早期火災(zāi)報(bào)警用激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種早期火災(zāi)報(bào)警用激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，首先激光器向探測(cè)目標(biāo)發(fā)出探測(cè)激光；然后通過(guò)卡塞格林光學(xué)望遠(yuǎn)鏡接收被探測(cè)目標(biāo)散射后的逆向散射激光并匯聚到單光子探測(cè)器的焦平面上采集單光子電信號(hào)并通過(guò)工控機(jī)進(jìn)行比較識(shí)別，識(shí)別出被探測(cè)目標(biāo)處的空氣中的煙霧濃度信號(hào)；本實(shí)用新型利用激光逆向散射及反射的原理，精確測(cè)量煙霧及其的含量、位置、方位信息，避免原有檢測(cè)系統(tǒng)中覆蓋率不佳的弊端；采用高精度云臺(tái)，實(shí)現(xiàn)24小時(shí)不間斷檢測(cè)進(jìn)行360度無(wú)死角覆蓋檢測(cè)區(qū)域，全方位監(jiān)控，可準(zhǔn)確獲得火災(zāi)的規(guī)模和位置。采用后期數(shù)據(jù)庫(kù)處理，不受風(fēng)霜雨霧和冰凍影響。
【專利說(shuō)明】早期火災(zāi)報(bào)警用激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及環(huán)境監(jiān)測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及一種早期火災(zāi)報(bào)警用激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)系 統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 我國(guó)地域遼闊，山林廣闊分布，即使偶然的一次火災(zāi)都可帶來(lái)不可計(jì)量的損失，森 林防火近年來(lái)越來(lái)越受到國(guó)家相關(guān)機(jī)構(gòu)的重視。
[0003] 目前國(guó)內(nèi)對(duì)森林山域防火主要監(jiān)測(cè)依靠人工巡視瞭望塔、圖像視頻監(jiān)測(cè)、紅外監(jiān) 測(cè)這幾類，但是受野外干擾的因素，以上監(jiān)測(cè)方式會(huì)凸顯出覆蓋率不佳、火災(zāi)規(guī)模及位置不 確定等不足之處。
[0004] 因此快速準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)山林起火點(diǎn)，成為了森林消防部門的急需要解決的問(wèn)題。現(xiàn)有 的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，因此有必要予以改進(jìn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的是提供一種早期火災(zāi)報(bào)警用激光雷 達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0007] 本發(fā)明的早期火災(zāi)報(bào)警用激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括激光器、分束鏡、激光擴(kuò)束鏡、 卡塞格林光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、單光子探測(cè)器、單光子計(jì)數(shù)器、工控機(jī)；
[0008] 所述激光器，用于向探測(cè)目標(biāo)發(fā)出探測(cè)激光；
[0009] 所述分束鏡，用于將探測(cè)激光分成監(jiān)測(cè)激光和發(fā)射激光；
[0010] 所述激光擴(kuò)束鏡，用于對(duì)發(fā)射激光進(jìn)行擴(kuò)束后發(fā)射到大氣中；
[0011] 所述卡塞格林光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，用于接收被探測(cè)目標(biāo)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(cè)器的焦平面上；
[0012] 所述單光子探測(cè)器，用于探測(cè)逆向散射激光中單光子信號(hào)；
[0013] 所述單光子計(jì)數(shù)器，用于采集單光子電信號(hào)并對(duì)單光子電信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)形成回波 信號(hào)；
[0014] 所述工控機(jī)，用于接收監(jiān)測(cè)激光和回波信號(hào)進(jìn)行比較識(shí)別，識(shí)別出被探測(cè)目標(biāo)處 的煙霧濃度信號(hào)；
[0015] 所述激光器、單光子探測(cè)器和單光子計(jì)數(shù)器分別與工控機(jī)連接。
[0016] 進(jìn)一步，還包括用于實(shí)現(xiàn)激光器、單光子探測(cè)器和單光子計(jì)數(shù)器的同步工作的門 控觸發(fā)，所述門控觸發(fā)一端與工控機(jī)連接，另一端分別與激光器、單光子探測(cè)器和單光子計(jì) 數(shù)器連接。
[0017] 進(jìn)一步，還包括依次設(shè)置于卡塞格林光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和單光子探測(cè)器之間的空間濾光 片、窄帶濾光片、可變哀減片；
[0018] 所述空間濾光片，用于過(guò)濾空間中的非近軸雜散光；
[0019] 所述窄帶濾光片，用于過(guò)濾非工作波長(zhǎng)的雜散光；
[0020] 所述可變衰減片，用于調(diào)整逆向散射激光的透過(guò)率系數(shù)。
[0021] 進(jìn)一步，還包括設(shè)置于激光器和工控機(jī)之間的光電二極管，所述光電二極管，用于 監(jiān)測(cè)激光脈沖輸出能量。
[0022] 進(jìn)一步，所述回波信號(hào)包括目標(biāo)煙霧的濃度信息、位置信息、方位信息。
[0023] 進(jìn)一步，還包括用于承載森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的自動(dòng)控制云臺(tái)。
[0024] 采用上述結(jié)構(gòu)后，本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的優(yōu)點(diǎn)是：
[0025] 1、選擇特定的激光波長(zhǎng)，利用激光逆向散射及反射的原理，精確測(cè)量大氣中痕量 及檢測(cè)物質(zhì)的含量、位置、分布信息，避免原有檢測(cè)系統(tǒng)中覆蓋率不佳的弊端。
[0026] 2、采用高精度云臺(tái)，實(shí)現(xiàn)24小時(shí)不間斷檢測(cè)，同時(shí)可以結(jié)合GIS系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)及后 臺(tái)處理軟件，可展現(xiàn)整個(gè)激光檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)對(duì)接，檢測(cè)火災(zāi)最早期的煙氣，提高系統(tǒng)及 時(shí)性。
[0027] 3、360度無(wú)死角覆蓋檢測(cè)區(qū)域，全方位監(jiān)控，可準(zhǔn)確獲得火災(zāi)的規(guī)模和位置。
[0028] 4、采用后期數(shù)據(jù)庫(kù)處理，不受風(fēng)霜雨霧和冰凍影響。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0029] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明：
[0030] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的早期火災(zāi)報(bào)警用激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0031] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的早期火災(zāi)報(bào)警用激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)云臺(tái)結(jié)構(gòu)圖；
[0032] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的早期火災(zāi)報(bào)警用激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)方法流程圖。
[0033] 圖中：光電二極管1 ;激光器2 ;門控觸發(fā)3 ;激光擴(kuò)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(cè)器8 ;單光子計(jì)數(shù)器9 ;工控機(jī)10 ;卡塞格林光學(xué)望遠(yuǎn)鏡 11 ;分束鏡12 ;發(fā)射激光13 ;監(jiān)測(cè)激光14 ;逆向散射激光15 ;云臺(tái)16。

【具體實(shí)施方式】
[0034] 以下所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不因此而限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0035] 實(shí)施例，見(jiàn)圖1至圖3所示：
[0036] 本發(fā)明的早期火災(zāi)報(bào)警用激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括激光器2、分束鏡12、激光擴(kuò)束 鏡4、卡塞格林光學(xué)望遠(yuǎn)鏡11、單光子探測(cè)器8、單光子計(jì)數(shù)器9、工控機(jī)10 ;
[0037] 所述激光器2,用于向探測(cè)目標(biāo)發(fā)出探測(cè)激光；
[0038] 所述分束鏡12,用于將探測(cè)激光分成監(jiān)測(cè)激光14和發(fā)射激光13 ;
[0039] 所述激光擴(kuò)束鏡4,用于對(duì)發(fā)射激光進(jìn)行擴(kuò)束后發(fā)射到大氣中；
[0040] 所述卡塞格林光學(xué)望遠(yuǎn)鏡11，用于接收被探測(cè)目標(biāo)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(cè)器的焦平面上；
[0041] 所述單光子探測(cè)器8,用于探測(cè)逆向散射激光15中單光子電信號(hào)；
[0042] 所述單光子計(jì)數(shù)器9,用于采集單光子電信號(hào)并對(duì)單光子電信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)形成回 波信號(hào)；
[0043] 所述工控機(jī)10,用于接收監(jiān)測(cè)激光和回波信號(hào)進(jìn)行比較識(shí)別，識(shí)別出被探測(cè)目標(biāo) 處的空氣的煙霧濃度信息；
[0044] 所述激光器2、單光子探測(cè)器8和單光子計(jì)數(shù)器9分別與工控機(jī)10連接。
[0045] 還包括用于實(shí)現(xiàn)激光器2、單光子探測(cè)器8和單光子計(jì)數(shù)器9的同步工作的門控觸 發(fā)3,所述門控觸發(fā)3 -端與工控機(jī)10連接，另一端分別與激光器2、單光子探測(cè)器8和單 光子計(jì)數(shù)器9連接。
[0046] 還包括依次設(shè)置于卡塞格林光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和單光子探測(cè)器之間的空間濾光片5、窄 帶濾光片6、可變衰減片7 ;
[0047] 所述空間濾光片5,用于過(guò)濾空間中的非近軸雜散光；
[0048] 所述窄帶濾光片6,用于過(guò)濾非工作波長(zhǎng)的雜散光；
[0049] 所述可變衰減片7,用于調(diào)整逆向散射激光的透過(guò)率系數(shù)。
[0050] 還包括設(shè)置于激光器和工控機(jī)之間的光電二極管1，所述光電二極管1，用于監(jiān)測(cè) 激光脈沖輸出能量。
[0051] 所述回波信號(hào)包括目標(biāo)煙霧的濃度信息、位置信息、方位信息。
[0052] 還包括用于承載森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的自動(dòng)控制云臺(tái)16。
[0053] 本實(shí)施例還提供了一種早期火災(zāi)報(bào)警用激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)方法，包括以下步驟：
[0054] S1 :初始化系統(tǒng)參數(shù)；
[0055] S2 :啟動(dòng)激光器向探測(cè)目標(biāo)發(fā)出探測(cè)激光；
[0056] S3 :通過(guò)分束鏡將探測(cè)激光分成監(jiān)測(cè)激光和發(fā)射激光；
[0057] S4 :通過(guò)激光擴(kuò)束鏡對(duì)發(fā)射激光進(jìn)行擴(kuò)束后發(fā)射到大氣中；
[0058] S5 :通過(guò)卡塞格林光學(xué)望遠(yuǎn)鏡接收被探測(cè)目標(biāo)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(cè)器的焦平面上；
[0059] S6 :通過(guò)單光子探測(cè)器探測(cè)逆向散射激光中單光子電信號(hào)；
[0060] S7 :通過(guò)單光子計(jì)數(shù)器采集單光子電信號(hào)并對(duì)單光子電信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)形成回波信 號(hào)；
[0061] S8:通過(guò)工控機(jī)接收監(jiān)測(cè)激光和單光子數(shù)信號(hào)進(jìn)行比較識(shí)別，識(shí)別出被探測(cè)目標(biāo) 處的空氣的痕量氣體信號(hào)；
[0062] S9 :判斷是否有待測(cè)特征信號(hào)，如果無(wú)，則返回步驟S2 ;
[0063] S10 :如果有，則發(fā)出預(yù)警信號(hào)。
[0064] 所述步驟S8中痕量氣體信號(hào)包括目標(biāo)煙霧的濃度信息、位置信息、方位信息；所 述痕量氣體信號(hào)是通過(guò)以下步驟來(lái)進(jìn)行的：
[0065] S81 :所述目標(biāo)煙霧的濃度信息通過(guò)以下激光雷達(dá)方程公式來(lái)計(jì)算： j· A / \ | - -
[0066] ρ{ζ) = -2^a{z)dz
[0067] 其中，Ρ(Ζ)為接收到的功率，ζ是觀測(cè)點(diǎn)距離，Ρ0為激光發(fā)射功率，c是光速，τ是 激光器發(fā)射脈沖的脈寬，λ 〇是激光器的波長(zhǎng)，β (ζ)是后向散射系數(shù)，Α(Ζ)為望遠(yuǎn)鏡接受 散射光的有效面積，α (ζ)為消光系數(shù)；
[0068] S82 :所述位置信息通過(guò)以下公式來(lái)進(jìn)行：
[0069] S = c · Δ t,
[0070] 其中，S為待測(cè)目標(biāo)離測(cè)量?jī)x器的實(shí)際距離，c為光速，At為激光脈沖信號(hào)與發(fā)射 激光的時(shí)間差；
[0071] S83 :所述方位信息通過(guò)以下方式來(lái)進(jìn)行：
[0072] 獲取云臺(tái)設(shè)定的旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)速度，通過(guò)伺服電機(jī)角度反饋信號(hào)得到激光發(fā)射 的方位信息。
[0073] 所述激光器、單光子探測(cè)器和單光子計(jì)數(shù)器通過(guò)門控觸發(fā)來(lái)控制進(jìn)行同步工作。
[0074] 所述步驟S5中的穿過(guò)卡塞格林光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的逆向散射激光還要進(jìn)行以下步驟：
[0075] S51 :通過(guò)空間濾光片來(lái)過(guò)濾空間中的非近軸雜散光；
[0076] S52 :通過(guò)窄帶濾光片來(lái)過(guò)濾非工作波長(zhǎng)的雜散光；
[0077] S53 :通過(guò)可變衰減片來(lái)調(diào)整逆向散射激光的透過(guò)率系數(shù)。
[0078] 本實(shí)施例提供的激光雷達(dá)方程是激光雷達(dá)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的總描述。激光雷達(dá)方 程中的各參數(shù)都對(duì)應(yīng)激光雷達(dá)探測(cè)時(shí)激光在大氣傳輸過(guò)程中所受的影響。根據(jù)激光雷達(dá)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(huán)境條件-風(fēng)、霜、雨、 雪）對(duì)激光回波信號(hào)的影響，各項(xiàng)條件的影響體現(xiàn)在消光系數(shù)α (z)上，后續(xù)會(huì)根據(jù)實(shí)際探 測(cè)環(huán)境建立環(huán)境條件模型，對(duì)激光雷達(dá)方程進(jìn)行有效修正。
[0079] 森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法目前已廣泛使用，其它結(jié)構(gòu)和原理與現(xiàn)有技術(shù)相同，這 里不再贅述。
【權(quán)利要求】
1. 早期火災(zāi)報(bào)警用激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于：包括激光器、分束鏡、激光擴(kuò)束 鏡、卡塞格林光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、單光子探測(cè)器、單光子計(jì)數(shù)器和工控機(jī)； 所述激光器，用于向探測(cè)目標(biāo)發(fā)出探測(cè)激光； 所述分束鏡，用于將探測(cè)激光分成監(jiān)測(cè)激光和發(fā)射激光； 所述激光擴(kuò)束鏡，用于對(duì)發(fā)射激光進(jìn)行擴(kuò)束后發(fā)射到大氣中； 所述卡塞格林光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，用于接收被探測(cè)目標(biāo)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(cè)器的焦平面上； 所述單光子探測(cè)器，用于探測(cè)逆向散射激光中單光子信號(hào)； 所述單光子計(jì)數(shù)器，用于采集單光子信號(hào)并對(duì)單光子信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)形成回波信號(hào)； 所述工控機(jī)，用于接收監(jiān)測(cè)激光和回波信號(hào)進(jìn)行比較識(shí)別，識(shí)別出被探測(cè)目標(biāo)處的煙 霧濃度信息； 所述激光器、單光子探測(cè)器和單光子計(jì)數(shù)器分別與工控機(jī)連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的早期火災(zāi)報(bào)警用激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于：還包括用 于實(shí)現(xiàn)激光器、單光子探測(cè)器和單光子計(jì)數(shù)器的同步工作的門控觸發(fā)，所述門控觸發(fā)一端 與工控機(jī)連接，另一端分別與激光器、單光子探測(cè)器和單光子計(jì)數(shù)器連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的早期火災(zāi)報(bào)警用激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于：還包括依 次設(shè)置于卡塞格林光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和單光子探測(cè)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(guò)濾空間中的非近軸雜散光； 所述窄帶濾光片，用于過(guò)濾非工作波長(zhǎng)的雜散光； 所述可變衰減片，用于調(diào)整逆向散射激光的透過(guò)率系數(shù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的早期火災(zāi)報(bào)警用激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于：還包括設(shè) 置于激光器和工控機(jī)之間的光電二極管，所述光電二極管，用于監(jiān)測(cè)激光脈沖輸出能量。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的早期火災(zāi)報(bào)警用激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于：所述回波 信號(hào)包括目標(biāo)煙霧的濃度信息、位置信息和方位信息。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的早期火災(zāi)報(bào)警用激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于：還包括用 于承載森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的自動(dòng)控制云臺(tái)。
【文檔編號(hào)】G01S7/481GK203870253SQ201420193126
【公開(kāi)日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年4月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月18日
【發(fā)明者】陳春榮, 錢黎明, 陽(yáng)明仰 申請(qǐng)人:寧波鐳基光電技術(shù)有限公司