，还包括传输拉力电缆，传输拉力电缆为钢铠电缆或者钢铠光纤，它具有传输数据和下放孔内探头的作用，可以通过电动绞车或者手动下放传输拉力电缆，实现孔内探头的匀速下放，从而实现空区的精确扫描。

一种多源扫描式钻孔灌注桩扩大头轮廓扫描方法，利用上述多源扫描式钻孔灌注桩扩大头轮廓扫描装置，包括以下步骤：

步骤1：在整套装置组装完成之后，将孔内探头放入需要进行扫描的钻孔灌注桩钻孔中，孔内探头位于孔口处时，深度编码器清零，即设为0深度处，表征对应的声呐扫描仪4的扫描平面位于0深度处；当液态感应器9探测到灌注桩钻孔内部全部或部分为非泥浆环境时，进入步骤2，当液态感应器9探测到灌注桩钻孔内部为泥浆环境时，进入步骤5，

步骤2：开启孔内探头中的灯带和摄像仪7，通过工控机实时观测灌注桩钻孔内部岩壁的影像信息，同时，通过传输拉力电缆缓慢下放孔内探头，直至摄像仪7刚观测到灌注桩扩大头区域，进入步骤3，

步骤3：工控机采集液态感应器9数据，感知钻孔灌注桩扩大头内部扫描环境，判定有无液体(水或者泥浆)，若钻孔灌注桩扩大头内部扫描环境为无水环境，进入步骤4，若钻孔灌注桩扩大头内部扫描环境为清水环境，进入步骤5，

步骤4：激光扫描仪3开启，声呐扫描仪4关闭，采集激光扫描点对应测量点到激光扫描仪3的扫描中心的距离与方位角度，完成水平断面一圈的扫描，同时，工控机采集与存储激光扫描仪3获得的距离数据、摄像仪7获得的图像数据、电子罗盘8获得的方位数据和深度编码器获得的深度数据，进入步骤6，

步骤5：声呐扫描仪4开启，激光扫描仪3关闭，采集声呐扫描点对应测量点到声呐扫描仪4的扫描中心的距离与方位角度，完成水平断面一圈的扫描，同时，工控机采集与存储声呐扫描仪4获得的距离数据、摄像仪7获得的图像数据、电子罗盘8获得的方位数据和深度编码器获取的获得的深度数据，进入步骤6，

步骤6：通过传输拉力电缆缓慢下放孔内探头深度h，若扫描未结束，进入步骤3，若扫描结束，进入步骤7；

步骤7：存储激光扫描仪3获得的距离数据、声呐扫描仪4获得的距离数据、摄像仪7获得的图像数据、电子罗盘8获得的方位数据和深度编码器获得的深度数据，关闭孔内探头的电源，缓慢提升孔内探头，结束本次扫描。

在上述工作过程中，由于泥浆环境无法进行光学摄像，即灌注桩钻孔内部为泥浆环境时，摄像仪7采集的影像数据视为无效，在后续处理中忽略处理；

所述的步骤4和5中，工控机采集与存储激光扫描仪3获得的距离数据、声呐扫描仪4获得的距离数据、摄像仪7获得的图像数据、电子罗盘8获得的方位数据和深度编码器获得的深度数据包括以下步骤：

在钻孔灌注桩扩大头轮廓扫描中，工控机实时记录激光扫描仪3采集的距离数据，工控机实时记录声呐扫描仪4采集的距离数据，工控机通过电子罗盘8记录距离数据对应的方位数据，同时，工控机实时记录摄像仪7采集的图像数据；工控机记录激光扫描仪3的距离数据构成的距离矩阵记为Jh，其中，在深度编码器显示z深度处的第n个扫描点对应的距离数据为Jh[z][n],若激光扫描仪3没有工作，则对应的距离数据为0；工控机记录声呐扫描仪4的距离数据构成的距离矩阵记为Sh，其中，在深度编码器显示z深度处的第n个扫描点对应的距离数据为Sh[z][n],若声呐扫描仪4没有工作，则对应的距离数据为0；工控机记录电子罗盘8采集的方位数据构成的方位矩阵记为Fh，其中，在深度编码器显示z深度处，第n个扫描点对应的方位数据为Fh[z][n]；工控机记录摄像仪7采集的图像数据构成的图像矩阵记为Th，在深度编码器显示z深度处，对应的图像数据为Th[z]。

一种多源扫描式钻孔灌注桩扩大头轮廓扫描方法，还包括：

步骤8、数据修正，具体包括以下步骤：

步骤8.1：距离数据重组；由于激光扫描仪3和声呐扫描仪4不能同时工作，为此，需要将激光扫描仪3获取的距离矩阵Jh和声呐扫描仪4获取的距离矩阵Sh进行合并重组；由于激光扫描仪3的扫描平面和声呐扫描仪4的扫描平面存在h1的距离偏差，将激光扫描仪3的距离数据对应的深度减去h1获得更新后的激光扫描仪3的距离数据，那么重组后的距离矩阵Dh[z][n]为更新后的激光扫描仪3的距离数据加上声呐扫描仪4的距离数据；重组后的距离数据Dh[z][n]表示在深度编码器显示z深度处，第n个扫描点对应的重组后的距离数据；

步骤8.2：距离数据修正；由于扫描过程中，孔内探头有可能会出现摆动的情况，距离矩阵Dh的第n个扫描点不一定对应理论中的方位数据，需要结合方位矩阵Fh对重组后的距离矩阵Dh进行修正；修正后的距离矩阵中的距离数据dh[z][n]＝Dh[z][int(Fh[z][n]/N)]；其中，int表示取整数，N表示激光扫描仪3和声呐扫描仪4水平断面扫描一圈采集的点数；

步骤8.3：图像信息修正；由于圆锥反射镜5的中高平面和声呐扫描仪4的扫描平面存在h2的距离偏差，将摄像仪7采集的图像数据对应的深度加上h2，获得修正后的图像数据；

一种多源扫描式钻孔灌注桩扩大头轮廓扫描方法，还包括：

步骤9：数据优化，具体包括以下步骤：

步骤9.1：距离矩阵dh的优化；为了消除扫描过程中偶然误差，对距离矩阵dh中过大或者过小的数据信息优化处理；

记同一深度的待优化的距离数据与左相邻方位的2个距离数据和右相邻方位的2个距离数据的平均值作为第一优化阈值；

若待优化的距离数据大于2倍的第一优化阈值，则将2倍的第一优化阈值赋值给待优化的距离数据；

若待优化的距离数据小于0.5倍的第一优化阈值，则将0.5倍的第一优化阈值赋值给待优化的距离数据；

若待优化的距离数据小于等于2倍的第一优化阈值且大于等于0.5倍的第一优化阈值，则待优化的距离数据不变。

进而获得优化后的距离数据d[z][n]；即：

若

dh[z][n]>2*mean(dh[z][n-2],dh[z][n-1],dh[z][n],dh[z][n+1],dh[z][n+2])，则d[z][n]＝2*mean(dh[z][n],dh[z][n],dh[z][n],dh[z][n],dh[z][n])；若dh[z][n]<0.5*mean(dh[z][n-2],dh[z][n-1],dh[z][n],dh[z][n+1],dh[z][n+2])，则d[z][n]＝0.5*mean(dh[z][n],dh[z][n],dh[z][n],dh[z][n],dh[z][n])；否则，优化后的距离数据d[z][n]＝dh[z][n]；

步骤9.2：图像矩阵th的优化；为了消除图像矩阵th中的干扰信息，对图像矩阵th进行数字图像滤波处理，如：均值滤波和中值滤波等，得到优化后的图像矩阵t[z]；

一种多源扫描式钻孔灌注桩扩大头轮廓扫描方法，还包括：

步骤10：立体轮廓重构，具体包括：

步骤10.1：如图4所示，建立三维坐标系；以钻孔中心轴线上的深度编码器显示0深度处的对应的声呐扫描仪4的扫描中心作为坐标原点，指向地理正北方向为X轴正方向，指向地理正东方向为Y轴正方向，指向钻孔底部为Z轴正方向；定义扩大头在深度z处第n个扫描点为dzn，dzn对应的X轴方向坐标为d[z][n]*cos(n*2*pi/N)；Y轴方向坐标为d[z][n]*sin(n*2*pi/N)；Z轴方向坐标为z；pi是圆周率，通常取3.14；

步骤10.2：水平断面轮廓重构；在深度编码器显示z深度处，将扫描点dz1、扫描点dz2、...、扫描点dz(n-1)、扫描点dzn依次连接，再将扫描点dzn与扫描点dz1连接，形成封闭的折线环ZXz；依次完成不同深度处的扫描点连接，形成不同深度处的折线环；

步骤10.3：如图5所示，垂向三角网格重构；相邻深度折线环上对应方位的扫描点相连接，如dz1与d(z+1)1相连，dz2与d(z+1)2相连，dzn与d(z+1)n相连；依次判断dzn到dz(n+1)的线段与d(z+1)n到d(z+1)(n+1)线段的长短，若dzn到dz(n+1)的线段比d(z+1)n到d(z+1)(n+1)的线段短，则连接扫描点dz(n+1)与扫描点d(z+1)n；若dzn到dz(n+1)的线段比d(z+1)n到d(z+1)(n+1)的线段长，则连接扫描点dzn与扫描点d(z+1)(n+1)；依次类推，完成相邻深度折线环上非对应方位的扫描点的连接；从而完成垂向三角网格重构，实现扩大头的立体轮廓重构，获得扩大头立体轮廓。

一种多源扫描式钻孔灌注桩扩大头轮廓扫描方法，还包括：

步骤11：纹理图像展开，具体包括：

纹理图像展开的步骤主要包括：关键区域提取和圆环图像展开；

步骤11.1：如图6所示，关键区域提取；每个图像数据中的第一环线WQz和第二环线NQz所围成的圆环区域为扩大头岩壁的关键区域，第二环线NQz位于第一环线WQz所围区域内，第二环线NQz对应圆锥反射镜5底面环形，第一环线WQz对应圆锥反射镜5顶面环形；第一环线WQz外侧和第二环线NQz内侧为白底，无任任何有用信息，为非关键区域；通过像素值所在位置区分图像矩阵t[z]内部的关键区域与非关键区域；

步骤11.2：以图像矩阵t[z]所在图像数据上的中心像素点为起点的射线作为展开分割线，将第一环线WQz和第二环线NQz之间所围成的圆环区域分割开，展开并插值成矩形图像，第一环线WQz对应矩形图像上的第一线段wqz，第二环线NQz对应矩形图像上的第二线段nqz，第一环线WQz和第二环线NQz所围成的圆环区域内的任意一点Pz映射到第一线段wqz和第二线段nqz所围成的矩形区域中的点pz；形成的矩形区域对应的矩形图像即为圆环展开图，用图像矩阵tj[z]表示该矩形区域，图像矩阵tj[z]为像素点大小为行V*列U矩阵，即圆环展开图在水平方向上总共有U个像素点，圆环展开图在垂直方向上总共有V个像素点；

一种多源扫描式钻孔灌注桩扩大头轮廓扫描方法，还包括：

步骤12：轮廓图像融合，具体包括：

步骤12.1：如图7所示，各个扫描点与矩形图像上的像素点进行映射；在矩形图像的第一线段wqz上映射扫描点d(z-h/2)1、扫描点d(z-h/2)2、...、扫描点d(z-h/2)N；扫描点d(z-h/2)n对应第一线段wqz上的第K个像素点，其中

h为圆锥反射镜5垂直高度，“·”标识连接两个扫描点形成线段，上横线“--”表示线段长度，d(z-h/2)i·d(z-h/2)(i+1)表示扫描点d(z-h/2)i和d(z-h/2)(i+1)所连线段，d(z-h/2)N·d(z-h/2)1表示扫描点d(z-h/2)N和d(z-h/2)1所连线段，d(z-h/2)j·d(z-h/2)(j+1)表示扫描点d(z-h/2)j和d(z-h/2)(j+1)所连线段，N表示激光扫描仪3和声呐扫描仪4水平断面扫描一圈采集的扫描点总数；d(z-h/2)N表示在深度编码器显示(z-h/2)深度处，对应的第N个扫描点；z-h/2处若无对应的扫描点，取相邻最近的对应扫描点，上述公式中，K计算为小数时取整。

在矩形图像的第二线段nqz上映射扫描点d(z+h/2)1、扫描点d(z+h/2)2、...、扫描点d(z+h/2)N；扫描点d(z+h/2)n对应第二线段nqz上的第G个像素点，K为第一线段wqz上的像素点序号，其中

d(z+h/2)i·d(z+h/2)(i+1)表示扫描点d(z+h/2)i和d(z+h/2)(i+1)所连线段，d(z+h/2)N·d(z+h/2)1表示扫描点d(z+h/2)N和d(z+h/2)1所连线段，d(z+h/2)j·d(z+h/2)(j+1)表示扫描点d(z+h/2)j和d(z+h/2)(j+1)所连线段，z+h/2处若无对应的扫描点，取相邻最近的对应扫描点，上述公式中，G计算为小数时取整，G为第二线段nqz上的像素点序号。

步骤12.2：矩形图像三角切割；当矩形图像的第一直线wqz上和下部线段nqz上都映射了扫描点之后，按照上述垂向三角网格重构原则，对矩形图像进行三角切割；如矩形图像上d(z-h/2)1与d(z+h/2)1对应的像素点相连，矩形图像上d(z-h/2)2与d(z+h/2)2对应的像素点相连，矩形图像上d(z-h/2)n与d(z+h/2)n对应的像素点相连；依次判断矩形图像上d(z-h/2)n到d(z-h/2)(n+1)对应的线段与矩形图像上d(z+h/2)n到d(z+h/2)(n+1)对应的线段的长短，若矩形图像上d(z-h/2)n到d(z-h/2)(n+1)对应的线段比矩形图像上d(z+h/2)n到d(z+h/2)(n+1)对应的线段短，则连接矩形图像上d(z-h/2)(n+1)与d(z+h/2)n对应的像素点；若矩形图像上d(z-h/2)n到d(z-h/2)(n+1)对应的的线段比矩形图像上d(z+h/2)n到d(z+h/2)(n+1)对应的线段长，则连接矩形图像上d(z-h/2)n与d(z+h/2)(n+1)对应的像素点；依次类推，完成不同深度处矩形图像的三角切割；

步骤12.3：轮廓纹理贴图；将矩形图像上对应扫描点所形成的三角切片与扩大头立体轮廓上的三角网格进行一一对应贴图，即将矩形图像上的三角切片，通过缩放、插值的方式映射到扩大头立体轮廓上，从而实现轮廓纹理贴图。

部件材料及加工要求：

上部壳体1和下部壳体10，为不带磁的材料，通常选择不锈钢或者聚甲醛材料。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。