CN110161587B - 高湿度环境中地铁屏蔽门的激光探测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高湿度环境中地铁屏蔽门的激光探测系统和方法。系统由第1、第2激光探测器、激光测距仪组成；分别距安装面600mm、300mm、150mm，安装至屏蔽门的端门立柱上。系统沿袭激光探测系统的原有结构，降低了系统的TCO，提高了系统的可靠性；激光发射/接收镜头镀疏水膜，缓解镜头附着物漫散射影响激光方向性的问题；采用激光调制技术，提高激光探测系统的抗干扰能力；增设激光测距仪，基于测距结果，间接定性地判定环境湿度，并借助PTC营造激光发射/接收镜头局部区域的相对干燥环境，确保高湿度环境中地铁屏蔽门激光探测系统的可靠性。

Description

高湿度环境中地铁屏蔽门的激光探测系统和方法

技术领域

本发明属激光探测的技术范畴。特别是指高湿度环境中，采用激光调制、镀疏水膜发射/接收镜头，增设激光测距仪和PTC的地铁屏蔽门激光探测系统和方法。

背景技术

地铁运量大、占地少，能耗低、污染少，快速、正点、舒适、安全，拥有地面交通工具无可比拟的优点；现有技术条件下，地铁是消除城市交通拥堵痼疾和提高全社会公共交通出行分担率的首选。2012年10月，杭州地铁1号线一期运营，日均客流量23.24万人次/天；采用交流变频变压B型车、四动二拖、六辆编组、定员1240人，设计时速80km/h、标准行车间隔120s。2013～2015年，杭州地铁的年客运量分别为8483.1、14450.4、17629.5万人次；2022年，将有十条线路建成投运，总里程192km覆盖杭州全市9个区。目前，屏蔽门是我国地铁安全运行的标准配置。

1976年，美国交通部出版《地下铁道环境设计手册》(Subway Enviroment DesignHandbook)，首次提出地铁站台乘客区与轨行区通过气流或隔墙分隔；旨在节能、改善车站站台乘客区环境条件。全球知名的屏蔽门供应商有瑞士卡巴(Kaba)、英国西屋(Westinghous)、法国法维莱(Faiveley)和日本纳博克(Nabco)；四家占据屏蔽门全球市场份额的90％；国内从事屏蔽门则有广州奥的斯电梯有限公司和深圳方大集团等。屏蔽门的行业标准和规范如下：《地铁设计规范》(GB50157-2003)、《城市轨道交通站台屏蔽门技术规程》(DG/TJ08-901-2004)、《城市轨道交通站台屏蔽门》(CJ/T236-2006)、《城市轨道交通技术规范》(GB50490-2009)。以杭州地铁1号线为例，线路全长54km，含高架线5.85km；设车站34座，其中：地下站31座、高架站3座；地下站设置屏蔽门，高架站设置安全门。屏蔽/安全门保证乘客的安全出行，列车的正常运行；减少了车站值班人员和工作强度。屏蔽门隔离站台乘客区与轨行区，减少两区域的冷、热气流交换，即运营能耗；同时降低列车运行噪音和活塞风对站台乘客的影响，提高了乘客的舒适度。

屏蔽/安全门提高乘客安全性的功效不容置疑：上海地铁无屏蔽/安全门运营期间，总共发生乘客掉下站台事故＞20起，北京地铁类似事故≈60起；安装地铁屏蔽/安全门后，上海和北京地铁的事故降至个位数。另一方面，屏蔽/安全门尚不能完全杜绝乘客被夹在屏蔽门与列车门之间的事故。例如，2008年9月29日，广州地铁1号线某乘客被夹站台屏蔽门与列车门之间；2014年11月6日，北京地铁5 号线某乘客卡在站台屏蔽门与列车门之间；因此，完善屏蔽/安全门安全性的功效亦不容置疑---分析屏蔽/安全门尚不能完全杜绝乘客被夹的原因，评估现有解决方案，完善现行主流解决方案---完全杜绝乘客被夹事故。考虑表述的简洁性，除去可能导致二义性的情况，屏蔽/安全门用屏蔽门统一表述。

列车运行时存在晃动，防止列车与站台上的屏蔽门发生擦碰，地铁设计规范要求屏蔽门与列车动态包络线保持≥250mm的间隙。如果乘客被阻隔在该间隙，将造成乘客被夹在屏蔽门与列车门之间的事故；缩减间隙，列车安全运行又得不到保证。迄今为止，防止乘客或物体滞留间隙的解决方案有：电机电流～夹紧力、屏蔽门侧加装光带+驾驶员观测、防夹挡板、防爬护板等防护措施，以及红外对射和激光探测器。经业界的工程实践检验，激光探测系统解决方案拔得头筹；杭州地铁1 号线屏蔽门配置的正是激光探测系统。杭州地铁近6年的运维大数据表明，激光探测系统总体而言可靠有效；但不包括高湿度环境中的激光探测系统，因其可靠有效性差强人意。下表是露天高架站雨/雾气象情况下安全门激光探测系统，地下站渗水滴落或水雾凝结情况下屏蔽门激光探测系统的故障统计表。

高架站安全门/地下站屏蔽门的激光探测系统故障统计表(2018)

鉴于激光探测系统提供的信号是列车运行的基本依据，信号的任何失准将导致地铁线路的混乱；高湿度环境中激光探测系统的不足亟待补救。

现场运维和理论分析得出同一结论，高湿度环境中激光探测系统的不足与地铁屏蔽门安装地点的湿度高低有关。露天高架站安全门的激光探测器发射/接收镜头附着雨水或结露，地下站屏蔽门的激光探测器发射/接收镜头附着滴落渗水或凝结水珠，镜头附着物产生漫散射，激光优异的方向性不再。考虑激光的生物性危害，屏蔽门激光均遵循一类<ClassI>即低能量级指标设计，对乘客绝对安全，代价是抗干扰能力的下降。必须指出，露天站乔司、翁梅，地下站南苑、文泽屏蔽门激光探测系统误报警非个案特例；高湿度环境中激光探测系统故障率偏高，己成为地铁的安全隐患。改进高湿度环境中地铁屏蔽门的激光探测系统，消除高湿度环境对系统的负面影响。完善高湿度环境中地铁屏蔽门的激光探测系统应遵循：

第一，高湿度环境中激光探测系统的低TCO问题；沿袭激光探测系统的原有结构：激光探测器距安装面300、600mm；激光探测系统与屏蔽门控制子系统(PSC) 相连，增设的激光测距仪和陶瓷加热器(PTC)则与设备监控系统(BAS)相连。

其次，镜头附着物漫散射影响激光方向性问题；在激光发射/接收镜头镀疏水膜求解【褚东志.水质油污染原位传感器稳定性设计[J].传感技术学报，2017，30 (11)1660-1665】。

第三，一类激光抗干扰能力有限问题；采用激光调制技术，提高激光探测系统的抗干扰能力。

第四，高湿度环境对激光发射/接收镜头的负面影响；增设二类激光的激光测距仪，基于测距结果，间接定性地判定环境湿度，环境一旦进入高湿状态，则借助PTC营造激光发射/接收镜头局部区域的相对干燥环境。

地铁屏蔽门激光探测系统方面较有代表性的知识产权成果综述如下：

·发明专利“地铁站台屏蔽门与列车门之间激光障碍物监测控制系统”(ZL200910010082.7)，提出系统包括监视、控制、报警单元，激光发射/接收器与控制器输出/入端相连，检测地铁屏蔽门与列车门之间是否存在障碍物。

·发明专利“连续反射式激光探测装置”(ZL 201210165729.5)，提出装置包括_：激光发射器，激光接收器，发射光反射镜；激光束对乘车通道区域进行连续地全范围扫描，如夹人或有障碍物遮挡发出报警信号。

上述有益探索，是地铁屏蔽门激光探测系统研究成果的综述；遗憾的是，高湿度环境中激光探测系统的问题至今少人问津，地铁运营安全需求长期得不到满足。因此，有必要在现有成果的基础上，作进一步的创新设计。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种高湿度环境中地铁屏蔽门的激光探测系统和方法。

一种高湿度环境中地铁屏蔽门的激光探测系统，其特征在于系统由第1激光探测器、第2激光探测器、激光测距仪组成；第1激光探测器包括第1激光探测器的激光发射器、第1激光探测器的激光接收器，第2激光探测器与第1激光探测器类同，激光测距仪包括激光测距仪的激光发射器、激光测距仪的全反射棱镜；

第1激光探测器、第2激光探测器、激光测距仪距安装面600mm、300mm、 150mm，第1激光探测器的激光发射器、激光接收器分别安装在列车进站端门立柱、列车出站端门立柱，第2激光探测器与第1激光探测器类同，激光测距仪的激光发射器、全反射棱镜分别安装在列车进站端门立柱、列车出站端门立柱；

第1激光探测器的激光发射器、激光接收器与屏蔽门控制子系统PSC相连，激光发射/接收镜头处增设PTC，PTC与设备监控系统BAS相连，第2激光探测器与第1激光探测器类同，激光测距仪的激光发射器与设备监控系统BAS相连；第 1激光探测器、第2激光探测器按一类激光设计，激光测距仪按二类激光设计；屏蔽门关闭60S后激光测距仪启动测距；激光测距仪调试时：湿度正常时测距正常，激光发射镜头和全反射棱镜附着水点时测距误差变大，附着水点严重时测距失常，基于测距结果，间接定性地判定镜头附着物和环境湿度。

所述的第1激光探测器包括第1激光探测器的激光发射器、第1激光探测器的激光接收器；激光发射器由激光发射器主控模块、数字频率合成模块、七阶滤波器模块、激光调制模块、镀疏水膜的发射光学汇聚镜头、发射光学汇聚镜头增设的PTC组成，激光接收器由镀疏水膜的接收光学汇聚镜头、接收光学汇聚镜头增设的PTC、光电检测模块、带通滤波模块、信号调理滤波模块、激光接收器主控模块组成；

激光发射器主控模块通过数字频率合成模块、七阶滤波器模块和激光调制模块调制控制激光器发光，激光经镀疏水膜的发射光学汇聚镜头发射；镀疏水膜的接收光学汇聚镜头接收激光发射器发射的激光、光电检测模块进行光电信号和电流电压信号转换，经带通滤波模块滤波、信号调理滤波模块调理，输出至激光接收器主控模块；发射光学汇聚镜头安装点增设PTC，接收光学汇聚镜头安装点增设PTC；激光发射器主控模块、激光接收器主控模块与屏蔽门控制子系统PSC相连，发射光学汇聚镜头增设的PTC、接收光学汇聚镜头增设的PTC与设备监控系统BAS相连。

所述的激光发射器主控模块以Atmega128芯片为核心，数字频率合成模块以AD9835芯片为核心；Atmega128脚11、12、13分别与AD9835脚7、8、9相连， AD9835脚14与七阶滤波器模块的输入连接器J1的2端相连；AD9835输出的信号经七阶滤波器模块滤波后调制激光；AD9835内含一个32位的相位累加器，两个32位的频率寄存器F0、F1，4个12位的相位寄存器P0、P1、P2、P3，AD9835 提供一个串行接口、每个写入周期可写入16个字的命令。

所述的七阶滤波器模块由2个电阻R₁₃₁、R₁₃₂，3个电感L₁₃₁、L₁₃₂、L₁₃₃和 7个电容C₁₃₁～C₁₃₇，输入连接器J₁、输出连接器J₂组成；电感L₁₃₁、电容C₁₃₁，电感L₁₃₂、电容C₁₃₂，L₁₃₃、电容C₁₃₃两两并联后再串联，串联电路的4个端点从列车进站向列车出站依次分别经电容C₁₃₄、电容C₁₃₅、电容C₁₃₆、电容C₁₃₇接地， R₁₃₁与电容C₁₃₄并联，电阻R₁₃₂与电容C₁₃₇并联；数字频率合成模块AD9835的脚14经连接器J1的2端与电感L₁₃₁、电容C₁₃₁、电容C₁₃₄、电阻R₁₃₁的公共端相连，电感L₁₃₃、电容C₁₃₃、电容C₁₃₇、电阻R₁₃₂的公共端连接到连接器J2的1端，并与激光调制模块的V_in1端和V_in2端相连；数字频率合成模块输出信号中含有大量的高频、杂散信号，七阶低通滤波器滤除高频信号外还能去除杂散信号。

所述的激光调制模块由运放OPA2662芯片、运放OPA602芯片、三极管 MPSA65、激光二极管SLD1133VL和外围电路组成；七阶滤波器模块连接器J2的 1端接入激光调制模块的V_in1端和V_in2端，激光调制模块的V_in1经电阻R₁₄₂与运放 OPA2662的脚2相连，激光调制模块的V_in2经电阻R₁₄₃与运放OPA2662的脚7相连，调制信号由运放OPA2662的脚14输出、驱动组合镀疏水膜发射光学汇聚镜头的激光二极管SLD1133VL，运放OPA602和三极管MPSA65提供激光二极管的 20mA直流偏置；

运放OPA2662的脚1、3、6、16接+5V的电源、脚8、9脚接-5V的电源，脚 5经电阻R₁₄₁与-5V的电源相连，脚2经电阻R₁₄₂与七阶滤波器模块的连接器J2 的1端相连，脚7经电阻R₁₄₃与七阶滤波器模块的连接器J2的1端相连，脚15 经电阻R₁₄₄接地，脚4接地，脚10经电阻R₁₄₅接地，脚11、14脚与三极管MPSA65 的集电极、激光二极管SLD1133VL的阳接连接，三极管MPSA65的发射极与 OPA602的脚6连接，三极管MPSA65的基极与OPA602的脚2连接，激光二极管SLD1133VL的阴极接地。

所述的光电检测模块由雪崩光电二极管APD C30724P，运放OPA655H芯片组成；运放OPA655H的正相输入端接地，反相输入端则与APD的阳极、以及电阻R₄₃₁、电容C₄₃₂、电容C₄₃₁的一端相连；电容C₄₃₁的另一端和APD的阴极并联接地，电阻R₄₃₁与电容C₄₃₂的另一端并联、且与运放OPA655H的输出端V_O相连； APD C30724P检测经镀疏水膜的接收光学汇聚镜头入射激光，进行信号的光电转换，运放OPA655H完成信号的I/V转換和前置放大，光电捡测的电信号从OPA655H 的V_O端输出。

所述的带通滤波模块以运放OP37芯片为核心；电容C₄₄₁、电阻R₄₄₅、电容 C₄₄₂和电阻R₄₄₃的一端相连，电容C₄₄₁、电阻R₄₄₅、电容C₄₄₂、电阻R₄₄₃的另一端分别与OP37的脚3、IN端、地、OP37的脚6相连，电阻R₄₄₁和电阻R₄₄₄的一端与OP37的脚2相连，电阻R₄₄₁、电阻R₄₄₄的另一端分别与地、OP37的脚6相连，电阻R₄₄₂的一端接入OP37的脚1、另一端接地，OP37的脚4接-12V、OP37 的脚7、8接+12V；光电检测模块的OPA655H输出脚V_O与带通滤波模块的输入 IN端相连，带通滤波模块的OP37输出V_O正弦波信号至信号调理滤波模块的输入 IN端相连。

所述的激光接收器主控模块以内嵌AD接口的Atmega128芯片为核心，信号调理滤波模块包括2个运放AD8009芯片、1个2级RC双T型滤波器，2级RC 双T型滤波器由电容C₄₅₁、电容C₄₅₂、电容C₄₅₃、电阻R₄₅₁、电阻R₄₅₂组成；信号调理滤波模块的输入IN端与带通滤波模块输出V_O端相连，信号调理滤波模块的输出端OUT则接入Atmega128的AD口脚61；电阻R₄₅₂、电容C₄₅₃、电阻R₄₅₃、电容C₄₅₄的一端相连，接入第一运放AD8009的反相输入端；电阻R₄₅₂的另一端和C₄₅₂、电阻R₄₅₁的一端相连，电阻R₄₅₁的另一端和电容C₄₅₁的一端和输入端IN 相连；电容C₄₅₁、电容C₄₅₂、电容C₄₅₃的另一端接地；电阻R₄₅₃、电容C₄₅₄的另一端与第一运放AD8009的输出端相连，电阻R₄₅₆的一端接入第一运放AD8009的正相输入端、另一端接地；电阻R₄₅₄的一端接入第二运放AD8009的正相输入端、另一端接地；电阻R₄₅₅、电阻R₄₅₇的一端与第一运放AD8009的输出端相连，电阻 R₄₅₅的另一端与第二运放AD8009的输出端相连、电阻R₄₅₇的另一端接入第二运放 AD8009的反相输入端。

所述的激光探测方法流程包括激光探测方法的准备流程，激光探测方法的运行流程；

变量说明

距离distance，D

距离采样值D(i)，1≤i≤4

距离误差阈值distance error threshold，DE_threshold，

镜头附着物和环境湿度的间接定性判据

屏蔽门列车进站/列车出站端门立柱的间距D0

算法说明

①激光测距仪测距

列车离站60S，地铁屏蔽门的滑动门闭合

激光测距仪距离采样D(i)，1≤i≤4

②距离采样值的中位均值滤波

③测距数据的有效性判据

D0－DE_threshold≤D_Average≤D0+DE_threshold (2)

测距数据有/无效，即正常/高湿度环境

③-1数据有效，激光测距仪上传BAS

③-2数据无效，激光测距仪上传BAS，值班员操作PTC

激光探测方法的准备流程

第1/2激光探测器、激光测距仪距安装面600、300、150mm

调试激光测距仪：镜头和全反射棱镜干燥/附着水点/附着水点严重，激光发射测距正常/测距误差变大/测距失常

输入D0、DE_threshold

激光探测方法的运行流程

①列车进站，屏蔽门滑动门开启乘客上下，滑动门闭合

②第1激光探测器、第2激光探测器工作

②-1障碍物阻断光束，声光报警器，清除障碍物

②-2无障碍物阻断光束，10S后激光探测器退出工作

③列车离站60S，激光测距工作

③-1激光测距仪进行距离采样D(i)，1≤i≤4

③-2根据公式(1)，距离采样值的中位均值滤波

③-3根据公式(2)，测距数据的有效性判别

③-3-1数据有效，激光测距仪上传BAS

③-3-2数据无效，激光测距仪上传BAS，值班员操作PTC

③-4 10S后激光测距仪退出工作。

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：高湿度环境中的地铁屏蔽门激光探测系统，沿袭激光探测系统的原有结构，降低了系统的TCO，提高了系统的可靠性；激光发射/接收镜头镀疏水膜，缓解了镜头附着物漫散射影响激光方向性的问题；采用激光调制技术，提高激光探测系统的抗干扰能力；增设激光测距仪，基于测距结果，间接定性地判定环境湿度，并借助PTC营造激光发射/接收镜头局部区域的相对干燥环境，确保高湿度环境中地铁屏蔽门激光探测系统的可靠性。

附图说明

图1(a)是地铁屏蔽门激光探测系统的安装图；

图1(b)是第1激光探测器的结构图；

图1(c)是激光测距仪的结构图；

图2是第1激光探测器的原理框图；

图3是激光发射器主控和数字频率合成模块的电路图；

图4是七阶滤波器模块的电路图；

图5是激光调制模块的电路图；

图6是光电捡测模块的电路图；

图7是带通滤波模块的电路图；

图8是信号调理滤波和激光接收器主控模块的电路图；

图9(a)是激光探测方法流程图；

图9(b)是激光探测方法的准备流程图；

图9(c)是激光探测方法的运行流程图。

具体实施方式

如图1(a)、图1(b)、图1(c)所示，高湿度环境中地铁屏蔽门的激光探测系统由第1激光探测器10、第2激光探测器20、激光测距仪30组成；第1激光探测器10包括第1激光探测器10的激光发射器100、第1激光探测器10的激光接收器400，第2激光探测器20与第1激光探测器10类同，激光测距仪30包括激光测距仪30的激光发射器300、激光测距仪30的全反射棱镜600；

第1激光探测器10、第2激光探测器20、激光测距仪30距安装面600mm、300 mm、150mm，第1激光探测器10的激光发射器100、激光接收器400分别安装在列车进站端门立柱、列车出站端门立柱，第2激光探测器20与第1激光探测器 10类同，激光测距仪30的激光发射器300、全反射棱镜600分别安装在列车进站端门立柱、列车出站端门立柱；

第1激光探测器10的激光发射器100、激光接收器400与屏蔽门控制子系统 PSC相连，激光发射/接收镜头处增设PTC，PTC与设备监控系统BAS相连，第2 激光探测器20与第1激光探测器10类同，激光测距仪30的激光发射器300与设备监控系统BAS相连；第1激光探测器10、第2激光探测器20按一类激光设计，激光测距仪30按二类激光设计；屏蔽门关闭60S后激光测距仪30启动测距；激光测距仪30调试时：湿度正常时测距正常，激光发射镜头和全反射棱镜600附着水点时测距误差变大，附着水点严重时测距失常，基于测距结果，间接定性地判定镜头附着物和环境湿度。

说明1：激光测距仪属公知知识范畴，本文只提及不展开；可选用国产的产品，或瑞士徕卡(LEICA)，德国喜利得(HILTI)、博世(BOSCH)，美国C&Q，日本尼康(NIKON)、索佳(SOKKIA)。鉴于激光测距仪按二类激光标准设计，选择距安装面150mm高度安装+屏蔽门关闭60S后测距，保证乘客的生物性安全。激光测距仪调试要点：基于测距结果，能间接定性地判定环境湿度。

第1/2激光探测器的工作流程及架构，沿袭杭州地铁激光探测系统的工作流程及PSC连结架构；激光调制技术提高了抗干扰能力。激光发射/接收镜头处增设陶瓷加热器(PTC)，PTC与设备监控系统(BAS)相连，借助PTC营造激光发射/ 接收镜头局部区域相对干燥的环境；增设激光测距仪亦与设备监控系统BAS相连；如此，最大限度地继承激光探测系统的原有结构和信号流向。

如图2所示，第1激光探测器10包括第1激光探测器10的激光发射器100、第1激光探测器10的激光接收器400；激光发射器100由激光发射器主控模块110、数字频率合成模块120、七阶滤波器模块130、激光调制模块140、镀疏水膜的发射光学汇聚镜头150、发射光学汇聚镜头增设的PTC 160组成，激光接收器400 由镀疏水膜的接收光学汇聚镜头410、接收光学汇聚镜头增设的PTC 420、光电检测模块430、带通滤波模块440、信号调理滤波模块450、激光接收器主控模块460 组成；

激光发射器主控模块110通过数字频率合成模块120、七阶滤波器模块130和激光调制模块140调制控制激光器发光，激光经镀疏水膜的发射光学汇聚镜头150 发射；镀疏水膜的接收光学汇聚镜头410接收激光发射器100发射的激光、光电检测模块430进行光电信号和电流电压信号转换，经带通滤波模块440滤波、信号调理滤波模块450调理，输出至激光接收器主控模块460；发射光学汇聚镜头 150安装点增设PTC 160，接收光学汇聚镜头410安装点增设PTC 420；激光发射器主控模块110、激光接收器主控模块460与屏蔽门控制子系统PSC相连，发射光学汇聚镜头增设的PTC 160、接收光学汇聚镜头增设的PTC 420与设备监控系统 BAS相连。

说明2：屏蔽门控制子系统(PSC)、设备监控系统(BAS)是地铁信号系统 (SIG)的原有子系统；PSC的实时性高于BAS。

如图3所示，激光发射器主控模块110以Atmega128芯片为核心，数字频率合成模块120以AD9835芯片为核心；Atmega128脚11、12、13分别与AD9835 脚7、8、9相连，AD9835脚14与七阶滤波器模块130的输入连接器J1的2端相连；AD9835输出的信号经七阶滤波器模块130滤波后调制激光；AD9835内含一个32位的相位累加器，两个32位的频率寄存器F0、F1，4个12位的相位寄存器P0、P1、P2、P3，AD9835提供一个串行接口、每个写入周期可写入16个字的命令。

如图4所示，七阶滤波器模块130由2个电阻R₁₃₁、R₁₃₂，3个电感L₁₃₁、L₁₃₂、 L₁₃₃和7个电容C₁₃₁～C₁₃₇，输入连接器J₁、输出连接器J₂组成；电感L₁₃₁、电容 C₁₃₁，电感L₁₃₂、电容C₁₃₂，L₁₃₃、电容C₁₃₃两两并联后再串联，串联电路的4个端点从列车进站向列车出站依次分别经电容C₁₃₄、电容C₁₃₅、电容C₁₃₆、电容C₁₃₇接地，R₁₃₁与电容C₁₃₄并联，电阻R₁₃₂与电容C₁₃₇并联；数字频率合成模块120 AD9835的脚14经连接器J1的2端与电感L₁₃₁、电容C₁₃₁、电容C₁₃₄、电阻R₁₃₁的公共端相连，电感L₁₃₃、电容C₁₃₃、电容C₁₃₇、电阻R₁₃₂的公共端连接到连接器 J2的1端，并与激光调制模块140的V_in1端和V_in2端相连；数字频率合成模块120 输出信号中含有大量的高频、杂散信号，七阶低通滤波器滤除高频信号外还能去除杂散信号。

如图5所示，激光调制模块140由运放OPA2662芯片、运放OPA602芯片、三极管MPSA65、激光二极管SLD1133VL和外围电路组成；七阶滤波器模块130 连接器J2的1端接入激光调制模块140的V_in1端和V_in2端，激光调制模块的V_in1经电阻R₁₄₂与运放OPA2662的脚2相连，激光调制模块的V_in2经电阻R₁₄₃与运放 OPA2662的脚7相连，调制信号由运放OPA2662的脚14输出，驱动组合镀疏水膜发射光学汇聚镜头150的激光二极管SLD1133VL，运放OPA602和三极管 MPSA65提供激光二极管的20mA直流偏置；

运放OPA2662的脚1、3、6、16接+5V的电源、脚8、9脚接-5V的电源，脚 5经电阻R₁₄₁与-5V的电源相连，脚2经电阻R₁₄₂与七阶滤波器模块130的连接器 J2的1端相连，脚7经电阻R₁₄₃与七阶滤波器模块130的连接器J2的1端相连，脚15经电阻R₁₄₄接地，脚4接地，脚10经电阻R₁₄₅接地，脚11、14与三极管 MPSA65的集电极、激光二极管SLD1133VL的阳接连接，三极管MPSA65的发射极与OPA602的脚6连接，三极管MPSA65的基极与OPA602的脚2连接，激光二极管SLD1133VL的阴极接地。

如图6所示，光电检测模块430由雪崩光电二极管APD C30724P，运放 OPA655H芯片组成；运放OPA655H的正相输入端接地，反相输入端则与APD的阳极、以及电阻R₄₃₁、电容C₄₃₂、电容C₄₃₁的一端相连；电容C₄₃₁的另一端和APD 的阴极并联接地，电阻R₄₃₁与电容C₄₃₂的另一端并联、且与运放OPA655H的输出端V_O相连；APD C30724P检测经镀疏水膜的接收光学汇聚镜头410入射激光，进行信号的光电转换，运放OPA655H完成信号的I/V转換和前置放大，光电检测的电信号从OPA655H的V_O端输出。

如图7所示，带通滤波模块440以运放OP37芯片为核心；电容C₄₄₁、电阻R ₄₄₅、电容C₄₄₂和电阻R₄₄₃的一端相连，电容C₄₄₁、电阻R₄₄₅、电容C₄₄₂、电阻R₄₄₃的另一端分别与OP37的脚3、IN端、地、OP37的脚6相连，电阻R₄₄₁和电阻 R₄₄₄的一端与OP37的脚2相连，电阻R₄₄₁、电阻R₄₄₄的另一端分别与地、OP37 的脚6相连，电阻R₄₄₂的一端接入OP37的脚1、另一端接地，OP37的脚4接-12V、 OP37的脚7、8接+12V；光电检测模块430的OPA655H输出脚V_O与带通滤波模块440的输入IN端相连，带通滤波模块440的OP37输出V_O正弦波信号至信号调理滤波模块450的输入IN端相连。

如图8所示，激光接收器主控模块460以内嵌AD接口的Atmega128芯片为核心，信号调理滤波模块450包括2个运放AD8009芯片、1个2级RC双T型滤波器，2级RC双T型滤波器由电容C₄₅₁、电容C₄₅₂、电容C₄₅₃、电阻R₄₅₁、电阻R₄₅₂组成；信号调理滤波模块的输入IN端与带通滤波模块440输出V_O端相连，信号调理滤波模块的输出端OUT则接入Atmega128的AD口脚61；电阻R₄₅₂、电容C₄₅₃、电阻R₄₅₃、电容C₄₅₄的一端相连，接入第一运放AD8009的反相输入端；电阻R₄₅₂的另一端和C₄₅₂、电阻R₄₅₁的一端相连，电阻R₄₅₁的另一端和电容C₄₅₁的一端和输入端IN相连；电容C₄₅₁、电容C₄₅₂、电容C₄₅₃的另一端接地；电阻R₄₅₃、电容C₄₅₄的另一端与第一运放AD8009的输出端相连，电阻R₄₅₆的一端接入第一运放AD8009的正相输入端、另一端接地；电阻R₄₅₄的一端接入第二运放AD8009 的正相输入端、另一端接地；电阻R₄₅₅、电阻R₄₅₇的一端与第一运放AD8009的输出端相连，电阻R₄₅₅的另一端与第二运放AD8009的输出端相连、电阻R₄₅₇的另一端接入第二运放AD8009的反相输入端。

如图9(a)、图9(b)、图9(c)所示，高湿度环境中地铁屏蔽门的激光探测方法流程包括激光探测方法的准备流程，激光探测方法的运行流程；

变量说明

距离distance，D

距离采样值D(i)，1≤i≤4

距离误差阈值distance error threshold，DE_threshold，

镜头附着物和环境湿度的间接定性判据

屏蔽门列车进站/列车出站端门立柱的间距，D0

算法说明

①激光测距仪测距

列车离站60S，地铁屏蔽门的滑动门闭合

激光测距仪30距离采样D(i)，1≤i≤4

②距离采样值的中位均值滤波

③测距数据的有效性判据

D0－DE_threshold≤D_Average≤D0+DE_threshold (2)

测距数据有/无效，即正常/高湿度环境

③-1数据有效，激光测距仪30上传BAS

③-2数据无效，激光测距仪30上传BAS，值班员操作PTC

激光探测方法的准备流程

第1激光探测器10、第2激光探测器20、激光测距仪30距安装面600、300、 150mm

调试激光测距仪30：镜头和全反射棱镜600干燥/附着水点/附着水点严重，激光发射测距正常/测距误差变大/测距失常

输入D0、DE_threshold

激光探测方法的运行流程

①列车进站，屏蔽门滑动门开启乘客上下，滑动门闭合

②第1激光探测器10、第2激光探测器20工作

②-1障碍物阻断光束，声光报警器，清除障碍物

②-2无障碍物阻断光束，10S后激光探测器退出工作

③列车离站60S，激光测距工作

③-1激光测距仪30进行距离采样D(i)，1≤i≤4

③-2根椐公式(1)，距离采样值的中位均值滤波

③-3根椐公式(2)，测距数据的有效性判别

③-3-1数据有效，激光测距仪30上传BAS

③-3-2数据无效，激光测距仪30上传BAS，值班员操作PTC

③-4 10S后激光测距仪30退出工作。

Claims (9)

1.一种高湿度环境中地铁屏蔽门的激光探测系统，其特征在于，系统由第1激光探测器(10)、第2激光探测器(20)、激光测距仪(30)组成；第1激光探测器(10)包括第1激光探测器(10)的激光发射器(100)、第1激光探测器(10)的激光接收器(400)，第2激光探测器(20)与第1激光探测器(10)类同，激光测距仪(30)包括激光测距仪(30)的激光发射器(300)、激光测距仪(30)的全反射棱镜(600)；

第1激光探测器(10)、第2激光探测器(20)、激光测距仪(30)距安装面600mm、300mm、150mm，第1激光探测器(10)的激光发射器(100)、激光接收器(400)分别安装在列车进站端门立柱、列车出站端门立柱，第2激光探测器(20)与第1激光探测器(10)类同，激光测距仪(30)的激光发射器(300)、全反射棱镜(600)分别安装在列车进站端门立柱、列车出站端门立柱；

第1激光探测器(10)的激光发射器(100)、激光接收器(400)与屏蔽门控制子系统PSC相连，激光发射/接收镜头处增设PTC，PTC与设备监控系统BAS相连，第2激光探测器(20)与第1激光探测器(10)类同，激光测距仪(30)的激光发射器(300)与设备监控系统BAS相连；第1激光探测器(10)、第2激光探测器(20)按一类激光设计，激光测距仪(30)按二类激光设计；屏蔽门关闭60S后激光测距仪(30)启动测距；激光测距仪(30)调试时：湿度正常时测距正常，激光发射镜头和全反射棱镜(600)附着水点时测距误差变大，附着水点严重时测距失常，基于测距结果，间接定性地判定镜头附着物和环境湿度。

2.根据权利要求1所述的激光探测系统，其特征在于，所述的第1激光探测器(10)包括第1激光探测器(10)的激光发射器(100)、第1激光探测器(10)的激光接收器(400)；激光发射器(100)由激光发射器主控模块(110)、数字频率合成模块(120)、七阶滤波器模块(130)、激光调制模块(140)、镀疏水膜的发射光学汇聚镜头(150)、发射光学汇聚镜头增设的PTC(160)组成，激光接收器(400)由镀疏水膜的接收光学汇聚镜头(410)、接收光学汇聚镜头增设的PTC(420)、光电检测模块(430)、带通滤波模块(440)、信号调理滤波模块(450)、激光接收器主控模块(460)组成；

激光发射器主控模块(110)通过数字频率合成模块(120)、七阶滤波器模块(130)和激光调制模块(140)调制控制激光器发光，激光经镀疏水膜的发射光学汇聚镜头(150)发射；镀疏水膜的接收光学汇聚镜头(410)接收激光发射器(100)发射的激光、光电检测模块(430)进行光电信号和电流电压信号转换，经带通滤波模块(440)滤波、信号调理滤波模块(450)调理，输出至激光接收器主控模块(460)；发射光学汇聚镜头(150)安装点增设PTC(160)，接收光学汇聚镜头(410)安装点增设PTC(420)；激光发射器主控模块(110)、激光接收器主控模块(460)与屏蔽门控制子系统PSC相连，发射光学汇聚镜头增设的PTC(160)、接收光学汇聚镜头增设的PTC(420)与设备监控系统BAS相连。

3.根据权利要求2所述的激光探测系统，其特征在于，所述的激光发射器主控模块(110)以Atmega128芯片为核心，数字频率合成模块(120)以AD9835芯片为核心；Atmega128脚11、12、13分别与AD9835脚7、8、9相连，AD9835脚14与七阶滤波器模块(130)的输入连接器J1的2端相连；AD9835输出的信号经七阶滤波器模块(130)滤波后调制激光；AD9835内含一个32位的相位累加器，两个32位的频率寄存器F0、F1，4个12位的相位寄存器P0、P1、P2、P3，AD9835提供一个串行接口、每个写入周期可写入16个字的命令。

4.根据权利要求2所述的激光探测系统，其特征在于，所述的七阶滤波器模块(130)由2个电阻R₁₃₁、R₁₃₂，3个电感L₁₃₁、L₁₃₂、L₁₃₃和7个电容C₁₃₁～C₁₃₇，输入连接器J₁、输出连接器J₂组成；电感L₁₃₁、电容C₁₃₁，电感L₁₃₂、电容C₁₃₂，L₁₃₃、电容C₁₃₃两两并联后三者再串联，串联电路的4个端点从列车进站向列车出站依次分别经电容C₁₃₄、电容C₁₃₅、电容C₁₃₆、电容C₁₃₇接地，R₁₃₁与电容C₁₃₄并联，电阻R₁₃₂与电容C₁₃₇并联；数字频率合成模块(120)AD9835的脚14经连接器J1的2端与电感L₁₃₁、电容C₁₃₁、电容C₁₃₄、电阻R₁₃₁的公共端相连，电感L₁₃₃、电容C₁₃₃、电容C₁₃₇、电阻R₁₃₂的公共端连接到连接器J2的1端，并与激光调制模块(140)的V_in1端和V_in2端相连；数字频率合成模块(120)输出信号中含有大量的高频、杂散信号，七阶低通滤波器滤除高频信号外还能去除杂散信号。

5.根据权利要求2所述的激光探测系统，其特征在于，所述的激光调制模块(140)由运放OPA2662芯片、运放OPA602芯片、三极管MPSA65、激光二极管SLD1133VL和外围电路组成；七阶滤波器模块(130)连接器J2的1端接入激光调制模块(140)的V_in1端和V_in2端，激光调制模块的V_in1经电阻R₁₄₂与运放OPA2662的脚2相连，激光调制模块的V_in2经电阻R₁₄₃与运放OPA2662的脚7相连，调制信号由运放OPA2662的脚14输出、驱动组合镀疏水膜发射光学汇聚镜头(150)的激光二极管SLD1133VL，运放OPA602和三极管MPSA65提供激光二极管的20mA直流偏置；

运放OPA2662的脚1、3、6、16接+5V的电源、脚8、9脚接-5V的电源，脚5经电阻R₁₄₁与-5V的电源相连，脚2经电阻R₁₄₂与七阶滤波器模块(130)的连接器J2的1端相连，脚7经电阻R₁₄₃与七阶滤波器模块(130)的连接器J2的1端相连，脚15经电阻R₁₄₄接地，脚4接地，脚10经电阻R₁₄₅接地，脚11、14脚与三极管MPSA65的集电极、激光二极管SLD1133VL的阳极连接，三极管MPSA65的发射极与OPA602的脚6连接，三极管MPSA65的基极与OPA602的脚2连接，激光二极管SLD1133VL的阴极接地。

6.根据权利要求2所述的激光探测系统，其特征在于，所述的光电检测模块(430)由雪崩光电二极管APD C30724P，运放OPA655H芯片组成；运放OPA655H的正相输入端接地，反相输入端则与APD的阳极、以及电阻R₄₃₁、电容C₄₃₂、电容C₄₃₁的一端相连；电容C₄₃₁的另一端和APD的阴极并联接地，电阻R₄₃₁与电容C₄₃₂的另一端并联、且与运放OPA655H的输出端V_O相连；APD C30724P检测经镀疏水膜的接收光学汇聚镜头(410)入射激光，进行信号的光电转换，运放OPA655H完成信号的I/V转換和前置放大，光电检测的电信号从OPA655H的V_O端输出。

7.根据权利要求2所述的激光探测系统，其特征在于，所述的带通滤波模块(440)以运放OP37芯片为核心；电容C₄₄₁、电阻R₄₄₅、电容C₄₄₂和电阻R₄₄₃的一端相连，电容C₄₄₁、电阻R₄₄₅、电容C₄₄₂、电阻R₄₄₃的另一端分别与OP37的脚3、IN端、地、OP37的脚6相连，电阻R₄₄₁和电阻R₄₄₄的一端与OP37的脚2相连，电阻R₄₄₁、电阻R₄₄₄的另一端分别与地、OP37的脚6相连，电阻R₄₄₂的一端接入OP37的脚1、另一端接地，OP37的脚4接-12V、OP37的脚7、8接+12V；光电检测模块(430)的OPA655H输出脚V_O与带通滤波模块(440)的输入IN端相连，带通滤波模块(440)的OP37输出V_O正弦波信号至信号调理滤波模块(450)的输入IN端相连。

8.根据权利要求2所述的激光探测系统，其特征在于，所述的激光接收器主控模块(460)以内嵌AD接口的Atmega128芯片为核心，信号调理滤波模块(450)包括2个运放AD8009芯片、1个2级RC双T型滤波器，2级RC双T型滤波器由电容C₄₅₁、电容C₄₅₂、电容C₄₅₃、电阻R₄₅₁、电阻R₄₅₂组成；信号调理滤波模块的输入IN端与带通滤波模块(440)输出V_O端相连，信号调理滤波模块的输出端OUT则接入Atmega128的AD口脚61；电阻R₄₅₂、电容C₄₅₃、电阻R₄₅₃、电容C₄₅₄的一端相连，接入第一运放AD8009的反相输入端；电阻R₄₅₂的另一端和C₄₅₂、电阻R₄₅₁的一端相连，电阻R₄₅₁的另一端和电容C₄₅₁的一端和输入端IN相连；电容C₄₅₁、电容C₄₅₂、电容C₄₅₃的另一端接地；电阻R₄₅₃、电容C₄₅₄的另一端与第一运放AD8009的输出端相连，电阻R₄₅₆的一端接入第一运放AD8009的正相输入端、另一端接地；电阻R₄₅₄的一端接入第二运放AD8009的正相输入端、另一端接地；电阻R₄₅₅、电阻R₄₅₇的一端与第一运放AD8009的输出端相连，电阻R₄₅₅的另一端与第二运放AD8009的输出端相连、电阻R₄₅₇的另一端接入第二运放AD8009的反相输入端。

9.一种使用如权利要求1所述激光探测系统的激光探测方法，其特征在于，方法的流程包括激光探测方法的准备流程，激光探测方法的运行流程；

变量说明

距离distance，D

距离采样值D(i)，1≤i≤4

距离误差阈值distance error threshold，DE_threshold，

镜头附着物和环境湿度的间接定性判据

屏蔽门列车进站/列车出站端门立柱的间距D0

算法说明

①激光测距仪测距

列车离站60S，地铁屏蔽门的滑动门闭合

激光测距仪(30)距离采样D(i)，1≤i≤4

②距离采样值的中位均值滤波

③测距数据的有效性判据

D0－DE_threshold≤D_Average≤D0+DE_threshold (2)

测距数据有/无效，即正常/高湿度环境

③-1数据有效，激光测距仪(30)上传BAS

③-2数据无效，激光测距仪(30)上传BAS，值班员操作PTC

激光探测方法的准备流程

第1激光探测器(10)、第2激光探测器(20)、激光测距仪(30)距安装面600、300、150mm

调试激光测距仪(30)：镜头和全反射棱镜(600)干燥/附着水点/附着水点严重，激光发射测距正常/测距误差变大/测距失常

输入D0、DE_threshold

激光探测方法的运行流程

①列车进站，屏蔽门滑动门开启乘客上下，滑动门闭合

②第1激光探测器(10)、第2激光探测器(20)工作

②-1障碍物阻断光束，声光报警器，清除障碍物

②-2无障碍物阻断光束，10S后激光探测器退出工作

③列车离站60S，激光测距工作

③-1激光测距仪(30)进行距离采样D(i)，1≤i≤4

③-2根据公式(1)，距离采样值的中位均值滤波

③-3根据公式(2)，测距数据的有效性判别

③-3-1数据有效，激光测距仪(30)上传BAS

③-3-2数据无效，激光测距仪(30)上传BAS，值班员操作PTC

③-4 10S后激光测距仪(30)退出工作。

Images