激光雷达能否探测长距离管道探测内的目标?

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2018-09-04 04:09 标签： 管道探测
摘　要：依据美国ANSI标准，模拟计算了0～12km的高度范围内不同的激光束发散角和不同激光脉冲能量比例的532和1064nm激光脉冲人眼安全最大阈值能量。给出两种532和1064nm激光脉冲人眼安全最大阈值能量分配方案：（1）激光束发散角为0.3mrad且532与1064nm的激光脉冲最大阈值能量之比为1∶2；（2）激光束发散角为0.4mrad且532与1064nm的激光脉冲最大阈值能量之比为1∶1。分析了用这两种激光脉冲人眼安全最大阈值能量分配方案探测模式大气时所对应的信噪比。分析结果表明：这两种方案既能保证机载激光雷达对模式大气探测时地面人眼安全又能达到探测所要求的信噪比。

本实用新型属于航海安全技术领域，具体涉及一种船载激光雷达能见度仪。

海上能见度是指在人正常视力下，能看清海上最远目标轮廓和形状的最大距离，它是海上天气观测的一项重要内容。船舶在海上航行，不可避免地要遭遇能见度不良气候的影响。当海上能见度低时，由于船舶驾驶人员瞭望受到限制，对周围的环境和突发情况估计不足，船舶容易发生碰撞、搁浅或触礁等事故，对海上航行安全造成严重威胁。借助能见度测量设备，驾驶人员可实时了解海域的能见度情况。当船舶驶进低能见度环境时，将能见度信息、位置等反馈于船舶交通管理中心并通知周围船只，提高驾驶人员警觉性，控制航速，使船舶进入戒备状态，减少事故的发生。因此，海上能见度测量对保证船只航行安全具有重要意义。

常见的能见度测量仪器有透射式能见度仪、前向散射式能见度仪、激光雷达能见度仪。透射式能见度仪是利用光束透过两固定点之间的大气柱来直接测量气柱透射率，以此获得能见度，其存在占地面积大、基线对准困难等问题。前向散射式能见度仪是根据接收端接收到的特定角度的散射光强，计算其与光源发射光强之比估算出散射系数，进而得到大气能见度值，其存在采样体积小，镜头灰尘等造成的误差难以修正等问题。激光雷达能见度仪通过探测激光与大气分子和气溶胶粒子等介质相互作用产生的后向散射光信号，利用数学模型反演大气能见度值。与传统能见度仪相比它可实现大气水平、斜程、垂直能见度的全方位立体式探测，具有测量范围广、时空分辨率高和抗干扰能力强等特点，但仍存在体积较大，无法适应海上特殊环境等问题。

本实用新型的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种能够用于航海的、结构紧凑、体积小的能见度仪。

为了达到上述目的，本实用新型提供了一种船载微脉冲激光雷达能见度仪，包括激光器、光纤耦合器、Y型光纤、准直透镜、望远镜、聚焦透镜、窄带干涉滤光片、雪崩光电二极管、单光子计数器、微处理器、无线传输模块、导航定位模块；激光器发出的激光束通过光纤耦合器耦合进入Y型光纤的发射端，通过准直透镜后经望远镜射入大气，后向散射信号由望远镜接收，聚焦后耦合进入Y型光纤的接收端，然后依次经聚焦透镜、窄带干涉滤光片、聚焦透镜、雪崩光电二极管后进入单光子计数器；微处理器分别与无线传输模块、导航定位模块、单光子计数器相连。

本实用新型船载微脉冲激光雷达能见度仪还包括温湿度调节模块；温湿度调节模块与微处理器相连。

温湿度调节模块包括温湿度传感器、继电器、风扇和除湿器；温湿度传感器、继电器分别与所述微处理器相连，所述风扇、除湿器与继电器相连。

其中，无线传输模块采用GPRS模块；导航定位模块包括天线、IMU、GPS模块；天线依次通过IMU、GPS模块与微处理器相连。

上述Y型光纤包括发射光纤和接收光纤，发射光纤采用数值孔径为0.22、芯径为200μm的多模光纤，接收光纤采用8根数值孔径为0.22、芯径为400μm的多模光纤；望远镜采用马克苏托夫-卡塞格林望远镜；激光器采用532nm调Q微脉冲激光器。

上述船载微脉冲激光雷达能见度仪还包括封装外壳和全自动可调谐支架；封装外壳设于全自动可调谐支架上；激光器、光纤耦合器、Y型光纤、准直透镜、望远镜、聚焦透镜、窄带干涉滤光片、雪崩光电二极管、单光子计数器、微处理器、无线传输模块、温湿度调节模块、IMU、GPS模块均设于封装外壳内；天线位于封装外壳顶端；封装外壳一侧设有通孔；望远镜的镜筒位于封装外壳的通孔处。

全自动可调谐支架包括三角支撑架、固定板、水平旋转电机、电机支撑板、垂直旋转电机；固定板水平固定设于三角支撑架上方；水平旋转电机固定于固定板上，且输出轴垂直于固定板；电机支撑板与水平旋转电机的输出轴相连；垂直旋转电机固定于电机支撑板上，且输出轴水平方向设置；封装外壳下端与垂直旋转电机的输出轴相连；水平旋转电机、垂直旋转电机分别与微处理器相连。

其中，封装外壳采用铝合金外壳。

本实用新型相比现有技术具有以下优点：

1.航海过程中，相较于目测，采用微脉冲激光雷达能见度仪，可获得更准确的能见度信息，提高驾驶人员警觉性。

2.采用收发一体的光纤同轴结构，使系统更紧凑，体积更小。

3.将整个系统封装于铝合金外壳中，加入温湿度控制模块，调节系统温湿度，使装置适合海上特殊环境。

4.系统包括导航定位模块和GPRS无线传输模块。当海上能见度低时，提醒船舶驾驶员进入戒备状态，将精确位置、速度、航向、能见度信息等反馈到船舶交通管理中心，通知周围船舶，减小航海事故发生的概率。

5、通过三角支架将能见度仪放置在船舶甲板上，利用水平旋转电机和垂直旋转电机进行多角度自动调节，可测量大气水平、斜程、垂直能见度，获得信息更加全面、准确。

图1为本实用新型船载微脉冲激光雷达能见度仪的原理图；

图2为本实用新型船载微脉冲激光雷达能见度仪的外观结构示意图。

图中，1-电源；2-激光器；3-光纤耦合器；4-Y型光纤；5-准直透镜；6-马克苏托夫-卡塞格林望远镜；7-聚焦透镜；8-窄带干涉滤光片；9-雪崩光电二极管；10-单光子计数器；11-微处理器；12-天线；13-IMU；14-GPS；15-温湿度调节模块；16-GPRS；17-封装外壳；18-三角支撑架；19-固定板；20-水平旋转电机；21-电机支撑板；22-垂直旋转电机。

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。

如图1、2所示，本实用新型船载微脉冲激光雷达能见度仪，主要包括铝合金封装外壳17，封装在其中的电源1、激光发射系统、光学收发系统、数据采集与处理系统、导航定位模块、温湿度调节模块15和通信模块，以及全自动可调谐支架。封装外壳17固定在全自动可调谐支架上，实现水平方向360°旋转，垂直方向90°旋转。封装外壳17上设有通孔。电源1对整个系统进行供电。激光发射系统包括激光2、光纤耦合器3；光学收发系统包括Y型光纤4、准直透镜5、望远镜6、聚焦透镜7、窄带干涉滤光片8；数据采集与处理系统包括雪崩光电二极管9、单光子计数器10、微处理器11。激光器2发射出的激光束经光纤耦合器3耦合进Y型光纤4发射端，通过准直透镜5准直扩束后经望远镜6通过封装外壳17上的通孔射入大气。后向散射信号被同一望远镜6接收，聚焦后耦合进Y型光纤4的接收光纤，经接收光纤传输后通过聚焦透镜7、窄带干涉滤光片8和聚焦透镜7去掉背景光，用雪崩光电二极管9探测信号并经单光子计数器10采集信号，最终送入微处理器11进行存储和能见度反演计算。导航定位模块包括天线12、IMU13、GPS14。微处理器11与导航定位模块、温湿度调节模块15相连。通过GPRS16将获得的信息进行无线传输。

本实施例中，电源1采用节能、洁净的新型可再生能源燃料电池。

本实施例中，激光器2为532nm调Q微脉冲激光器,该激光光源以808nmLD激光器为泵浦源，经Nd:YVO4晶体产生1064nm激光，再通过PPLN晶体倍频获得532nm激光输出。输出的低能量短脉冲激光，解决了对人眼的安全问题。

本实施例中， Y型光纤4包括发射光纤和接收光纤，发射光纤采用数值孔径为0.08，芯径为200μm的多模光纤，接收光纤采用8根数值孔径为0.22，芯径为400μm的多模光纤。

本实施例中，望远镜6采用马克苏托夫-卡塞格林望远镜，同时作为光学信号的发射器和接收器，此望远镜镜筒长度短，可使系统结构更紧凑。

本实施例中，导航定位模块实时获得船舶精确位置、速度、航向等信息，传输到微处理器11。

本实施例中，微处理器11采用STM32F767IGT6芯片，用于反演计算能见度、存储所得实时信息、设定阈值、控制温湿度调节模块。

本实施例中，温湿度调节模块15包括温湿度传感器、继电器、风扇和除湿器；温湿度传感器采用SHT11温湿度传感器，对温湿度进行测量，根据所设阈值启动风扇或除湿器对系统进行降温、除湿，使系统工作在适合的温湿度条件下，防止能见度仪使用期间，海上特殊环境对其造成的影响。

如图2所示，全自动可调谐支架包括三角支撑架18、固定板19、水平旋转电机20、电机支撑板21、垂直旋转电机22；固定板19水平固定设于三角支撑架18上方；水平旋转电机20固定于固定板19上，且输出轴垂直设置；电机支撑板21与水平旋转电机20的输出轴相连；垂直旋转电机22固定于电机支撑板21上，且输出轴水平方向设置；封装外壳17下端与垂直旋转电机22的输出轴相连；水平旋转电机20、垂直旋转电机22分别与微处理器相连。通过水平旋转电机20可实现封装外壳17水平方向360°旋转，通过垂直旋转电机22实现垂直方向90°旋转。

激光雷达能见度仪通过三角支撑架18安装于船舶甲板上，通过旋转可测量大气水平、斜程、垂直能见度。

能见度信息通过GPRS模块实时传输至船舶驾驶仓，当海上能见度不良（小于2km）时，可提醒船舶驾驶员进入戒备状态。

本实施例中，当能见度低劣时（小于500米）时，将精确位置、速度、航向、能见度信息传输至船舶交通管理中心，通知周围船舶，减小航海事故发生的概率。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，并非以此限定本实用新型的具体实施范围，本技术领域的普通技术人员在不脱离本实用新型技术原理的前提下做出的改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。

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