CN111089848B - 三维激光气体扫描仪 - Google Patents

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Abstract

三维激光气体扫描仪，涉及三维激光气体扫描技术领域。解决了现有技术中描绘区域三维模型和检测多组分气体需用两种设备单独进行，导致整个测量系统结构复杂问题。包括伺服模块、测距激光器、1号分束器、1号光电探测器、浓度检测控制模块、n个浓度检测激光器、波分复用器、2号分束器、准直透镜、反射镜、2号光电探测器、数据处理模块和主处理器；n个浓度检测激光器输出的激光中心波长各不相同；通过测距激光器进行测距，通过浓度检测控制模块选择m个浓度检测激光器输出m路不同中心波长的测浓度激光对待测区域气体浓度进行测量，用来检测不同的组分的气体。主要用于获得测量被测区域的三维坐标信息和检测气体浓度。

Description

三维激光气体扫描仪
技术领域
本发明涉及三维激光气体扫描技术领域。
背景技术
三维激光扫描系统采用激光测距技术，有精密伺服系统驱动激光光束快速的扫描目标区域，来获取扫描路径上的一系列连续测量点的距离数据，最终得到目标三维坐标的扫描测量系统。
国内外的气体遥测技术发展迅速，光学遥测也是检测危险气体泄漏的有效手段之一。激光气体遥测具有精细的时间分辨率、优越的方向性和相干性、大的垂直探测跨度、高的探测精度和实时快速的数据获取能力，已经成为大气探测强有力的工具。
目前三维坐标扫描和区域气体检测分别是两个独立的领域，描绘区域三维模型和检测多组分气体往往同时采用两种设备进行，这样同时获得两种信息需两套设备进行数据采集，导致整个测量系统结构复杂。这样不仅需要高昂的成本，更需要耗费更多的人力，且增加维护费用。因此，以上问题亟需解决。
发明内容
本发明是为了解决现有技术中描绘区域三维模型和检测多组分气体需用两种设备单独进行，导致整个测量系统结构复杂问题，本发明提供了一种三维激光气体扫描仪。
三维激光气体扫描仪，包括伺服模块、测距激光器、1号分束器、1号光电探测器、浓度检测控制模块、n个浓度检测激光器、波分复用器、2号分束器、准直透镜、反射镜、2号光电探测器、数据处理模块和主处理器；所述n个浓度检测激光器输出的激光中心波长各不相同；n为大于5的整数；
主处理器用于输出驱动控制信号对伺服模块进行控制，伺服模块根据接收的驱动控制信号控制反射镜进行旋转；伺服模块还用于输出控制反射镜旋转的俯仰角和水平角；
主处理器还用于对测距激光器进行控制，测距激光器输出的测距激光经1号分束器进行分束，1号分束器输出两路测距激光，其中，一路测距激光送入1号光电探测器进行光电转化，1号光电探测器输出的电信号送至数据处理模块；另一路测距激光发送至波分复用器；
同时，主处理器通过浓度检测控制模块对选择的m个浓度检测激光器的输出功率进行调节，使m个浓度检测激光器输出m路不同中心波长的测浓度激光，并同时送至波分复用器；m为正整数，且m小于或等于n；
波分复用器将接收的m路测浓度激光和1路测距激光合成一束激光，该束激光通过2号分束器送至准直透镜进行准直后，入射至反射镜，反射镜对入射的激光反射至被测区域，对被测区域进行扫描，经被测区域反射后的加载有数据信息的激光通过反射镜反射后，入射至准直透镜进行准直，准直完成后，通过2号光电探测器进行光电转化，2号光电探测器输出的电信号发送至数据处理模块；
数据处理模块对接收的两个电信号进行处理，获取被测区域内每个测量点的距离信息和其相应的浓度信息，并发送至主处理器；
主处理器根据每个测量点所对应的俯仰角、水平角和距离信息，获得每个测量点的三维坐标，根据每个测量点的三维坐标获得测量区域的三维模型。
优选的是，浓度检测控制模块对选择的m个浓度检测激光器的输出功率进行高频正弦调制。
优选的是，伺服模块包括水平电机、俯仰电机和两个编码器；
主处理器用于对水平电机和俯仰电机进行驱动控制，两个编码器分别用于对水平电机的水平角和俯仰电机的俯仰角进行采集，并送至主处理器。
优选的是，浓度检测控制模块包括信号发生器、激光驱动器和激光选择器；
信号发生器的输入端作为浓度检测控制模块的控制信号输入端与主处理器连接，
信号发生器根据接收的控制信号对激光驱动器进行控制；
激光驱动器用于对激光选择器进行驱动控制，从而使激光选择器选择相应的浓度检测激光器，并对选择的浓度检测激光器的输出功率进行调节。
本发明带来的有益效果是，本发明能够同时完成测量区域的三维模型构建和气体浓度检测，实现目标立体模型和目标周围多气体浓度分布模型的构建，进而实现探索未知区域和危险区域结构和多气体成分分布的功能。应用时，可通过显示器显示各测量点的浓度信息和测量区域的三维模型。
本发明所述的三维激光气体扫描仪结构简单，可同时获得每个测量点的浓度和测距信息；通过选择的m路不同中心波长的测浓度激光对待测区域气体浓度进行测量，每种气体对不同波长的光的吸收率不同，所以可以根据现场的实际需求，选择不同中心波长的激光器，用来检测不同的组分的气体。
本发明可为大型建筑物的内外空间(如化工厂，钢厂高炉)，隧道矿井等地下工程空间，一些危险区域人员不方便到达的区域(例如塌陷区域、溶洞、悬崖边)提供三维结构建模，同时完成空间内或建筑物表面气体成分分布建模，为消防抢险，人员进入未知空间提供安全依据，或准确判断气体泄漏位置。为事故现场测绘，空间有害气体分布提供准确三维模型和有毒有害气体分布模型，为救援抢险提供可靠依据。
说明书附图
图1为本发明所述的三维激光气体扫描仪的原理示意图；
图2为浓度检测控制模块的原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的三维激光气体扫描仪，包括伺服模块1、测距激光器2、1号分束器3、1号光电探测器4、浓度检测控制模块5、n个浓度检测激光器6、波分复用器7、2号分束器8、准直透镜9、反射镜10、2号光电探测器11、数据处理模块12和主处理器13；所述n个浓度检测激光器6输出的激光中心波长各不相同；n为大于5的整数；
主处理器13用于输出驱动控制信号对伺服模块1进行控制，伺服模块1根据接收的驱动控制信号控制反射镜10进行旋转；伺服模块1还用于输出控制反射镜10旋转的俯仰角和水平角；
主处理器13还用于对测距激光器2进行控制，测距激光器2输出的测距激光经1号分束器3进行分束，1号分束器输出两路测距激光，其中，一路测距激光送入1号光电探测器4进行光电转化，1号光电探测器4输出的电信号送至数据处理模块12；另一路测距激光发送至波分复用器7；
同时，主处理器13通过浓度检测控制模块5对选择的m个浓度检测激光器6的输出功率进行调节，使m个浓度检测激光器6输出m路不同中心波长的测浓度激光，并同时送至波分复用器7；m为正整数，且m小于或等于n；
波分复用器7将接收的m路测浓度激光和1路测距激光合成一束激光，该束激光通过2号分束器8送至准直透镜9进行准直后，入射至反射镜10，反射镜10对入射的激光反射至被测区域，对被测区域进行扫描，经被测区域反射后的加载有数据信息的激光通过反射镜10反射后，入射至准直透镜9进行准直，准直完成后，通过2号光电探测器11进行光电转化，2号光电探测器11输出的电信号发送至数据处理模块12；
数据处理模块12对接收的两个电信号进行处理，获取被测区域内每个测量点的距离信息和其相应的浓度信息，并发送至主处理器13；
主处理器13根据每个测量点所对应的俯仰角、水平角和距离信息，获得每个测量点的三维坐标，根据每个测量点的三维坐标获得测量区域的三维模型。
通过本实施方式所述的三维激光气体扫描仪可获得测量区域的三维模型及测量区域内每个测量点的气体浓度分布，应用时，可通过显示器显示各测量点的浓度信息和测量区域的三维模型。
本实施方式所述的三维激光气体扫描仪结构简单，可同时获得每个测量点的浓度和测距信息；通过m路不同中心波长的测浓度激光对待测区域气体浓度进行测量，每种气体对不同波长的光的吸收率不同，所以可以根据现场的实际需求，选择不同中心波长的激光器，用来检测不同的组分的气体。
进一步的，浓度检测控制模块5对选择的m个浓度检测激光器6的输出功率进行高频正弦调制。
进一步的，伺服模块1包括水平电机、俯仰电机和两个编码器；
主处理器13用于对水平电机和俯仰电机进行驱动控制，两个编码器分别用于对水平电机的水平角和俯仰电机的俯仰角进行采集，并送至主处理器13。
进一步的，参见图2，浓度检测控制模块5包括信号发生器5-1、激光驱动器5-2和激光选择器5-3；
信号发生器5-1的输入端作为浓度检测控制模块5的控制信号输入端与主处理器13连接；
信号发生器5-1根据接收的控制信号对激光驱动器5-2进行控制；
激光驱动器5-2用于对激光选择器5-3进行驱动控制，从而使激光选择器5-3选择相应的浓度检测激光器6，并对选择的浓度检测激光器6的输出功率进行调节。
本实施方式中，信号发生器5-1根据接收的控制信号，输出高频正弦电信号与低频锯齿波电信号叠加后的信号，使得浓度检测激光器6即可以按照低频锯齿波进行线性扫描的同时，其输出光功率也伴随着高频正弦调制，于是，通过高频正弦电信号对浓度检测激光器6输出的波长进行调制，而这样的高频调制可以抑制低频段的背景噪声干扰，提高系统的测量灵敏度。
通过激光选择器5-3来控制和切换不同浓度检测激光器6的工作状态，浓度检测激光器6输出待测气体吸收谱线波长的激光，实现从一系列的浓度检测激光器6中选择测量光束导入到检测光路，对多组分气体进行检测。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其它的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例。

Claims (3)

1.三维激光气体扫描仪，其特征在于，包括伺服模块(1)、测距激光器(2)、1号分束器(3)、1号光电探测器(4)、浓度检测控制模块(5)、n个浓度检测激光器(6)、波分复用器(7)、2号分束器(8)、准直透镜(9)、反射镜(10)、2号光电探测器(11)、数据处理模块(12)和主处理器(13)；所述n个浓度检测激光器(6)输出的激光中心波长各不相同；n为大于5的整数；
主处理器(13)用于输出驱动控制信号对伺服模块(1)进行控制，伺服模块(1)根据接收的驱动控制信号控制反射镜(10)进行旋转；伺服模块(1)还用于输出控制反射镜(10)旋转的俯仰角和水平角；
主处理器(13)还用于对测距激光器(2)进行控制，测距激光器(2)输出的测距激光经1号分束器(3)进行分束，1号分束器输出两路测距激光，其中，一路测距激光送入1号光电探测器(4)进行光电转化，1号光电探测器(4)输出的电信号送至数据处理模块(12)；另一路测距激光发送至波分复用器(7)；
同时，主处理器(13)通过浓度检测控制模块(5)对选择的m个浓度检测激光器(6)的输出功率进行调节，使m个浓度检测激光器(6)输出m路不同中心波长的测浓度激光，并同时送至波分复用器(7)；m为正整数，且m小于或等于n；
波分复用器(7)将接收的m路测浓度激光和1路测距激光合成一束激光，该束激光通过2号分束器(8)送至准直透镜(9)进行准直后，入射至反射镜(10)，反射镜(10)对入射的激光反射至被测区域，对被测区域进行扫描，经被测区域反射后的加载有数据信息的激光通过反射镜(10)反射后，入射至准直透镜(9)进行准直，准直完成后，通过2号光电探测器(11)进行光电转化，2号光电探测器(11)输出的电信号发送至数据处理模块(12)；
数据处理模块(12)对接收的两个电信号进行处理，获取被测区域内每个测量点的距离信息和其相应的浓度信息，并发送至主处理器(13)；
主处理器(13)根据每个测量点所对应的俯仰角、水平角和距离信息，获得每个测量点的三维坐标，根据每个测量点的三维坐标获得测量区域的三维模型；
浓度检测控制模块(5)包括信号发生器(5-1)、激光驱动器(5-2)和激光选择器(5-3)；
信号发生器(5-1)的输入端作为浓度检测控制模块(5)的控制信号输入端与主处理器(13)连接，
信号发生器(5-1)根据接收的控制信号对激光驱动器(5-2)进行控制；
激光驱动器(5-2)用于对激光选择器(5-3)进行驱动控制，从而使激光选择器(5-3)选择相应的浓度检测激光器(6)，并对选择的浓度检测激光器(6)的输出功率进行调节；
浓度检测控制模块(5)根据接收的控制信号，输出高频正弦电信号与低频锯齿波电信号叠加后的信号，使得浓度检测激光器(6)按照低频锯齿波进行线性扫描的同时，通过叠加后的信号中的高频正弦电信号对浓度检测激光器(6)输出的波长进行调制，高频调制抑制低频段的背景噪声干扰。
2.根据权利要求1所述的三维激光气体扫描仪，其特征在于，浓度检测控制模块(5)对选择的m个浓度检测激光器(6)的输出功率进行高频正弦调制。
3.根据权利要求1所述的三维激光气体扫描仪，其特征在于，伺服模块(1)包括水平电机、俯仰电机和两个编码器；
主处理器(13)用于对水平电机和俯仰电机进行驱动控制，两个编码器分别用于对水平电机的水平角和俯仰电机的俯仰角进行采集，并送至主处理器(13)。
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