CN101876754A - 用于铁路安全运行的激光夜视设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了铁路安全控制技术领域中的一种用于铁路安全运行的激光夜视设备。包括镜头、低照度摄像机、光敏控制模块、激光光源、激光控制模块、激光扩束模块；镜头安装在低照度摄像机上，低照度摄像机与光敏控制模块相连，光敏控制模块与低照度摄像机和激光光源相连，激光光源与光敏控制模块和激光扩束模块相连，激光扩束模块与激光控制模块和激光光源相连，镜头、低照度摄像机、光敏控制模块、激光光源、激光控制模块和激光扩束模块与接线端子相连。本发明提供的激光光强均匀，不会产生红曝现象，解决了摄像模式切换时出现的图像模糊问题，实现了激光光源与镜头焦距的联动，有效抑制了强光，并使激光夜视系统结构更加适应实际需要。

Description

用于铁路安全运行的激光夜视设备

技术领域

本发明属于铁路安全控制技术领域，尤其涉及一种用于铁路安全运行的激光夜视设备。

背景技术

伴随着中国铁路的快速发展，视频监控系统因具有直观性和可视性特点，在新建客专、高速铁路以及既有铁路线改造中都有广泛的应用。铁道部也制定了铁路综合视频监控系统技术规范，为视频监控系统在铁路中的推广应用奠定了技术基础，同时也为确保铁路运输的高效、安全运行提供了保障。

在此背景下，铁路上各业务部门也已经建设了一些视频监控系统。如今白天的视频监控质量已经达到了非常好的效果，比如高清晰模拟摄像机可以达到540线或更高；IP网络摄像机可以达到百万像素或几百万像素；而夜晚的监控效果却差强人意，虽然采用了如彩色摄像转黑白摄像、超低照度、场积累、降噪等技术，带给夜视监控有一定程度的进步，但是仍然未能达到夜间满意的图像效果，主要表现在以下几个方面：

1、夜晚图像成像效果差，表现在噪声大、图像清晰度低。

2、观察距离近，仅能达到几十米，最多只能达到一二百米。

3、辅助光源的角度不容易调节或即使能调节但是跟镜头的焦距不能很好地一致。

4、铁路系统对照明的光源有无红曝要求，以防止面状光源形成的照射面跟红色信号灯接近，易造成安全事故等问题，因此目前市面上应用较多的波长为850纳米的红外光源不能应用。

随着技术的不断发展，人们对视频监控的要求也越来越高。越来越多的场合和项目需要在夜晚或黑暗的条件下进行监控，人们需要能像白昼一样将被监控对象看得见、看得清，需要得到足够的光信息，将看不清或看不见的图像增强或转换成人眼看得见的图像，同时将人们的监控活动时间从白天延伸到夜间，提高监控的效果和质量。目前，解决铁路视频监控系统在夜间和光线不足条件下进行监控的方法是采用激光照明技术。然而，现行的激光照明技术存在以下问题：

1、目前常用的近红外的半导体发光产品，都存在红曝问题，这是由半导体发光机制所决定的。因LED灯由许多LED管组装而成，出现红曝后，会使产品的整个面板发生红曝现象，不利于红外灯的隐蔽，更不利于铁路安全运营。

2、传统的激光器常因激光输出不对称，光束质量差而使得激光光源不能很好地应用。

3、彩色摄像切换成黑色摄像或者黑色摄像切换成彩色摄像，会使摄取的图像模糊。白天的可见光和夜晚的照明光源的波长不一致，造成图像成像不清晰的问题。

4、激光光斑角度与镜头焦距的不能联动。室外一般应用变焦镜头，当调整焦距时光源的光斑不跟随焦距变化，导致光斑在图像中只占一部分或偏移出画面。

5、无法对强光进行有效抑制。铁路上夜间火车一般都会开着车灯，如果列车迎着摄像机而来的话会造成图像画面一片花白，看不清图像的问题，火车过去以后图像才正常。

6、结构设计简单，不能满足铁路沿线灰尘多、雷电问题严重的实际应用需求。

发明内容

本发明的目的在于，针对上面提出的铁路视频监控系统在夜间或者光线不足条件下，进行视频监控遇到的问题，提出一种激光夜视设备，用以保证铁路的安全运行。

本发明的技术方案是，一种用于铁路安全运行的激光夜视设备，其特征是所述激光夜视设备包括镜头、低照度摄像机、光敏控制模块、激光光源、激光控制模块、激光扩束模块；

所述镜头安装在低照度摄像机上；

所述低照度摄像机与光敏控制模块相连；

所述光敏控制模块与低照度摄像机和激光光源相连；

所述激光光源与光敏控制模块和激光扩束模块相连；

所述激光扩束模块与激光控制模块和激光光源相连；

所述镜头、低照度摄像机、光敏控制模块、激光光源、激光控制模块和激光扩束模块与接线端子相连；

所述镜头携带滤光片切换装置，用于抑制强光；

所述光敏控制模块用于检测所述激光夜视设备的工作环境的光照度，在光照度低于设定阈值时，控制低照度摄像机从彩色摄像模式切换到黑白摄像模式，并控制激光光源启动，同时调节低照度摄像机的摄像位置；在光照度高于或等于设定阈值时，控制低照度摄像机从黑白摄像模式切换到彩色摄像模式，并控制激光光源关闭，同时调节低照度摄像机的摄像位置；

所述激光光源采用波长大于900纳米的单一激光光源；并且所述激光光源包括调节透镜，用于调节通光口径、折射率、透镜面形；

所述激光控制模块，用于采集低照度摄像机的焦距，并运用焦距跟激光光斑角度的非线性关系，计算出激光光斑角度的大小，然后控制激光扩束模块，实现焦距跟激光光斑的联动；

所述激光扩束模块，用于调节激光光斑的角度；

所述接线端子与电源和信号线相连，用于为镜头、低照度摄像机、光敏控制模块、激光光源、激光控制模块和激光扩束模块提供工作电压以及为镜头、低照度摄像机、光敏控制模块、激光光源、激光控制模块和激光扩束模块提供控制信号。

所述激光夜视设备还包括温度控制模块，所述温度控制模块与接线端子相连，用于测量所述激光夜视设备的工作环境温度并根据测量得到的工作环境温度调节激光夜视设备自身的温度。

所述滤光片切换装置包括红外过滤片和蓝绿光过滤片，白天使用红外过滤片用于过滤红外光；夜间使用蓝绿光过滤片用以过滤可见光。

所述设定阈值为20克勒斯。

所述激光光源包括激光照明器。

所述激光控制模块包括激光强度联动端口。

所述激光夜视设备安装在防尘罩中。

所述防尘罩安装在室外杆架的云台上，所述云台距离铁轨垂直距离为4米至4.5米。

所述接线端子安装在室外杆架的室外控制箱中。

本发明提供的激光夜视设备，提供的激光光强均匀，不会产生红曝现象，解决了彩黑摄像切换或黑彩摄像切换时可能出现的图像模糊问题，实现了激光光源根据镜头焦距的变动调节激光光斑角度，有效抑制了强光，并使激光夜视系统结构更加适应实际需要。

附图说明

图1是用于铁路安全运行的激光夜视设备结构示意图；

图2是监控摄像机彩色模式/黑白模式切换成像原理图；

图3是用于铁路安全运行的激光夜视设备室外安装结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1是用于铁路安全运行的激光夜视设备结构示意图。图1中，用于铁路安全运行的激光夜视设备包括镜头、低照度摄像机、光敏控制模块、激光光源、激光控制模块、激光扩束模块。其中，镜头安装在低照度摄像机上(即低照度摄像机的前端)，低照度摄像机与光敏控制模块相连，光敏控制模块与低照度摄像机和激光光源相连，激光光源与光敏控制模块和激光扩束模块相连，激光扩束模块与激光控制模块和激光光源相连。镜头、低照度摄像机、光敏控制模块、激光光源、激光控制模块和激光扩束模块与接线端子相连。

本发明提供的激光夜视设备激光光源采用波长大于900纳米的单一激光光源。这是因为，一般地波长超过700纳米的红外线会有红曝现象，900纳米以上的红外线基本无红曝。波长越短，红曝越强，红外线感应度也越高。因为铁路涉及行车安全，产生红曝的激光光源会被列车驾驶员误认为红灯，容易导致行车安全隐患。所以必须选择900纳米或以上的完全无红曝的产品。同时，面状的光源在远距离观看时容易产生红曝问题，在实际应用中使用900纳米或以上的单一激光光源。目前市面上有两种主流红外灯，一种是有轻微红曝的，波长在850纳米左右；还有一种是无红曝的，波长在940纳米左右。因此，在本发明实施时，建议使用波长在940纳米左右的红外灯作为激光光源。

传统的激光光源采用激光照明器输出激光。但是激光照明器常因激光输出不对称，光束质量差而使得激光光源不能很好地应用。为此，在本发明提供的激光夜视设备的激光扩束模块中，通过调节透镜调整通光口径、折射率、透镜面形等，使得其整形后的光斑像散最小，同时使不同发散角的光束部分在出口处叠加，实现光斑的强弱平均。由于激光光斑的非均匀性降低，达到了夜视成像照明要求。

在夜间或者光照条件不足时使用的无红曝激光光源，其波长在900纳米或以上，此时的摄像机采用黑白摄像模式。而在白天，一般的可见光是波长为380纳米至780纳米的电磁波，此时的摄像机采用的是彩色摄像模式。图2是监控摄像机彩色模式/黑白模式切换成像原理图。其中，201为镜头，202为可见光线，203为激光光线。两种摄像模式下，不同波长的光线经过镜头后，在摄像机中成像的位置不一样，因此就会出现图像模糊的问题。通常的解决办法是，为摄像机预先设定两个不同的摄像位置，分别为第一摄像位置和第二摄像位置。第一摄像位置用于接收可见光，在彩色摄像模式下拍摄彩色图像；第二摄像位置用于接收波长大于900纳米的激光，在黑白摄像模式下拍摄黑白图像。然而，将摄像机调节到第一摄像位置和第二摄像位置的时机并不能自动确定。为此，本发明提供光敏控制模块，用于检测所述激光夜视设备的工作环境的光照度。当光照度低于设定阈值时，比如20克勒斯时，光敏控制模块控制低照度摄像机从彩色摄像模式切换到黑白摄像模式，同时启动激光光源，并将低照度摄像机从第一摄像位置调节至第二摄像位置。反之，当光敏控制模块测得的光照度高于或者等于设定阈值时，比如20克勒斯时，光敏控制模块控制低照度摄像机从黑白摄像模式切换到彩色摄像模式，同时关闭激光光源，并将低照度摄像机从第二摄像位置调节至第一摄像位置。

在进行视频监控时，镜头往往会因为被拍摄物体的远近距离的变化，对焦距进行调节。这种情况下，通常还会遇到一个问题，即镜头焦距调节后，为保证视频监控效果，激光光斑也要进行相应调节。为了解决这个问题，本发明提供了激光控制模块。激光控制模块用于采集低照度摄像机的焦距，并运用焦距跟激光光斑角度的非线性关系，计算出激光光斑角度的大小，然后控制激光扩束模块，调节激光光源，实现焦距跟激光光斑的联动。另外，激光控制模块还可以包括激光强度联动端口，当激光控制模块采集到的低照度摄像机的焦距达到长焦端时(即达到设定放大倍数，比如10倍或10倍以上)，说明低照度摄像机在对长远距离对象进行视频监控。此时，可以启用激光强度联动端口，控制激光光源提高激光照射强度，从而提高远距离视频监控效果。

用于铁路安全运行的激光夜视设备中的镜头携带滤光片切换装置，用于抑制强光。对于夜晚的监控环境，比如对面列车行驶过来，其车灯亮度的光照度最高可达到10000克勒斯，但是黑暗处的物体可能只有不到1克勒斯的光照度，对比度可达几千甚至上万倍，即使使用最好的摄像机对于同一个场景中对比度如此强的画面也无法处理好，因此画面中会出现一个大大的亮斑，以至于看不清楚画面的内容。对这种强光最好的也是最有效的抑制方式是，采用滤光片切换装置。滤光片切换的原理是，白天为了将红外光的干扰过滤掉，需要增加一个纤外过滤片，而在夜晚为了将不需要的可见光过滤掉需要增加一个蓝绿光过滤片，只允许红外光通过，这样就会使图像清晰、画面颜色逼真，通过与接线端子相连的步进电机，在软件的控制下进行切换，可以达到上述效果。

本发明提供的激光夜视设备还包括温度控制模块，温度控制模块用于测量激光夜视设备的工作环境温度并根据测量得到的工作环境温度调节激光夜视设备自身的温度。这样可以保证激光夜视设备的正常工作，并延长激光夜视设备的使用寿命。

图3是用于铁路安全运行的激光夜视设备室外安装结构示意图。图3中，为了使本发明提供的用于铁路安全运行的激光夜视设备，能够满足铁路沿线灰尘多、雷电问题严重的实际应用需求，用于铁路安全运行的激光夜视设备在室外采用的安装方式是：除接线端子以外，其他激光夜视设备的模块安装在防尘罩301中，防尘罩301安装在室外杆架303的云台302上，云台302距离铁轨308的垂直距离为4米至4.5米。接线端子安装在室外杆架303的室外控制箱304中。室外控制箱304设置风扇和加热片，当温度过高或过低时就启动风扇或加热片，保证其内部的工作条件。接线端子与避雷针307的引下线相连，用于防雷。用于为接线端子提供工作电压和信号的电缆以及光缆外层包有镀锌钢管305，且电缆以及光缆深埋地面309以下1米。

本发明提供的激光夜视设备，能够提供的光强均匀的激光光束，不会产生红曝现象，解决了彩黑摄像切换或黑彩摄像切换时可能出现的图像模糊问题，实现了激光光源根据镜头焦距的变动调节激光光斑角度，有效抑制了强光，并使激光夜视系统结构更加适应实际需要。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保扩范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种用于铁路安全运行的激光夜视设备，其特征是所述激光夜视设备包括镜头、低照度摄像机、光敏控制模块、激光光源、激光控制模块、激光扩束模块；

所述镜头安装在低照度摄像机上；

所述低照度摄像机与光敏控制模块相连；

所述光敏控制模块与低照度摄像机和激光光源相连；

所述激光光源与光敏控制模块和激光扩束模块相连；

所述激光扩束模块与激光控制模块和激光光源相连；

所述镜头、低照度摄像机、光敏控制模块、激光光源、激光控制模块和激光扩束模块与接线端子相连；

所述镜头携带滤光片切换装置，用于抑制强光；

所述光敏控制模块用于检测所述激光夜视设备的工作环境的光照度，在光照度低于设定阈值时，控制低照度摄像机从彩色摄像模式切换到墨白摄像模式，并控制激光光源启动，同时调节低照度摄像机的摄像位置；在光照度高于或等于设定阈值时，控制低照度摄像机从黑白摄像模式切换到彩色摄像模式，并控制激光光源关闭，同时调节低照度摄像机的摄像位置；

所述激光光源采用波长大于900纳米的单一激光光源；并且所述激光光源包括调节透镜，用于调节通光口径、折射率、透镜面形；

所述激光控制模块，用于采集低照度摄像机的焦距，并运用焦距跟激光光斑角度的非线性关系，计算出激光光斑角度的大小，然后控制激光扩束模块，实现焦距跟激光光斑的联动；

所述激光扩束模块，用于调节激光光斑的角度；

所述接线端子与电源和信号线相连，用于为镜头、低照度摄像机、光敏控制模块、激光光源、激光控制模块和激光扩束模块提供工作电压以及为镜头、低照度摄像机、光敏控制模块、激光光源、激光控制模块和激光扩束模块提供控制信号。

2.根据权力要求1所述的一种用于铁路安全运行的激光夜视设备，其特征是所述激光夜视设备还包括温度控制模块，所述温度控制模块与接线端子相连，用于测量所述激光夜视设备的工作环境温度并根据测量得到的工作环境温度调节激光夜视设备自身的温度。

3.根据权力要求1或2所述的一种用于铁路安全运行的激光夜视设备，其特征是所述滤光片切换装置包括红外过滤片和蓝绿光过滤片，白天使用红外过滤片用于过滤红外光；夜间使用蓝绿光过滤片用以过滤可见光。

4.根据权力要求1或2所述的一种用于铁路安全运行的激光夜视设备，其特征是所述设定阈值为20克勒斯。

5.根据权力要求1或2所述的一种用于铁路安全运行的激光夜视设备，其特征是所述激光光源包括激光照明器。

6.根据权力要求1或2所述的一种用于铁路安全运行的激光夜视设备，其特征是所述激光控制模块包括激光强度联动端口。

7.根据权力要求1或2所述的一种用于铁路安全运行的激光夜视设备，其特征是所述激光夜视设备安装在防尘罩中。

8.根据权力要求7所述的一种用于铁路安全运行的激光夜视设备，其特征是所述防尘罩安装在室外杆架的云台上，所述云台距离铁轨垂直距离为4米至4.5米。

9.根据权力要求1或2所述的一种用于铁路安全运行的激光夜视设备，其特征是所述接线端子安装在室外杆架的室外控制箱中。

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