CN203870253U - 早期火灾报警用激光雷达监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种早期火灾报警用激光雷达监测系统，首先激光器向探测目标发出探测激光；然后通过卡塞格林光学望远镜接收被探测目标散射后的逆向散射激光并汇聚到单光子探测器的焦平面上采集单光子电信号并通过工控机进行比较识别，识别出被探测目标处的空气中的烟雾浓度信号；本实用新型利用激光逆向散射及反射的原理，精确测量烟雾及其的含量、位置、方位信息，避免原有检测系统中覆盖率不佳的弊端；采用高精度云台，实现24小时不间断检测进行360度无死角覆盖检测区域，全方位监控，可准确获得火灾的规模和位置。采用后期数据库处理，不受风霜雨雾和冰冻影响。

Description

早期火灾报警用激光雷达监测系统

技术领域

本发明涉及环境监测技术领域，尤其是涉及一种早期火灾报警用激光雷达监测系统。 

背景技术

我国地域辽阔，山林广阔分布，即使偶然的一次火灾都可带来不可计量的损失，森林防火近年来越来越受到国家相关机构的重视。 

目前国内对森林山域防火主要监测依靠人工巡视瞭望塔、图像视频监测、红外监测这几类，但是受野外干扰的因素，以上监测方式会凸显出覆盖率不佳、火灾规模及位置不确定等不足之处。 

因此快速准确发现山林起火点，成为了森林消防部门的急需要解决的问题。现有的森林火灾监测系统，因此有必要予以改进。 

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种早期火灾报警用激光雷达监测系统。 

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是： 

本发明的早期火灾报警用激光雷达监测系统，包括激光器、分束镜、激光扩束镜、卡塞格林光学望远镜、单光子探测器、单光子计数器、工控机； 

所述激光器，用于向探测目标发出探测激光； 

所述分束镜，用于将探测激光分成监测激光和发射激光； 

所述激光扩束镜，用于对发射激光进行扩束后发射到大气中； 

所述卡塞格林光学望远镜，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； 

所述单光子探测器，用于探测逆向散射激光中单光子信号； 

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，用于接收监测激光和回波信号进行比较识别，识别出被探测目标处的烟雾浓度信号； 

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，还包括用于实现激光器、单光子探测器和单光子计数器的同步工作的门控触发，所述门控触发一端与工控机连接，另一端分别与激光器、单光子探测器和单光子计数器连接。 

进一步，还包括依次设置于卡塞格林光学望远镜和单光子探测器之间的空间滤光片、窄带滤光片、可变衰减片； 

所述空间滤光片，用于过滤空间中的非近轴杂散光； 

所述窄带滤光片，用于过滤非工作波长的杂散光； 

所述可变衰减片，用于调整逆向散射激光的透过率系数。 

进一步，还包括设置于激光器和工控机之间的光电二极管，所述光电二极管，用于监测激光脉冲输出能量。 

进一步，所述回波信号包括目标烟雾的浓度信息、位置信息、方位信息。 

进一步，还包括用于承载森林火灾监测系统的自动控制云台。 

采用上述结构后，本发明和现有技术相比所具有的优点是： 

1、选择特定的激光波长，利用激光逆向散射及反射的原理，精确测量大气中痕量及检测物质的含量、位置、分布信息，避免原有检测系统中覆盖率 不佳的弊端。 

2、采用高精度云台，实现24小时不间断检测，同时可以结合GIS系统、数据库及后台处理软件，可展现整个激光检测系统进行精准对接，检测火灾最早期的烟气，提高系统及时性。 

3、360度无死角覆盖检测区域，全方位监控，可准确获得火灾的规模和位置。 

4、采用后期数据库处理，不受风霜雨雾和冰冻影响。 

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明： 

图1为本发明实施例提供的早期火灾报警用激光雷达监测系统结构图； 

图2为本发明实施例提供的早期火灾报警用激光雷达监测系统云台结构图； 

图3为本发明实施例提供的早期火灾报警用激光雷达监测方法流程图。 

图中：光电二极管1；激光器2；门控触发3；激光扩束镜4；空间滤光片5；窄带滤光片6；可变衰减片7；单光子探测器8；单光子计数器9；工控机10；卡塞格林光学望远镜11；分束镜12；发射激光13；监测激光14；逆向散射激光15；云台16。 

具体实施方式

以下所述仅为本发明的较佳实施例，并不因此而限定本发明的保护范围。 

实施例，见图1至图3所示： 

本发明的早期火灾报警用激光雷达监测系统，包括激光器2、分束镜12、激光扩束镜4、卡塞格林光学望远镜11、单光子探测器8、单光子计数器9、工控机10； 

所述激光器2，用于向探测目标发出探测激光； 

所述分束镜12，用于将探测激光分成监测激光14和发射激光13； 

所述激光扩束镜4，用于对发射激光进行扩束后发射到大气中； 

所述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15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8，用于探测逆向散射激光15中单光子电信号； 

所述单光子计数器9，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10，用于接收监测激光和回波信号进行比较识别，识别出被探测目标处的空气的烟雾浓度信息； 

所述激光器2、单光子探测器8和单光子计数器9分别与工控机10连接。 

还包括用于实现激光器2、单光子探测器8和单光子计数器9的同步工作的门控触发3，所述门控触发3一端与工控机10连接，另一端分别与激光器2、单光子探测器8和单光子计数器9连接。 

还包括依次设置于卡塞格林光学望远镜和单光子探测器之间的空间滤光片5、窄带滤光片6、可变衰减片7； 

所述空间滤光片5，用于过滤空间中的非近轴杂散光； 

所述窄带滤光片6，用于过滤非工作波长的杂散光； 

所述可变衰减片7，用于调整逆向散射激光的透过率系数。 

还包括设置于激光器和工控机之间的光电二极管1，所述光电二极管1，用于监测激光脉冲输出能量。 

所述回波信号包括目标烟雾的浓度信息、位置信息、方位信息。 

还包括用于承载森林火灾监测系统的自动控制云台16。 

本实施例还提供了一种早期火灾报警用激光雷达监测方法，包括以下步骤： 

S1：初始化系统参数； 

S2：启动激光器向探测目标发出探测激光； 

S3：通过分束镜将探测激光分成监测激光和发射激光； 

S4：通过激光扩束镜对发射激光进行扩束后发射到大气中； 

S5：通过卡塞格林光学望远镜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； 

S6：通过单光子探测器探测逆向散射激光中单光子电信号； 

S7：通过单光子计数器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； 

S8：通过工控机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； 

S9：判断是否有待测特征信号，如果无，则返回步骤S2； 

S10：如果有，则发出预警信号。 

所述步骤S8中痕量气体信号包括目标烟雾的浓度信息、位置信息、方位信息；所述痕量气体信号是通过以下步骤来进行的： 

S81：所述目标烟雾的浓度信息通过以下激光雷达方程公式来计算： 

$p\left(z\right)=p_0\frac{c^{\mathrm{\τ}}}{2}\mathrm{\β}\left(z\right)\frac{A\left(Z\right)}{Z^2}\exp [-2{\∫}_0^z\mathrm{\α}\left(z\right)\mathrm{dz}],$

其中，P(Z)为接收到的功率，z是观测点距离，P0为激光发射功率，c是光速，τ是激光器发射脉冲的脉宽，λ0是激光器的波长，β(z)是后向散射系数，A(Z)为望远镜接受散射光的有效面积，α(z)为消光系数； 

S82：所述位置信息通过以下公式来进行： 

S＝c·△t， 

其中，S为待测目标离测量仪器的实际距离，c为光速，Δt为激光脉冲信号与发射激光的时间差； 

S83：所述方位信息通过以下方式来进行： 

获取云台设定的旋转角度和旋转速度，通过伺服电机角度反馈信号得到激光发射的方位信息。 

所述激光器、单光子探测器和单光子计数器通过门控触发来控制进行同步工作。 

所述步骤S5中的穿过卡塞格林光学望远镜的逆向散射激光还要进行以下步骤： 

S51：通过空间滤光片来过滤空间中的非近轴杂散光； 

S52：通过窄带滤光片来过滤非工作波长的杂散光； 

S53：通过可变衰减片来调整逆向散射激光的透过率系数。 

本实施例提供的激光雷达方程是激光雷达系统运转过程中的总描述。激光雷达方程中的各参数都对应激光雷达探测时激光在大气传输过程中所受的影响。根据激光雷达方程除了可以反演出浓度信息之外，还可以建立大气传输模型(包括环境条件-风、霜、雨、雪)对激光回波信号的影响，各项条件的影响体现在消光系数α(z)上，后续会根据实际探测环境建立环境条件模型，对激光雷达方程进行有效修正。 

森林火灾监测系统及方法目前已广泛使用，其它结构和原理与现有技术相同，这里不再赘述。 

Claims (6)

1.早期火灾报警用激光雷达监测系统，其特征在于：包括激光器、分束镜、激光扩束镜、卡塞格林光学望远镜、单光子探测器、单光子计数器和工控机；

所述激光器，用于向探测目标发出探测激光；

所述分束镜，用于将探测激光分成监测激光和发射激光；

所述激光扩束镜，用于对发射激光进行扩束后发射到大气中；

所述卡塞格林光学望远镜，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；

所述单光子探测器，用于探测逆向散射激光中单光子信号；

所述单光子计数器，用于采集单光子信号并对单光子信号进行计数形成回波信号；

所述工控机，用于接收监测激光和回波信号进行比较识别，识别出被探测目标处的烟雾浓度信息；

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。

2.根据权利要求1所述的早期火灾报警用激光雷达监测系统，其特征在于：还包括用于实现激光器、单光子探测器和单光子计数器的同步工作的门控触发，所述门控触发一端与工控机连接，另一端分别与激光器、单光子探测器和单光子计数器连接。

3.根据权利要求1所述的早期火灾报警用激光雷达监测系统，其特征在于：还包括依次设置于卡塞格林光学望远镜和单光子探测器之间的空间滤光片、窄带滤光片和可变衰减片；

所述空间滤光片，用于过滤空间中的非近轴杂散光；

所述窄带滤光片，用于过滤非工作波长的杂散光；

所述可变衰减片，用于调整逆向散射激光的透过率系数。

4.根据权利要求1所述的早期火灾报警用激光雷达监测系统，其特征在于：还包括设置于激光器和工控机之间的光电二极管，所述光电二极管，用于监测激光脉冲输出能量。

5.根据权利要求1所述的早期火灾报警用激光雷达监测系统，其特征在于：所述回波信号包括目标烟雾的浓度信息、位置信息和方位信息。

6.根据权利要求1所述的早期火灾报警用激光雷达监测系统，其特征在于：还包括用于承载森林火灾监测系统的自动控制云台。