CN105572678A - 一种激光雷达全方位精确定位装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光雷达全方位精确定位装置，包括激光器、三个监测系统、两个分光镜、三个扩束镜和工控机；激光器发出激光经过两个分光镜分别进入三个监测系统；监测系统接收通过旋转反射镜角度将进入激光发射到探测目标上并返回的逆向散射激光回波信号来识别探测目标；三个监测系统发射激光时反射镜旋转的角度输入到工控机；工控机分别与三个监测系统连接获取探测目标的空间位置坐标。本发明采用呈等边三角形排列的三个监测系统来探测天然气泄漏点，通过在工控机下的步进电机来调整监测系统中的反射镜旋转角度，从而计算出探测目标的精确的空间位置坐标，实现了激光雷达全方位精确定位，无死角探测，该装置简单、速度快且操作方便。

Description

一种激光雷达全方位精确定位装置及方法

技术领域

本发明涉及气体检测技术领域，尤其是涉及一种激光雷达全方位精确定位装置及方法，该装置和方法应用于天然气泄漏的全方位精确定位检测。

背景技术

天然气的主要成分是甲烷，是地下岩层中的古代动物经过化学变化转变而成，是我国重要的不可再生性资源，在我国经济发展中占据着重要的地位。但是，天然气如果泄漏将会有爆炸的危险，因此，在天然气的存储、输送等过程中，天然气泄漏的检测显得十分必要，特别是天然气的输送管道，如果有泄漏，必须全方位精确定位检测才能有效避免灾害的发生。

目前，市场上现有的用于天然气泄漏检测的装置，往往需要人为检测，且只有点对点检测，覆盖面较窄，易于出现检测盲区。并且检测的速度比较慢，定位精度偏低。近年来红外气体检测技术已经应用在天然气储运、中转及加工过程中，用来检测天然气的泄漏情况。它具有极高的准确性和灵敏度，同时具有动态测量范围大、响应时间快、不易受其他气体干扰等优点。在现有的技术手段中，普遍采用反射型激光天然气泄露检测，以期望实现快速、准确的定位天然气泄漏的位置。但是，现有的激光天然气泄露检测装置还存在定位精度差，甚至还存在检测死角，因此，迫切需要一种激光雷达全方位精确定位装置及方法，以实现天然气泄漏的360°精确无死角检测。

发明内容

针对目前激光天然气泄露检测存在的不足，本发明提供一种激光雷达全方位精确定位装置及方法，利用呈等边三角形排列的三个监测系统来探测天然气泄漏点，具有激光雷达360°精确定位的特点，实现天然气泄漏的360°精确无死角检测。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种激光雷达全方位精确定位装置，包括激光器、第一监测系统、第二监测系统、第三监测系统、第一分光镜、第二分光镜、第一扩束镜、第二扩束镜、第三扩束镜和工控机，其中，第一监测系统、第二监测系统和第三监测系统按等边三角形排列；激光器发出的激光经过第一分光镜后，1/3的激光经过第一扩束镜进入第一监测系统；2/3的激光经过第二分光镜被分成各1/3两部分激光分别经过第二扩束镜和第三扩束镜后进入第二监测系统和第三监测系统；第一监测系统、第二监测系统和第三监测系统包含有旋转反射镜，通过控制旋转反射镜角度将进入的激光发射到探测目标上，并接收返回的逆向散射激光回波信号来识别探测目标；第一监测系统、第二监测系统和第三监测系统发射激光时，其反射镜旋转的角度输入到工控机；工控机分别与第一监测系统、第二监测系统和第三监测系统连接，用于获取探测目标的空间位置坐标。

在上述技术方案中：

所述第一监测系统、第二监测系统和第三监测系统为结构相同的检测系统，所述检测系统包括反射镜单元、收集系统、光学处理单元、单光子探测器、单光子计数器、电机模块；

所述反射镜单元在电机模块控制下旋转反射镜角度，并将入射激光发射到探测目标上；

所述电机模块控与工控机连接；

所述收集系统，用于接收被探测目标散射后的逆向散射激光并将逆向散射激光汇聚到单光子探测器的焦平面上；

所述光学处理单元，用于处理从收集系统射出的激光并输入到单光子探测器中；

所述单光子探测器，用于探测逆向散射激光中单光子电信号；

所述单光子计数器，用于采集单光子电信号并对单光子电信号进行计数形成回波信号；

所述工控机接收监测激光和单光子数信号，并进行比较识别出被探测目标处的空气的痕量气体信号；

所述激光器、单光子探测器和单光子计数器分别与工控机连接。

进一步，所述光学处理单元包括空间滤光片、窄带滤光片和可变衰减片；

所述空间滤光片，用于过滤空间从收集系统射出激光中的非近轴杂散光；

所述窄带滤光片，用于过滤从空间滤光片射出激光中的非工作波长的杂散光；

所述可变衰减片，用于调整从窄带滤光片射出激光中的逆向散射激光的透过率系数。

进一步，所述反射镜单元包括第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜；

所述第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜与水平方向成45度角设置，所述第一反射镜用于将进入激光的反射到设置于收集系统前的第二反射镜上，所述第二反射镜反射出的激光再通过设置于第二反射镜前的第三反射镜反射到第四反射镜上，所述第四反射镜与电机模块连接并在电机模块控制下旋转反射镜角度，并将激光发射到探测目标上；经过所述探测目标散射后的逆向散射激光沿出射光路逆向传输到收集系统，并汇聚到单光子探测器的焦平面上。

进一步，所述收集系统为卡塞格林光学望远镜。

本发明还提供了一种激光雷达全方位精确定位方法，包括以下步骤：

S1：将三个监测系统按等边三角形排列；

S2：将激光器发出的激光分别经过分光镜和扩束镜进入三个监测系统；

S3：旋转监测系统中的反射镜角度将激光发射到探测目标上并返回的逆向散射激光；

S4：将逆向散射激光传输到收集系统并汇聚到单光子探测器的焦平面上探测逆向散射激光中单光子电信号；

S5：通过单光子计数器来采集单光子电信号并对单光子电信号进行计数形成回波信号；

S6：通过工控机接收监测激光和单光子数信号，并进行比较识别出被探测目标处的空气的痕量气体信号；

S7：工控机根据反射镜角度计算出探测目标的空间位置坐标。

进一步，所述收集系统为卡塞格林光学望远镜。

进一步，所述反射镜旋转是通过有工控机控制的步进电机来实现的。

进一步，所述逆向散射激光传输到收集系统后经过光学处理单元进行处理，具体步骤如下：

S41：通过空间滤光片来过滤空间从收集系统射出激光中的非近轴杂散光；

S42：通过窄带滤光片来过滤从空间滤光片射出激光中的非工作波长的杂散光；

S43：通过可变衰减片来调整从窄带滤光片射出激光中的逆向散射激光的透过率系数。

采用上述结构后，本发明和现有技术相比所具有的优点是：

本发明采用呈等边三角形排列的三个监测系统来探测天然气泄漏点，通过在工控机下的步进电机来调整监测系统中的反射镜旋转角度，从而计算出探测目标的精确的空间位置坐标，实现了激光雷达全方位精确定位，无死角探测，该装置简单、速度快且操作方便。

附图说明

图1是本发明的一种激光雷达全方位精确定位装置示意图；

图2是本发明的天然气泄漏监测系统示意图；

图3是本发明的天然气泄漏位置定位示意图。

图中，激光器1、第一监测系统A、第二监测系统B、第三监测系统C、第一分光镜2、第二分光镜3、第一扩束镜4、第二扩束镜5、第三扩束镜6、第一反射镜7、第二反射镜8、第三反射镜9、第四反射镜10、收集系统11、空间滤波片12、窄带滤波片13、衰减片14、可变衰减片14、单光子探测器15、单光子计数器16、工控机18、电机模块17、逆向散射激光20。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是本发明的一种激光雷达全方位精确定位装置示意图，包括激光器1、第一监测系统A、第二监测系统B、第三监测系统C、第一分光镜2、第二分光镜3、第一扩束镜4、第二扩束镜5、第三扩束镜6和工控机，其中，第一监测系统A、第二监测系统B和第三监测系统C按等边三角形排列；激光器1发出的激光经过第一分光镜2后，1/3的激光经过第一扩束镜4进入第一监测系统A；2/3的激光经过第二分光镜3被分成各1/3两部分激光分别经过第二扩束镜5和第三扩束镜6后进入第二监测系统B和第三监测系统C；第一监测系统A、第二监测系统B和第三监测系统C包含有旋转反射镜，通过控制旋转反射镜角度将进入的激光发射到探测目标上，并接收返回的逆向散射激光回波信号来识别探测目标；第一监测系统A、第二监测系统B和第三监测系统C发射激光时，其反射镜旋转的角度输入到工控机；工控机分别与第一监测系统A、第二监测系统B和第三监测系统C连接，用于获取探测目标的空间位置坐标。

在具体的本实施例中，本发明提供的激光器发出1653nm激光；从激光器1射出经第一分光镜2(分光比例是反射∶透射＝1∶2)后，1/3的光经第一扩束镜4后入射到第一监测系统A，经过分光镜2的透射光经过第二分光镜3(分光比例是反射∶透射＝1∶1)分别将1/3的光经第二扩束镜5和第三扩束镜6后送入第二监测系统B和第三监测系统C。

所述第一扩束镜4、第二扩束镜5、第三扩束镜6：用于对发射激光进行扩束后发射到大气中；

所述第一监测系统A、第二监测系统B、第三监测系统C是三个同样的模块，如图1所示为第一监测系统A(不包含虚线框内的器件)工作过程如下：

如图2，光由激光器1发出经过扩束镜6后进入第一监测系统A。光通过第一反射镜7、第二反射镜8、第三反射镜9、第四反射镜10四块45°反射镜射出，经目标漫反射或硬目标反射后的回波信号通过第三反射镜9和第四反射镜10反射镜入射到收集系统11，经空间滤波片12，窄带滤波片13，衰减片14后由单光子探测器15接收，并由单光子计数器16输入到工控机18；工控机18通过电机模块17控制反射镜10的旋转速率和方向。

所述收集系统采用卡塞格林光学望远镜11，用于接收被探测目标散射后的逆向散射激光20并将逆向散射激光汇聚到单光子探测器的焦平面上；

所述单光子探测器15，用于探测逆向散射激光中单光子电信号；

所述单光子计数器16，用于采集单光子电信号并对单光子电信号进行计数形成回波信号；

所述工控机18，用于接收监测激光和单光子数信号进行比较识别，识别出被探测目标处的空气的痕量气体信号；

所述激光器1、单光子探测器15和单光子计数器16分别与工控机18连接。

空间滤光片12、窄带滤光片13、可变衰减片14；依次设置于卡塞格林光学望远镜和单光子探测器之间。

如图3所示，第一监测系统A，第二监测系统B，第三监测系统C三个模块连成的是一个等边三角形。如天然气泄漏位置D，假定第三监测系统C和第二监测系统B模块的反射镜起始位置朝向在第三监测系统C第二监测系统B连线上，根据探测器的信号变化，可以得出当第三监测系统C模块反射镜旋转角度a时能探测到天然气，而第二监测系统B模块旋转角度第三监测系统C时能探测到天然气，通过步进电机设定的步长可计算得出a和第三监测系统C的大小，又己知第二监测系统B第三监测系统C的长度，通过三角定理可得出D的具体位置，从而精确定位。

设定每两个点监测的范围是120°，如第二监测系统B和第三监测系统C模块的监测范围是e＝120°，而相应的反射镜的转动角度为d＝150°。若天然气泄漏的位置不在这个范围内，如F位置，则该位置可由第一监测系统A和第三监测系统C来实现监测。此装置探测快，可实现360°精确定位泄漏位置。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种激光雷达全方位精确定位装置，包括激光器、第一监测系统、第二监测系统、第三监测系统、第一分光镜、第二分光镜、第一扩束镜、第二扩束镜、第三扩束镜和工控机，其特征在于：

所述第一监测系统、第二监测系统和第三监测系统按等边三角形排列；

所述激光器发出的激光经过第一分光镜后，1/3的激光经过第一扩束镜进入第一监测系统；

所述2/3的激光经过第二分光镜被分成各1/3两部分激光分别经过第二扩束镜和第三扩束镜后进入第二监测系统和第三监测系统；

所述第一监测系统、第二监测系统和第三监测系统包含有反射镜，通过控制反射镜角度将进入的激光发射到探测目标上，并接收返回的逆向散射激光回波信号来识别探测目标；

所述第一监测系统、第二监测系统和第三监测系统发射激光时，其反射镜旋转的角度输入到工控机；工控机分别与第一监测系统、第二监测系统和第三监测系统连接，用于获取探测目标的空间位置坐标。

2.根据权利要求1所述的一种激光雷达全方位精确定位装置，其特征在于：所述第一监测系统、第二监测系统和第三监测系统为结构相同的检测系统；所述检测系统包括反射镜单元、收集系统、光学处理单元、单光子探测器、单光子计数器、电机模块；

所述反射镜单元在电机模块控制下旋转反射镜角度，并将入射激光发射到探测目标上；

所述电机模块控与工控机连接；

所述收集系统，用于接收被探测目标散射后的逆向散射激光并将逆向散射激光汇聚到单光子探测器的焦平面上；

所述光学处理单元，用于处理从收集系统射出的激光并输入到单光子探测器中；

所述单光子探测器，用于探测逆向散射激光中单光子电信号；

所述单光子计数器，用于采集单光子电信号并对单光子电信号进行计数形成回波信号；

所述工控机接收监测激光和单光子数信号，并进行比较识别出被探测目标处的空气的痕量气体信号；

所述激光器、单光子探测器和单光子计数器分别与工控机连接。

3.根据权利要求2所述的一种激光雷达全方位精确定位装置，其特征在于：所述光学处理单元包括空间滤光片、窄带滤光片和可变衰减片；

所述空间滤光片，用于过滤空间从收集系统射出激光中的非近轴杂散光；

所述窄带滤光片，用于过滤从空间滤光片射出激光中的非工作波长的杂散光；

所述可变衰减片，用于调整从窄带滤光片射出激光中的逆向散射激光的透过率系数。

4.根据权利要求2所述的激光雷达全方位精确定位装置，其特征在于：所述反射镜单元包括第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜；

所述第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜与水平方向成45度角设置，所述第一反射镜用于将进入激光的反射到设置于收集系统前的第二反射镜上，所述第二反射镜反射出的激光再通过设置于第二反射镜前的第三反射镜反射到第四反射镜上，所述第四反射镜与电机模块连接并在电机模块控制下旋转反射镜角度，并将激光发射到探测目标上；经过所述探测目标散射后的逆向散射激光沿出射光路逆向传输到收集系统，并汇聚到单光子探测器的焦平面上。

5.根据权利要求1所述的激光雷达全方位精确定位装置，其特征在于：所述收集系统为卡塞格林光学望远镜。

6.一种激光雷达全方位精确定位方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：将三个监测系统按等边三角形排列；

S2：将激光器发出的激光分别经过分光镜和扩束镜进入三个监测系统；

S3：旋转监测系统中的反射镜角度将激光发射到探测目标上并返回的逆向散射激光；

S4：将逆向散射激光传输到收集系统并汇聚到单光子探测器的焦平面上探测逆向散射激光中单光子电信号；

S5：通过单光子计数器来采集单光子电信号并对单光子电信号进行计数形成回波信号；

S6：通过工控机接收监测激光和单光子数信号，并进行比较识别出被探测目标处的空气的痕量气体信号；

S7：工控机根据反射镜角度计算出探测目标的空间位置坐标。

7.根据权利要求6所述的激光雷达全方位精确定位方法，其特征在于：所述反射镜旋转是通过有工控机控制的步进电机来实现的。

8.根据权利要求6所述的激光雷达全方位精确定位方法，其特征在于：所述逆向散射激光传输到收集系统后经过光学处理单元进行处理，具体步骤如下：

S41：通过空间滤光片来过滤空间从收集系统射出激光中的非近轴杂散光；

S42：通过窄带滤光片来过滤从空间滤光片射出激光中的非工作波长的杂散光；

S43：通过可变衰减片来调整从窄带滤光片射出激光中的逆向散射激光的透过率系数。