一种激光全断面掘进定向定位系统技术领域
本发明涉及定向定位系统，具体是一种适用于巷道掘进时的激光全断面掘进定向定位系
统。
背景技术
巷道掘进施工过程中，为使巷道走向按照设计的要求参数前进，传统的方法是采用单点
式激光指向仪，发出一束激光在掘进巷道最前端的断面中部形成一个光斑，以此为参照，作
业人员根据经验进行掘进，巷道成型后用卷尺进行测量，然后进行二次修正掘进，这种方法
不仅巷道成型质量差、可靠性差，而且费工费时，已经无法满足标准化和快速掘进的要求。
随着技术的发展，国内外研究人员提出将激光接收器安装在掘进机上，通过控制掘进机
截割头的方向，进行定向挖掘，这种方法由于掘进机的倾斜、跑偏、巷道情况复杂等原因，
机身上的激光接收器很难接收到进行导向的激光束，且该方法结构复杂、维护困难、实用性
差。因此急需发明一种结构简单、实用性强的全断面掘进定向定位系统，为巷道掘进作业人
员提供精确的指示和基准。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术存在的问题，提供一种激光全断面掘进定向定位系统，
其结构简单、工作效率高、抗干扰性强，能够在掘进巷道最前面的断面上形成一个完整的断
面设计轮廓，为标准化和快速掘进提供有力保障。
为了实现上述目的，本发明提供的技术方案：
一种激光全断面掘进定向定位系统，其特征在于，包括全固态激光系统、激光分束系统、
两个第一激光整形系统、第二激光整形系统、UPS电源、防爆开关、防爆电缆、光纤、光纤
耦合器；所述的UPS电源和全固态激光系统之间用防爆电缆连接并设有防爆开关；所述的全
固态激光系统输出一束激光通过光纤输入激光分束系统，激光分束系统输出三束激光并通过
三条光纤分别输入到两个第一激光整形系统和一个第二激光整形系统；光纤与各系统连接处
均采用光纤耦合器耦合；
所述的第一激光整形系统包括第一平凸透镜、第二平凸透镜、第一平凹柱面透镜、第一
可更换式狭缝片，所述的第一平凸透镜一端与第一调节导轨连接、另一端与第一调节旋钮连
接，所述的第二平凸透镜、第一平凹柱面透镜采用第一固定柱竖直固定在第一激光整形系统
内壁上，第一可更换式狭缝片采用第一螺栓固定于第一激光整形系统最前端；
所述的第一平凸透镜、第二平凸透镜的初始距离为两透镜的焦距之和，所述的第一平凸
透镜、第二平凸透镜将光斑直径为500μm的绿光激光束转换为光斑直径为2cm的绿光激光束，
第一平凹柱面透镜将光斑直径为2cm的绿光激光束小角度定向发散，通过移动第一平凸透镜
的位置可以改变发散角，配合第一可更换式狭缝片，将发散的绿光激光束整形成一条竖直线
光源，在掘进巷道最前面的断面上形成一个竖直激光轮廓。
所述的第二激光整形系统包括第三平凸透镜、第四平凸透镜、第二平凹柱面透镜组合、
第二可更换式狭缝片，所述的第三平凸透镜一端与第二调节导轨连接、另一端与第二调节旋
钮连接，所述的第四平凸透镜、第二平凹柱面透镜组合采用第二固定柱竖直固定在第二激光
整形系统内壁上，第二可更换式狭缝片采用第二螺栓固定于第二激光整形系统最前端；
所述的第三平凸透镜、第四平凸透镜的初始距离为两透镜的焦距之和，所述的第三凸透
镜、第四平凸透镜将光斑直径为500μm的绿光激光束转换为光斑直径为2cm的绿光激光束，
第二平凹柱面透镜组合将光斑直径为2cm的绿光激光束小角度定向发散，通过移动第三平凸
透镜的位置可以改变发散角，配合第二可更换式狭缝片，将发散的绿光激光束整形成一条圆
弧形线光源，在掘进巷道最前面的断面上形成一个圆弧形激光轮廓。
所述的第二平凹柱面透镜组合，由至少四片平凹柱面透镜组成，四片平凹柱面透镜的几
何中心在一条弧线上，配合第二可更换式狭缝片将发散的激光束整形成一条圆弧形线光源。
两条竖直线光源和一条圆弧形线光源在掘进巷道最前面的断面上形成一个完整的断面设
计轮廓，掘进机司机可以根据断面轮廓光源快速定向定位截割掘进。
所述的全固态激光系统、激光分束系统、UPS电源、防爆开关、防爆电缆布置于掘进巷
道避难硐室中；
所述的两个第一激光整形系统和第二激光整形系统布置于距离掘进巷道最前端30～100m
的范围内，并用固定杆固定在巷道壁上，即在巷道断面左右两侧的壁上各布置一个第一激光
整形系统，在巷道顶部布置第二激光整形系统。
进一步，所述的全固态激光系统是全固态绿光激光系统。所述的全固态绿光激光系统，
包括泵浦源、绿光光纤激光器、光纤放大器，三者依次用光纤连接。
所述所述的全固态激光系统、激光分束系统、第一激光整形系统和第二激光整形系统分
别做防爆防水处理。
与现有技术相比，本发明的一种激光全断面掘进定向定位系统，能够在掘进巷道最前面
的断面上形成一个完整的断面设计轮廓，掘进机司机可以根据断面轮廓光源快速定向定位截
割，避免了由于掘进机司机经验不足导致的二次修正作业，为掘进巷道的精确截割提供了基
准依据，保证了掘进作业的顺利进行。
全固态激光系统、激光分束系统、激光整形系统结构简单、工作效率高、抗干扰性强，
采用光纤和光纤耦合器传输激光，保证了远距离传输激光信号的稳定可靠性，随着巷道距离
的延长，移动两个第一激光整形系统和第二激光整形系统即可。两个第一激光整形系统和第
二激光整形系统可以根据掘进工作面的实际情况布置于距离掘进巷道最前端30～100m的范
围内均可，通过调节第一调节旋钮调整第一平凸透镜在第一调节导轨上移动，通过调节第二
调节旋钮调整第三平凸透镜在第二调节导轨上移动，可以调整激光的发散角，以实现在巷道
断面形成一个完整的清晰高亮的激光拱形轮廓。本发明优选全固态绿光激光系统，绿光激光
稳定性好、抗干扰性强、辨识率高，即使线光源激光束被部分障碍物遮挡，作业人员也可以
依据轮廓其他部分定向定位截割，实用性和可操作性强。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中激光整形系统5的结构示意图；
图3为本发明中第一平凹柱面透镜5-3的结构示意图；
图4为本发明中激光整形系统5’的结构示意图；
图5为本发明中第二平凹柱面透镜组合5-3’的结构示意图；
图6为本发明中激光整形系统在拱形巷道断面的布置示意图；
图中：1、UPS电源，2、防爆开关，3、全固态激光系统，4、激光分束系统，5、第一激
光整形系统，5’、第二激光整形系统，6、防爆电缆，7、光纤，8、泵浦源，9、光纤激光器，
10、光纤放大器，11、光纤分束器，12、光纤耦合器，13、固定杆；
5-1、第一平凸透镜，5-2、第二平凸透镜，5-3、第一平凹柱面透镜,5-4、第一可更换
式狭缝片，5-5、竖直狭缝，5-6、第一调节旋钮，5-7、第一调节导轨，5-8、第一固定柱，
5-9、第一螺栓，5-10、光束直径为500μm的绿光激光束，5-11、光束直径为2cm的绿光激
光束，5-12、发散激光束，5-13、竖直线光源，5-14、竖直激光轮廓；
5-1’、第三平凸透镜，5-2’、第四平凸透镜，5-3’、第二平凹柱面透镜组合，5-4’、第
二可更换式狭缝片,5-5’、圆弧形狭缝，5-6’、第二调节旋钮，5-7’、第二调节导轨，5-8’、
第二固定柱，5-9’、第二螺栓，5-10’、光束直径为500μm的绿光激光束，5-11’、光束直径
为2cm的绿光激光束，5-12’、发散激光束，5-13’、圆弧形线光源，5-14’、圆弧形激光轮
廓。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1所示的一种绿光激光全断面掘进定向定位系统，包括：全固态绿光激光系统3、激
光分束系统4、两个第一激光整形系统5、第二激光整形系统5’、UPS电源1、防爆开关2、
防爆电缆6、光纤7、光纤耦合器12；所述的UPS电源1和全固态激光系统3之间用防爆电
缆6连接并设有防爆开关2；所述的全固态绿光激光系统3输出一束绿光激光通过光纤7输
入激光分束系统4，激光分束系统4输出三束激光并通过三条光纤分别输入到两个第一激光
整形系统5和一个第二激光整形系统5’；光纤与各系统连接处均采用光纤耦合器12耦合；
其中，所述的全固态绿光激光系统3包括泵浦源8、绿光光纤激光器9、光纤放大器10，
三者依次用光纤7连接。
图2所示的第一激光整形系统5，包括第一平凸透镜5-1、第二平凸透镜5-2、第一平凹
柱面透镜5-3、第一可更换式狭缝片5-4，所述的第一平凸透镜5-1一端与第一调节导轨5-7
连接、另一端与第一调节旋钮5-6连接，所述的第二平凸透镜5-2、第一平凹柱面透镜5-3
采用第一固定柱5-8竖直固定在第一激光整形系统5内壁上，第一可更换式狭缝片5-4采用
第一螺栓5-9固定于第一激光整形系统5最前端；
所述的第一平凸透镜5-1、第二平凸透镜5-2的初始距离为两透镜的焦距之和，所述的
第一平凸透镜5-1、第二平凸透镜5-2将光斑直径为500μm的绿光激光束5-10转换为光斑
直径为2cm的绿光激光束5-11，第一平凹柱面透镜5-3将光斑直径为2cm的绿光激光束5-11
小角度定向发散，通过移动第一平凸透镜5-1的位置可以改变发散角，配合第一可更换式狭
缝片5-4，将发散的绿光激光束5-12整形成一条竖直线光源5-13，在掘进巷道最前面的断面
上形成一个竖直绿光激光轮廓5-14。
图3所示的第一平凹柱面透镜5-3，竖直放置并固定于第一激光整形系统5的内壁上。
图4所示的第二激光整形系统5’，包括第三平凸透镜5-1’、第四平凸透镜5-2’、第
二平凹柱面透镜组合5-3’、第二可更换式狭缝片5-4’；所述的第三平凸透镜5-1’一端与
第二调节导轨5-7’连接，另一端与第二调节旋钮5-6’连接；所述的第四平凸透镜5-2’、
第二平凹柱面透镜组合5-3’采用第二固定柱5-8’竖直固定在第二激光整形系统5’内壁
上，第二可更换式狭缝片5-4’采用第二螺栓5-9’固定于第二激光整形系统5’最前端；
所述的第三平凸透镜5-1’、第四平凸透镜5-2’的初始距离为两透镜的焦距之和，所述
的第三凸透镜5-1’、第四平凸透镜5-2’将光斑直径为500μm的绿光激光束5-10’转换为
光斑直径为2cm的绿光激光束5-11’，第二平凹柱面透镜组合5-3’将光斑直径为2cm的绿光
激光束5-11’小角度定向发散，通过移动第三平凸透镜5-1’的位置可以改变发散角，配合
第二可更换式狭缝片5-4’，将发散的绿光激光束5-12’整形成一条圆弧形线光源5-13’，在
掘进巷道最前面的断面上形成一个圆弧形绿光激光轮廓5-14’。
图5所示的第二平凹柱面透镜组合5-3’，由四片平凹柱面透镜组成，四片平凹柱面透
镜的几何中心在一条弧线上，配合第二可更换式狭缝片5-4’将发散的绿光激光束5-12’整
形成一条圆弧形线光源5-13’。
所述的全固态绿光激光系统3、激光分束系统4、UPS电源1、防爆开关2、防爆电缆6
布置于掘进巷道避难硐室中，方便操作。
如图6所示，所述的两个第一激光整形系统5和第二激光整形系统5’布置于距离掘进
巷道最前端30～100m的范围内，并用固定杆13固定在巷道壁上，即在巷道断面左右两侧的
壁上各布置一个第一激光整形系统5，在巷道顶部根据巷道外形布置第二激光整形系统5’。
所述所述的全固态绿光激光系统3、激光分束系统4、第一激光整形系统5和第二激光整
形系统5’分别做防爆防水处理。
掘进机开始截割煤岩时，打开防爆开关2，通过UPS电源1供电，全固态激光系统3中
的泵浦源8工作，输出808nm的泵浦光；泵浦光泵浦绿光光纤激光器9，输出小功率的532nm
绿光激光；绿光激光作为种子源注入光纤放大器10，得到一束高功率的绿光激光。激光分束
系统4将一束绿光激光分为三束绿光激光，并通过光纤7传输至两个第一激光整形系统5和
第二激光整形系统5’；第一激光整形系统5将绿光激光整形成一条竖直线光源5-13，在掘进
巷道最前面的断面上形成一个竖直绿光激光轮廓5-14；第二激光整形系统5’将绿光激光整
形成一条圆弧形线光源5-13’，在掘进巷道最前面的断面上形成一个圆弧形绿光激光轮廓
5-14’，最终两个第一激光整形系统和第二激光整形系统在掘进巷道最前面的断面上形成一个
完整的断面设计轮廓。掘进机司机可以根据断面轮廓光源快速定向定位截割，避免了由于掘
进机司机经验不足导致的二次修正作业，为掘进巷道的精确截割提供了基准依据，保证了掘
进作业的顺利进行。