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早期火災報警用激光雷達監測系統及方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201410157608.5

申請日:

2014.04.18

公開號:

CN103954968A

公開日:

2014.07.30

當前法律狀態:

撤回

有效性:

無權

法律詳情: 發明專利申請公布后的視為撤回IPC(主分類):G01S 17/88申請公布日:20140730|||實質審查的生效IPC(主分類):G01S 17/88申請日:20140418|||公開
IPC分類號: G01S17/88; G01S17/02; G01S7/481 主分類號: G01S17/88
申請人: 寧波鐳基光電技術有限公司
發明人: 陳春榮; 錢黎明; 陽明仰
地址: 315012 浙江省寧波市海曙區麗園北路325號
優先權:
專利代理機構: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246 代理人: 龔燮英
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201410157608.5

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2017.01.11|||2014.08.27|||2014.07.30

法律狀態類型:

發明專利申請公布后的視為撤回|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種早期火災報警用激光雷達監測系統,首先激光器向探測目標發出探測激光;然后通過卡塞格林光學望遠鏡接收被探測目標散射后的逆向散射激光并匯聚到單光子探測器的焦平面上采集單光子電信號并通過工控機進行比較識別,識別出被探測目標處的空氣中的煙霧濃度信號;本發明利用激光逆向散射及反射的原理,精確測量煙霧及其的含量、位置、方位信息,避免原有檢測系統中覆蓋率不佳的弊端;采用高精度云臺,實現24小時不間斷檢測進行360度無死角覆蓋檢測區域,全方位監控,可準確獲得火災的規模和位置。采用后期數據庫處理,不受風霜雨霧和冰凍影響。

權利要求書

權利要求書
1.  早期火災報警用激光雷達監測系統,其特征在于:包括激光器、分束鏡、激光擴束鏡、卡塞格林光學望遠鏡、單光子探測器、單光子計數器和工控機;
所述激光器,用于向探測目標發出探測激光;
所述分束鏡,用于將探測激光分成監測激光和發射激光;
所述激光擴束鏡,用于對發射激光進行擴束后發射到大氣中;
所述卡塞格林光學望遠鏡,用于接收被探測目標散射后的逆向散射激光并將逆向散射激光匯聚到單光子探測器的焦平面上;
所述單光子探測器,用于探測逆向散射激光中單光子信號;
所述單光子計數器,用于采集單光子信號并對單光子信號進行計數形成回波信號;
所述工控機,用于接收監測激光和回波信號進行比較識別,識別出被探測目標處的煙霧濃度信息;
所述激光器、單光子探測器和單光子計數器分別與工控機連接。

2.  根據權利要求1所述的早期火災報警用激光雷達監測系統,其特征在于:還包括用于實現激光器、單光子探測器和單光子計數器的同步工作的門控觸發,所述門控觸發一端與工控機連接,另一端分別與激光器、單光子探測器和單光子計數器連接。

3.  根據權利要求1所述的早期火災報警用激光雷達監測系統,其特征在于:還包括依次設置于卡塞格林光學望遠鏡和單光子探測器之間的空間濾光片、窄帶濾光片和可變衰減片;
所述空間濾光片,用于過濾空間中的非近軸雜散光;
所述窄帶濾光片,用于過濾非工作波長的雜散光;
所述可變衰減片,用于調整逆向散射激光的透過率系數。

4.  根據權利要求1所述的早期火災報警用激光雷達監測系統,其特征在于:還包括設置于激光器和工控機之間的光電二極管,所述光電二極管,用于監測激光脈沖輸出能量。

5.  根據權利要求1所述的早期火災報警用激光雷達監測系統,其特征在于:所述回波信號包括目標煙霧的濃度信息、位置信息和方位信息。

6.  根據權利要求1所述的早期火災報警用激光雷達監測系統,其特征在于:還包括用于承載森林火災監測系統的自動控制云臺。

7.  早期火災報警用激光雷達監測方法,其特征在于:包括以下步驟:
S1:初始化系統參數;
S2:啟動激光器向探測目標發出探測激光;
S3:通過分束鏡將探測激光分成監測激光和發射激光;
S4:通過激光擴束鏡對發射激光進行擴束后發射到大氣中;
S5:通過卡塞格林光學望遠鏡接收被探測目標散射后的逆向散射激光并將逆向散射激光匯聚到單光子探測器的焦平面上;
S6:通過單光子探測器探測逆向散射激光中單光子信號;
S7:通過單光子計數器采集單光子信號并對單光子電信號進行計數形成回波信號;
S8:通過工控機接收監測激光和單光子數信號進行比較識別,識別出被探測目標處的煙霧信號;
S9:判斷是否有待測特征信號,如果無,則返回步驟S2;
S10:如果有,則發出預警信號。

8.  根據權利要求7所述的早期火災報警用激光雷達監測方法,其特征在于:所述步驟S8中目標處的煙霧信號包括濃度信息、位置信息和方位信息;所述目標處的煙霧信號是通過以下步驟來進行的:
S81:所述目標煙霧的濃度信息通過以下激光雷達方程公式來計算:
p(z)=p0cτ2β(z)A(Z)Z2exp[-2∫0zα(z)dz],]]>
其中,P(Z)為接收到的功率,z是觀測點距離,P0為激光發射功率,c是光速,τ是激光器發射脈沖的脈寬,λ0是激光器的波長,β(z)是后向散射系數,A(Z)為望遠鏡接受散射光的有效面積,α(z)為消光系數;
S82:所述位置信息通過以下公式來進行:
S=c·△t,
其中,S為待測目標離測量儀器的實際距離,c為光速,Δt為激光脈沖信號與發射激光的時間差;
S83:所述方位信息通過以下方式來進行:
獲取云臺設定的旋轉角度和旋轉速度,通過伺服電機角度反饋信號得到激光發射的方位信息。

9.  根據權利要求7所述的早期火災報警用激光雷達監測方法,其特征在于:所述激光器、單光子探測器和單光子計數器通過門控觸發來控制進行同步工作。

10.  根據權利要求7所述的早期火災報警用激光雷達監測方法,其特征在于:所述步驟S5中的穿過卡塞格林光學望遠鏡的逆向散射激光還要進行以下步驟:
S51:通過空間濾光片來過濾空間中的非近軸雜散光;
S52:通過窄帶濾光片來過濾非工作波長的雜散光;
S53:通過可變衰減片來調整逆向散射激光的透過率系數。

說明書

說明書早期火災報警用激光雷達監測系統及方法
技術領域
本發明涉及環境監測技術領域,尤其是涉及一種早期火災報警用激光雷達監測系統及方法。
背景技術
我國地域遼闊,山林廣闊分布,即使偶然的一次火災都可帶來不可計量的損失,森林防火近年來越來越受到國家相關機構的重視。
目前國內對森林山域防火主要監測依靠人工巡視瞭望塔、圖像視頻監測、紅外監測這幾類,但是受野外干擾的因素,以上監測方式會凸顯出覆蓋率不佳、火災規模及位置不確定等不足之處。
因此快速準確發現山林起火點,成為了森林消防部門的急需要解決的問題。現有的森林火災監測系統及方法,因此有必要予以改進。
發明內容
針對上述現有技術存在的不足,本發明的目的是提供一種早期火災報警用激光雷達監測系統及方法。
為了實現上述目的,本發明所采用的技術方案是:
本發明的早期火災報警用激光雷達監測系統,包括激光器、分束鏡、激光擴束鏡、卡塞格林光學望遠鏡、單光子探測器、單光子計數器、工控機;
所述激光器,用于向探測目標發出探測激光;
所述分束鏡,用于將探測激光分成監測激光和發射激光;
所述激光擴束鏡,用于對監測激光進行擴束后發射到大氣中;
所述卡塞格林光學望遠鏡,用于接收被探測目標散射后的逆向散射激光并將逆向散射激光匯聚到單光子探測器的焦平面上;
所述單光子探測器,用于探測逆向散射激光中單光子信號;
所述單光子計數器,用于采集單光子電信號并對單光子電信號進行計數形成回波信號;
所述工控機,用于接收反射激光和單光子數信號進行比較識別,識別出被探測目標處的煙霧濃度信號;
所述激光器、單光子探測器和單光子計數器分別與工控機連接。
進一步,還包括用于實現激光器、單光子探測器和單光子計數器的同步工作的門控觸發,所述門控觸發一端與工控機連接,另一端分別與激光器、單光子探測器和單光子計數器連接。
進一步,還包括依次設置于卡塞格林光學望遠鏡和單光子探測器之間的空間濾光片、窄帶濾光片、可變衰減片;
所述空間濾光片,用于過濾空間中的非近軸雜散光;
所述窄帶濾光片,用于過濾非工作波長的雜散光;
所述可變衰減片,用于調整逆向散射激光的透過率系數。
進一步,還包括設置于激光器和工控機之間的光電二極管,所述光電二極管,用于監測激光脈沖輸出能量。
進一步,所述目標散射信號包括目標煙霧的濃度信息、位置信息、方位信息。
進一步,還包括用于承載森林火災監測系統的自動控制云臺。
本發明提供的早期火災報警用激光雷達監測方法,包括以下步驟:
S1:初始化系統參數;
S2:啟動激光器向探測目標發出探測激光;
S3:通過分束鏡將探測激光分成監測激光和反射激光;
S4:通過激光擴束鏡對監測激光進行擴束后發射到大氣中;
S5:通過卡塞格林光學望遠鏡接收被探測目標散射后的逆向散射激光并將逆向散射激光匯聚到單光子探測器的焦平面上;
S6:通過單光子探測器探測逆向散射激光中單光子電信號;
S7:通過單光子計數器采集單光子電信號并對單光子電信號進行計數形成回波信號;
S8:通過工控機接收反射激光和單光子數信號進行比較識別,識別出被探測目標處的空氣的痕量氣體信號;
S9:判斷是否有待測特征信號,如果無,則返回步驟S2;
S10:如果有,則發出預警信號。
進一步,所述步驟S8中目標處的煙霧包括濃度信息、位置信息、方位信息;所述目標處的煙霧信號是通過以下步驟來進行的:
S81:所述目標處煙霧的濃度信息通過以下激光雷達方程公式來計算:
p(z)=p0cτ2β(z)A(Z)Z2exp[-2∫0zα(z)dz],]]>
其中,P(Z)為接收到的功率,z是觀測點距離,P0為激光發射功率,c是光速,τ是激光器發射脈沖的脈寬,λ0是激光器的波長,β(z)是后向散射系數,A(Z)為望遠鏡接受散射光的有效面積,α(z)為消光系數;
S82:所述位置信息通過以下公式來進行:
S=c·△t,
其中,S為待測目標離測量儀器的實際距離,c為光速,△t為激光脈沖信 號與發射激光的時間差;
S83:所述方位信息通過以下方式來進行:
獲取云臺設定的旋轉角度和旋轉速度,通過伺服電機角度反饋信號得到激光發射的方位信息。
進一步,所述激光器、單光子探測器和單光子計數器通過門控觸發來控制進行同步工作。
進一步,所述步驟S5中的穿過卡塞格林光學望遠鏡的逆向散射激光還要進行以下步驟:
S51:通過空間濾光片來過濾空間中的非近軸雜散光;
S52:通過窄帶濾光片來過濾非工作波長的雜散光;
S53:通過可變衰減片來調整逆向散射激光的透過率系數。
采用上述結構后,本發明和現有技術相比所具有的優點是:
1、選擇特定的激光波長,利用激光逆向散射及反射的原理,精確測量大氣中痕量及檢測物質的含量、位置、分布信息,避免原有檢測系統中覆蓋率不佳的弊端。
2、采用高精度云臺,實現24小時不間斷檢測,同時可以結合GIS系統、數據庫及后臺處理軟件,可展現整個激光檢測系統進行精準對接,檢測火災最早期的煙氣,提高系統及時性。
3、360度無死角覆蓋檢測區域,全方位監控,可準確獲得火災的規模和位置。
4、采用后期數據庫處理,不受風霜雨霧和冰凍影響。
附圖說明
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明:
圖1為本發明實施例提供的早期火災報警用激光雷達監測系統結構圖;
圖2為本發明實施例提供的早期火災報警用激光雷達監測系統云臺結構圖;
圖3為本發明實施例提供的早期火災報警用激光雷達監測方法流程圖。
圖中:光電二極管1;激光器2;門控觸發3;激光擴束鏡4;空間濾光片5;窄帶濾光片6;可變衰減片7;單光子探測器8;單光子計數器9;工控機10;卡塞格林光學望遠鏡11;分束鏡12;發射激光13;監測激光14;逆向散射激光15;云臺16。
具體實施方式
以下所述僅為本發明的較佳實施例,并不因此而限定本發明的保護范圍。
實施例,見圖1至圖3所示:
本發明的早期火災報警用激光雷達監測系統,包括激光器2、分束鏡12、激光擴束鏡4、卡塞格林光學望遠鏡11、單光子探測器8、單光子計數器9、工控機10;
所述激光器2,用于向探測目標發出探測激光;
所述分束鏡12,用于將探測激光分成監測激光14和發射激光13;
所述激光擴束鏡4,用于對發射激光進行擴束后發射到大氣中;
所述卡塞格林光學望遠鏡11,用于接收被探測目標散射后的逆向散射激光15并將逆向散射激光匯聚到單光子探測器的焦平面上;
所述單光子探測器8,用于探測逆向散射激光15中單光子電信號;
所述單光子計數器9,用于采集單光子電信號并對單光子電信號進行計數形成回波信號;
所述工控機10,用于接收監測激光和單光子數信號進行比較識別,識別 出被探測目標處的空氣的痕量氣體信號;
所述激光器2、單光子探測器8和單光子計數器9分別與工控機10連接。
還包括用于實現激光器2、單光子探測器8和單光子計數器9的同步工作的門控觸發3,所述門控觸發3一端與工控機10連接,另一端分別與激光器2、單光子探測器8和單光子計數器9連接。
還包括依次設置于卡塞格林光學望遠鏡和單光子探測器之間的空間濾光片5、窄帶濾光片6、可變衰減片7;
所述空間濾光片5,用于過濾空間中的非近軸雜散光;
所述窄帶濾光片6,用于過濾非工作波長的雜散光;
所述可變衰減片7,用于調整逆向散射激光的透過率系數。
還包括設置于激光器和工控機之間的光電二極管1,所述光電二極管1,用于監測激光脈沖輸出能量。
所述痕量氣體信號包括目標煙霧的濃度信息、位置信息、方位信息。
還包括用于承載森林火災監測系統的自動控制云臺16。
本實施例還提供了一種早期火災報警用激光雷達監測方法,包括以下步驟:
S1:初始化系統參數;
S2:啟動激光器向探測目標發出探測激光;
S3:通過分束鏡將探測激光分成監測激光和發射激光;
S4:通過激光擴束鏡對發射激光進行擴束后發射到大氣中;
S5:通過卡塞格林光學望遠鏡接收被探測目標散射后的逆向散射激光并將逆向散射激光匯聚到單光子探測器的焦平面上;
S6:通過單光子探測器探測逆向散射激光中單光子電信號;
S7:通過單光子計數器采集單光子電信號并對單光子電信號進行計數形成回波信號;
S8:通過工控機接收監測激光和單光子數信號進行比較識別,識別出被探測目標處的空氣的痕量氣體信號;
S9:判斷是否有待測特征信號,如果無,則返回步驟S2;
S10:如果有,則發出預警信號。
所述步驟S8中痕量氣體信號包括目標煙霧的濃度信息、位置信息、方位信息;所述痕量氣體信號是通過以下步驟來進行的:
S81:所述目標煙霧的濃度信息通過以下激光雷達方程公式來計算:
p(z)=p0cτ2β(z)A(Z)Z2exp[-2∫0zα(z)dz],]]>
其中,P(Z)為接收到的功率,z是觀測點距離,P0為激光發射功率,c是光速,τ是激光器發射脈沖的脈寬,λ0是激光器的波長,β(z)是后向散射系數,A(Z)為望遠鏡接受散射光的有效面積,α(z)為消光系數;
S82:所述位置信息通過以下公式來進行:
S=c·△t,
其中,S為待測目標離測量儀器的實際距離,c為光速,△t為激光脈沖信號與發射激光的時間差;
S83:所述方位信息通過以下方式來進行:
獲取云臺設定的旋轉角度和旋轉速度,通過伺服電機角度反饋信號得到激光發射的方位信息。
所述激光器、單光子探測器和單光子計數器通過門控觸發來控制進行同步工作。
所述步驟S5中的穿過卡塞格林光學望遠鏡的逆向散射激光還要進行以下步驟:
S51:通過空間濾光片來過濾空間中的非近軸雜散光;
S52:通過窄帶濾光片來過濾非工作波長的雜散光;
S53:通過可變衰減片來調整逆向散射激光的透過率系數。
本實施例提供的激光雷達方程是激光雷達系統運轉過程中的總描述。激光雷達方程中的各參數都對應激光雷達探測時激光在大氣傳輸過程中所受的影響。根據激光雷達方程除了可以反演出濃度信息之外,還可以建立大氣傳輸模型(包括環境條件-風、霜、雨、雪)對激光回波信號的影響,各項條件的影響體現在消光系數α(z)上,后續會根據實際探測環境建立環境條件模型,對激光雷達方程進行有效修正。
森林火災監測系統及方法目前已廣泛使用,其它結構和原理與現有技術相同,這里不再贅述。

關 鍵 詞:
早期 火災 報警 激光雷達 監測 系統 方法
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