路面雷射掃描探測成像系統的製作方法

2023-06-11 21:38:26 2

專利名稱：路面雷射掃描探測成像系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種路面安全探測系統，尤其涉及一種雷射掃描探測成像系統。
背景技術：
國際機場理事會的報告顯示2008年全年，世界範圍內民用航空領域的乘客超過 48億人次，航班起降達到7700萬次，報告還預測在未來10年內，全球客運量將以每年超 過4%的速度增長，同期的貨運量將以每年5%的速度增長。巨大的運輸壓力和日益增長的 客貨流量對機場運行的安全性和穩定性提出了極高的要求。而各級政府，行業主管部門與 包括機場本身在內的相關部門及社會各界也都對機場運營的安全性和穩定性給予了密切 的關注。而因FOD (外來物殘骸)的原因，導致機場跑道關閉的一類運營事故不僅會給機場 帶來經濟損失，對機場的聲譽也會帶來巨大的負面影響。解決此類問題的關鍵在於採用全新的系統和解決方案。目前的情況是採用傳 統的手段和方案，即便機場方面做了最大的努力，跑道上仍然會出現F0D。這使得引擎和機 身受損的風險大大增加，也給整個機場的安全運營帶來了巨大的威脅。目前，世界範圍內，全新的監測系統有Tarsier外來物探測系統(英國)、F0Detect 系統(以色列)、F0DFinder系統(美國)和iFerret系統(新加坡)，這些採用不同技術手 段的FOD監測系統在它們各自的國家都有其不同的優勢，並且都實現了精準監測的目的。但是對於中國來說，還沒有一個機場在使用FOD監測系統。並且上屬探測系統由 於採用軍事技術領域的技術，而導致並不對華出售。據此中國機場FOD監測成為機場安全 穩定運營嗜待解決的問題。
發明內容為了解決以上問題，本實用新型的目的在於提供一種路面雷射掃描探測成像系 統，用於機場跑道或路面的FOD的檢測，解決因FOD帶來的安全問題，實現機場的安全穩定運營。本實用新型通過下述的技術方案實現路面雷射掃描探測成像系統包括控制系統、光源系統、光路調製、信號接收模塊、 信號處理模塊和實時監測端。控制系統連接光源系統和光路調製系統，實現對光源系統和 光路調製系統的控制，光線經過光路調製後，經過路面反射後到達信號接收模塊，信號處理 模塊連接信號接收模塊，信號接收模塊與實時監測端通信。進一步地，控制系統包括發射機和驅動電源，控制系統包括發射機系統和驅動電 源，驅動電源連接發射機系統，所述發射機系統包括半導體雷射器，其主要作用是在處理機 的控制下發射準直的雷射光束。進一步地，光源系統包括分光片、調製器、掃描鏡頭、探測器組、APD201模塊(光電 二極體201模塊)、數據採集卡和同步機，電源連接雷射發生器，光線經過分光片後，一部分 光線經過APD201模塊後傳給數據採集卡記錄輸入數據開始信號；另一部分光線到達調製器進行光路放大後，經過掃描鏡頭對路面進行掃描，經路面反射後的光線傳給探測器組後， 探測器組將信息送入數據採集卡記錄輸入計時結束信號，同步機連接數據採集卡，算出分 光片分出兩路到達數據採集卡的時間差，並根據s = vt的原理，計算出路面有無F0D。進一步地，光路調製為光源系統中的調製器，對分光片分離過來的光線進行光路 放大。進一步地，信號接收模塊包括APD模塊、時刻鑑別模塊、測時模塊和接收機，外部 雷射信號進入APD模塊後經時刻鑑別模塊和測時模塊，進入接收機。其中，APD模塊主要是接收空間中的雷射信號，把光信號轉換成電信號，同時放大 電信號。該模塊輸出信號為峰值為IV左右的模擬電壓信號。其中，時刻鑑別模塊主要是鑑別有用的脈衝信號，作為測時模塊的外部觸發信號。 輸出信號為後面的測時模塊提供起始和停止信息。提高信噪比，降低噪聲信號的幹擾是該 模塊的主要功能。其中，測時模塊主要是測量起始信號和結束信號的時間間隔，該模塊的測時精度 達到了 50ps，測距精度達到了毫米量級，實現了高精度測距。另外，該模塊的輸出埠為 USB2. 0埠，可以實現把時間信息高速傳給上位機(接收機)。進一步地，信號處理模塊包括TDC(測時晶片)，控制系統、數據傳輸電路和信息處 理計算機。其中，信號進入TDC後經控制系統後，經過數據傳輸電路，進入信息處理計算機， 處理機的主要作用是控制發射機發射雷射，測量雷射發射時刻開始時刻與雷射返回時刻停 止時刻之間的時間差，根據該時間差處理得到距離圖像。雷射掃描器的主要作用是對發射 機的發射光束和接收機的瞬時接收視場方向進行同步掃描。進一步地，實時監測端既信號處理模塊中的信息處理計算機，實現FOD監測目的。本實用新型在機場跑道或道路上均勻間距放置探測器，實現對監測目標的持續掃 描，掃描過程不影響飛機的起飛和移動，自動探測FOD障礙物，簡易、簡便、完整的實現機場 跑道和道路的實時監測工作。

圖1為本實用新型所述路面雷射掃描探測成像系統的整體結構示意圖；圖2為本實用新型所述路面雷射掃描探測成像系統的控制系統結構示意圖；圖3為本實用新型所述路面雷射掃描探測成像系統的光源系統結構示意圖；圖4為本實用新型所述路面雷射掃描探測成像系統的信號接收模塊示意框圖；圖5為本實用新型所述路面雷射掃描探測成像系統的APD和時刻鑑別模塊示意框 圖；圖6為本實用新型所述路面雷射掃描探測成像系統的測時模塊結構示意框圖；圖7為本實用新型所述路面雷射掃描探測成像系統的信號處理模塊結構示意框 圖；圖中，1-控制系統、2-光源系統、3-光路調製、4-信號接收模塊、5-信號處理模 塊、6-實時監測端、10-驅動電源、11-發射機系統、110-半導體雷射器、111-發射光線系 統、21-同步機、22-數據採集卡、23-APD210、24-雷射發生器、25-掃描鏡頭、26-探測器組、 27-調製器、28-電源、29-分光片、41-測時模塊、42-時刻鑑別模塊、43-APD模塊、44-上位機、430-電平轉換電路、440-時刻鑑別電路、450-壓控放大電路、460-跨阻放大電路、 470-APD探測器、480-接收光學系統、490-自動增益電路、410-TDC測時晶片、411-MCU控制 電路、412-USB接口電路、413-100MHZ晶振、51-數據傳輸電路、52-微控制器、53-TDC、54-信 息處理計算機。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施例對本實用新型作進一步詳細描述，但不作為對本實用 新型的限定。如圖1所示，一種路面雷射掃描探測成像系統，包括控制系統1、光源系統2、光路 調製3、信號接收模塊4、信號處理模塊5和實時監測端6。控制系統1連接光源系統2和光 路調製系統3，實現對光源系統2和光路調製系統3的控制，光線經過光路調製3後對路面 進行掃描，光經過路面反射後到達信號接收模塊4，信號處理模塊5連接信號接收模塊4，對 接收到的信息進行處理後傳給實時監測端6。參見圖2，其中，控制系統1包括發射機和驅動電源，發射機包括雷射發生器，其主 要作用是在處理器的控制下發射準直的雷射光束。參見圖3，光源系統2包括電源28、分光片29、調製器27、雷射發生器24、掃描鏡頭 25、探測器組26、APD201模塊23、數據採集卡22和同步機21，其中，電源28連接雷射發生 器24，發生器24後設置分光片29，一部分光線經過APD201模塊23後進入數據採集卡22 ； 另一部分光線到達調製器27後，經過掃描鏡頭25，經路面反射後的光線傳給探測器26組， 探測器組26將信息送入數據採集卡22，同步機21連接數據採集卡22，算出分光片29分出 兩路到達數據採集卡22的時間差，並根據s = vt的原理，計算出路面有無F0D。其中，光路調製3包含光源系統2中的調製器27，對分光片29分離過來的光線進 行光路放大。參見圖4，信號接收模塊4為包括APD模塊43、時刻鑑別模塊42、測時模塊41和 上位機44，外部雷射信號進入APD模塊4後經時刻鑑別模塊42和測時模塊41，進入上位機 44。參見圖5，APD模塊43和時刻鑑別模塊42集成在一起，包括電平轉換電路430、時 刻鑑別電路440、壓控放大電路450、跨阻放大電路460、APD探測器470、接收光學系統480 和自動增益電路490，其中，電平轉換電路430、時刻鑑別電路440、壓控放大電路450、跨阻 放大電路460、APD探測器470和接收光學系統480依次相連，自動增益電路490連接壓控 放大電路450。其中，APD模塊採用的是Laser Components公司的APD接收模塊。APD模塊的核 心是集成了低噪聲的Si雪崩光電二極體、預放電路和高壓電源。內置的溫度補償可以保 證APD模組在較寬的溫度範圍內保持增益不變，確保測量的可靠性。APD接收器模塊集成 500 μ m、l. 5mm的Si-APD探測器(400 IlOOnm響應波長範圍)，提供DC到IOMHz的帶寬。 另外，該模塊採用金屬外殼封裝，同時只需要標準的12VDC供電即可工作。由於前端接收到 的光信號是微弱信號，該APD接收器模塊可以快速探測，可靠性高。其中，時刻鑑別模塊主要是鑑別正確的脈衝信號，提高信噪比，降低噪聲信號的幹 擾。該模塊主要是靠高速比較器MAX9601中設置的閾值電壓來降低噪聲的幹擾。該模塊對噪聲的抑制力高，可以對後續測時電路提供啟動或者停止信號。參見圖6，測時模塊41包括TDC測時晶片410、MCU控制電路411、USB接口電路 412和100MHZ晶振413，其中，TDC測時晶片410、MCU控制電路411和USB接口電路412依 次相連，100MHZ晶振413連接TDC測時晶片410。其中，TDC測時晶片410採用的是TDC-GP2時數轉換晶片，該晶片內部集成有2個 算術邏輯單元ALUl、ALU2。單次測量解析度為典型65ps，功耗超低、集成度高、測量靈活，是 脈衝式雷射測距儀高精度時差測量的最佳選擇。該模塊的測時精度達到了 50ps，測距精度 已經達到了一釐米以下，同時每秒可以處理大於400K點的數據信息。該模塊的輸出埠為 USB2. 0埠，數據傳輸速度到達了 lOMB/s，實現了高精度高速測距。參見圖7，信號處理模塊5包括數據傳輸電路51、微控制器52、TDC53、和信息處理 計算機54，其中，信息處理計算機54和數據傳輸電路51、微控制器52、TDC53依次相連，實 現對信息的處理。進一步地，實時監測端6即為信號處理模塊5中的信息處理計算機54，實現對路面 及機場路面的監控。本實用新型不限於上述實施例，對於本領域技術人員來說，對本實用新型的上述 實施例所做出的任何顯而易見的改進或變更都不會超出僅以舉例的方式示出的本實用新 型的實施例和所附權利要求的保護範圍。 權利要求一種路面雷射掃描探測成像系統，包括控制系統(1)、光源系統(2)、光路調製(3)、信號接收模塊(4)、信號處理模塊(5)和實時監測端(6)，其特徵在於控制系統(1)連接光源系統(2)和光路調製系統(3)，光線經過光路調製(3)後，經過路面反射後到達信號接收模塊(4)，信號處理模塊(5)連接信號接收模塊(4)，信號接收模塊(4)與實時監測端(6)通信。
2.根據權利要求1所述的一種路面雷射掃描探測成像系統，其特徵在於控制系統(1) 包括發射機系統(11)和驅動電源(10)，驅動電源(10)連接發射機系統(11)，其中發射機 系統(11)包括半導體雷射器(110)和光線發射系統(111)。
3.根據權利要求2所述的一種路面雷射掃描探測成像系統，其特徵在於光源系統 (2)包括電源(28)、分光片(29)、調製器(27)、雷射發生器(24)、掃描鏡頭(25)、探測器組 (26)、APD201模塊(23)、數據採集卡(22)和同步機(21)，其中，電源(28)連接雷射發生器 (24)，發生器(24)後設置分光片(29)，一部分光線經過APD201模塊(23)後進入數據採集 卡(22)；另一部分光線到達調製器(27)後，經過掃描鏡頭(25)，經路面反射後的光線傳給 探測器(26)組，探測器組(26)將信息送入數據採集卡(22)，同步機(21)連接數據採集卡 (22)。
4.根據權利要求3所述的一種路面雷射掃描探測成像系統，其特徵在於信號接收模 塊(4)包括APD模塊(43)、時刻鑑別模塊(42)、測時模塊(41)和上位機(44)，外部雷射信 號進入APD模塊(4)後經時刻鑑別模塊(42)和測時模塊(41)，進入上位機(44)。
5.根據權利要求4所述的一種路面雷射掃描探測成像系統，其特徵在於APD模塊 (43)和時刻鑑別模塊(42)集成在一起，包括電平轉換電路(430)、時刻鑑別電路(440)、壓 控放大電路(450)、跨阻放大電路(460)、APD探測器(470)、接收光學系統(480)和自動增 益電路(490)，其中，電平轉換電路(430)、時刻鑑別電路(440)、壓控放大電路(450)、跨阻 放大電路(460)、APD探測器(470)和接收光學系統(480)依次相連，自動增益電路(490) 連接壓控放大電路450。
6.根據權利要求5所述的一種路面雷射掃描探測成像系統，其特徵在於測時模塊 (41)包括TDC測時晶片(410)、MCU控制電路(411)、USB接口電路(412)和100MHZ晶振 (413)，其中，TDC測時晶片(410)、MCU控制電路(411)和USB接口電路(412)依次相連， 100MHZ晶振(413)連接TDC測時晶片(410)。
7.根據權利要求6所述的一種路面雷射掃描探測成像系統，其特徵在於信號處理模 塊(5)包括數據傳輸電路(51)、微控制器(52)、TDC(53)、和信息處理計算機(54)，其中，信 息處理計算機(54)和數據傳輸電路(51)、微控制器(52)、TDC(53)依次相連。
專利摘要本實用新型公開一種路面雷射掃描探測成像系統，包括控制系統、光源系統、光路調製、信號接收模塊、信號處理模塊和實時監測端，其中控制系統連接光源系統和光路調製系統，實現對光源系統和光路調製系統的控制，光線經過光路調製後對路面進行掃描，光經過路面反射後到達信號接收模塊，信號處理模塊連接信號接收模塊，對接收到的信息進行處理後傳給實時監測端，根據所得信息對路面情況進行監測用於機場跑道或路面的FOD的檢測，實現對監測目標的持續掃描，掃描過程不影響飛機的起飛和移動，自動探測FOD障礙物，簡易、簡便、完整的實現機場跑道和道路的實時監測工作。
文檔編號G01V8/10GK201754190SQ20102012636
公開日2011年3月2日 申請日期2010年3月9日 優先權日2010年3月9日
發明者楊治國, 王光發, 高國華 申請人:高國華;楊治國