專利名稱：路面激光掃描探測成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種路面安全探測系統(tǒng)，尤其涉及一種激光掃描探測成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
國際機(jī)場理事會(huì)的報(bào)告顯示2008年全年，世界范圍內(nèi)民用航空領(lǐng)域的乘客超過 48億人次，航班起降達(dá)到7700萬次，報(bào)告還預(yù)測在未來10年內(nèi)，全球客運(yùn)量將以每年超 過4%的速度增長，同期的貨運(yùn)量將以每年5%的速度增長。巨大的運(yùn)輸壓力和日益增長的 客貨流量對機(jī)場運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性提出了極高的要求。而各級政府，行業(yè)主管部門與 包括機(jī)場本身在內(nèi)的相關(guān)部門及社會(huì)各界也都對機(jī)場運(yùn)營的安全性和穩(wěn)定性給予了密切 的關(guān)注。而因FOD (外來物殘骸)的原因，導(dǎo)致機(jī)場跑道關(guān)閉的一類運(yùn)營事故不僅會(huì)給機(jī)場 帶來經(jīng)濟(jì)損失，對機(jī)場的聲譽(yù)也會(huì)帶來巨大的負(fù)面影響。解決此類問題的關(guān)鍵在于采用全新的系統(tǒng)和解決方案。目前的情況是采用傳 統(tǒng)的手段和方案，即便機(jī)場方面做了最大的努力，跑道上仍然會(huì)出現(xiàn)F0D。這使得引擎和機(jī) 身受損的風(fēng)險(xiǎn)大大增加，也給整個(gè)機(jī)場的安全運(yùn)營帶來了巨大的威脅。目前，世界范圍內(nèi)，全新的監(jiān)測系統(tǒng)有Tarsier外來物探測系統(tǒng)(英國)、F0Detect 系統(tǒng)(以色列)、F0DFinder系統(tǒng)(美國)和iFerret系統(tǒng)(新加坡)，這些采用不同技術(shù)手 段的FOD監(jiān)測系統(tǒng)在它們各自的國家都有其不同的優(yōu)勢，并且都實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)監(jiān)測的目的。但是對于中國來說，還沒有一個(gè)機(jī)場在使用FOD監(jiān)測系統(tǒng)。并且上屬探測系統(tǒng)由 于采用軍事技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)，而導(dǎo)致并不對華出售。據(jù)此中國機(jī)場FOD監(jiān)測成為機(jī)場安全 穩(wěn)定運(yùn)營嗜待解決的問題。
發(fā)明內(nèi)容為了解決以上問題，本實(shí)用新型的目的在于提供一種路面激光掃描探測成像系 統(tǒng)，用于機(jī)場跑道或路面的FOD的檢測，解決因FOD帶來的安全問題，實(shí)現(xiàn)機(jī)場的安全穩(wěn)定運(yùn)營。本實(shí)用新型通過下述的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)路面激光掃描探測成像系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)、光源系統(tǒng)、光路調(diào)制、信號接收模塊、 信號處理模塊和實(shí)時(shí)監(jiān)測端?？刂葡到y(tǒng)連接光源系統(tǒng)和光路調(diào)制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對光源系統(tǒng)和 光路調(diào)制系統(tǒng)的控制，光線經(jīng)過光路調(diào)制后，經(jīng)過路面反射后到達(dá)信號接收模塊，信號處理 模塊連接信號接收模塊，信號接收模塊與實(shí)時(shí)監(jiān)測端通信。進(jìn)一步地，控制系統(tǒng)包括發(fā)射機(jī)和驅(qū)動(dòng)電源，控制系統(tǒng)包括發(fā)射機(jī)系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)電 源，驅(qū)動(dòng)電源連接發(fā)射機(jī)系統(tǒng)，所述發(fā)射機(jī)系統(tǒng)包括半導(dǎo)體激光器，其主要作用是在處理機(jī) 的控制下發(fā)射準(zhǔn)直的激光光束。進(jìn)一步地，光源系統(tǒng)包括分光片、調(diào)制器、掃描鏡頭、探測器組、APD201模塊(光電 二極管201模塊)、數(shù)據(jù)采集卡和同步機(jī)，電源連接激光發(fā)生器，光線經(jīng)過分光片后，一部分 光線經(jīng)過APD201模塊后傳給數(shù)據(jù)采集卡記錄輸入數(shù)據(jù)開始信號；另一部分光線到達(dá)調(diào)制器進(jìn)行光路放大后，經(jīng)過掃描鏡頭對路面進(jìn)行掃描，經(jīng)路面反射后的光線傳給探測器組后， 探測器組將信息送入數(shù)據(jù)采集卡記錄輸入計(jì)時(shí)結(jié)束信號，同步機(jī)連接數(shù)據(jù)采集卡，算出分 光片分出兩路到達(dá)數(shù)據(jù)采集卡的時(shí)間差，并根據(jù)s = vt的原理，計(jì)算出路面有無F0D。進(jìn)一步地，光路調(diào)制為光源系統(tǒng)中的調(diào)制器，對分光片分離過來的光線進(jìn)行光路 放大。進(jìn)一步地，信號接收模塊包括APD模塊、時(shí)刻鑒別模塊、測時(shí)模塊和接收機(jī)，外部 激光信號進(jìn)入APD模塊后經(jīng)時(shí)刻鑒別模塊和測時(shí)模塊，進(jìn)入接收機(jī)。其中，APD模塊主要是接收空間中的激光信號，把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，同時(shí)放大 電信號。該模塊輸出信號為峰值為IV左右的模擬電壓信號。其中，時(shí)刻鑒別模塊主要是鑒別有用的脈沖信號，作為測時(shí)模塊的外部觸發(fā)信號。 輸出信號為后面的測時(shí)模塊提供起始和停止信息。提高信噪比，降低噪聲信號的干擾是該 模塊的主要功能。其中，測時(shí)模塊主要是測量起始信號和結(jié)束信號的時(shí)間間隔，該模塊的測時(shí)精度 達(dá)到了 50ps，測距精度達(dá)到了毫米量級，實(shí)現(xiàn)了高精度測距。另外，該模塊的輸出端口為 USB2. 0端口，可以實(shí)現(xiàn)把時(shí)間信息高速傳給上位機(jī)(接收機(jī))。進(jìn)一步地，信號處理模塊包括TDC(測時(shí)芯片)，控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸電路和信息處 理計(jì)算機(jī)。其中，信號進(jìn)入TDC后經(jīng)控制系統(tǒng)后，經(jīng)過數(shù)據(jù)傳輸電路，進(jìn)入信息處理計(jì)算機(jī)， 處理機(jī)的主要作用是控制發(fā)射機(jī)發(fā)射激光，測量激光發(fā)射時(shí)刻開始時(shí)刻與激光返回時(shí)刻停 止時(shí)刻之間的時(shí)間差，根據(jù)該時(shí)間差處理得到距離圖像。激光掃描器的主要作用是對發(fā)射 機(jī)的發(fā)射光束和接收機(jī)的瞬時(shí)接收視場方向進(jìn)行同步掃描。進(jìn)一步地，實(shí)時(shí)監(jiān)測端既信號處理模塊中的信息處理計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)FOD監(jiān)測目的。本實(shí)用新型在機(jī)場跑道或道路上均勻間距放置探測器，實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測目標(biāo)的持續(xù)掃 描，掃描過程不影響飛機(jī)的起飛和移動(dòng)，自動(dòng)探測FOD障礙物，簡易、簡便、完整的實(shí)現(xiàn)機(jī)場 跑道和道路的實(shí)時(shí)監(jiān)測工作。

圖1為本實(shí)用新型所述路面激光掃描探測成像系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型所述路面激光掃描探測成像系統(tǒng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本實(shí)用新型所述路面激光掃描探測成像系統(tǒng)的光源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本實(shí)用新型所述路面激光掃描探測成像系統(tǒng)的信號接收模塊示意框圖；圖5為本實(shí)用新型所述路面激光掃描探測成像系統(tǒng)的APD和時(shí)刻鑒別模塊示意框 圖；圖6為本實(shí)用新型所述路面激光掃描探測成像系統(tǒng)的測時(shí)模塊結(jié)構(gòu)示意框圖；圖7為本實(shí)用新型所述路面激光掃描探測成像系統(tǒng)的信號處理模塊結(jié)構(gòu)示意框 圖；圖中，1-控制系統(tǒng)、2-光源系統(tǒng)、3-光路調(diào)制、4-信號接收模塊、5-信號處理模 塊、6-實(shí)時(shí)監(jiān)測端、10-驅(qū)動(dòng)電源、11-發(fā)射機(jī)系統(tǒng)、110-半導(dǎo)體激光器、111-發(fā)射光線系 統(tǒng)、21-同步機(jī)、22-數(shù)據(jù)采集卡、23-APD210、24-激光發(fā)生器、25-掃描鏡頭、26-探測器組、 27-調(diào)制器、28-電源、29-分光片、41-測時(shí)模塊、42-時(shí)刻鑒別模塊、43-APD模塊、44-上位機(jī)、430-電平轉(zhuǎn)換電路、440-時(shí)刻鑒別電路、450-壓控放大電路、460-跨阻放大電路、 470-APD探測器、480-接收光學(xué)系統(tǒng)、490-自動(dòng)增益電路、410-TDC測時(shí)芯片、411-MCU控制 電路、412-USB接口電路、413-100MHZ晶振、51-數(shù)據(jù)傳輸電路、52-微控制器、53-TDC、54-信 息處理計(jì)算機(jī)。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述，但不作為對本實(shí)用 新型的限定。如圖1所示，一種路面激光掃描探測成像系統(tǒng)，包括控制系統(tǒng)1、光源系統(tǒng)2、光路 調(diào)制3、信號接收模塊4、信號處理模塊5和實(shí)時(shí)監(jiān)測端6?？刂葡到y(tǒng)1連接光源系統(tǒng)2和光 路調(diào)制系統(tǒng)3，實(shí)現(xiàn)對光源系統(tǒng)2和光路調(diào)制系統(tǒng)3的控制，光線經(jīng)過光路調(diào)制3后對路面 進(jìn)行掃描，光經(jīng)過路面反射后到達(dá)信號接收模塊4，信號處理模塊5連接信號接收模塊4，對 接收到的信息進(jìn)行處理后傳給實(shí)時(shí)監(jiān)測端6。參見圖2，其中，控制系統(tǒng)1包括發(fā)射機(jī)和驅(qū)動(dòng)電源，發(fā)射機(jī)包括激光發(fā)生器，其主 要作用是在處理器的控制下發(fā)射準(zhǔn)直的激光光束。參見圖3，光源系統(tǒng)2包括電源28、分光片29、調(diào)制器27、激光發(fā)生器24、掃描鏡頭 25、探測器組26、APD201模塊23、數(shù)據(jù)采集卡22和同步機(jī)21，其中，電源28連接激光發(fā)生 器24，發(fā)生器24后設(shè)置分光片29，一部分光線經(jīng)過APD201模塊23后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡22 ； 另一部分光線到達(dá)調(diào)制器27后，經(jīng)過掃描鏡頭25，經(jīng)路面反射后的光線傳給探測器26組， 探測器組26將信息送入數(shù)據(jù)采集卡22，同步機(jī)21連接數(shù)據(jù)采集卡22，算出分光片29分出 兩路到達(dá)數(shù)據(jù)采集卡22的時(shí)間差，并根據(jù)s = vt的原理，計(jì)算出路面有無F0D。其中，光路調(diào)制3包含光源系統(tǒng)2中的調(diào)制器27，對分光片29分離過來的光線進(jìn) 行光路放大。參見圖4，信號接收模塊4為包括APD模塊43、時(shí)刻鑒別模塊42、測時(shí)模塊41和 上位機(jī)44，外部激光信號進(jìn)入APD模塊4后經(jīng)時(shí)刻鑒別模塊42和測時(shí)模塊41，進(jìn)入上位機(jī) 44。參見圖5，APD模塊43和時(shí)刻鑒別模塊42集成在一起，包括電平轉(zhuǎn)換電路430、時(shí) 刻鑒別電路440、壓控放大電路450、跨阻放大電路460、APD探測器470、接收光學(xué)系統(tǒng)480 和自動(dòng)增益電路490，其中，電平轉(zhuǎn)換電路430、時(shí)刻鑒別電路440、壓控放大電路450、跨阻 放大電路460、APD探測器470和接收光學(xué)系統(tǒng)480依次相連，自動(dòng)增益電路490連接壓控 放大電路450。其中，APD模塊采用的是Laser Components公司的APD接收模塊。APD模塊的核 心是集成了低噪聲的Si雪崩光電二極管、預(yù)放電路和高壓電源。內(nèi)置的溫度補(bǔ)償可以保 證APD模組在較寬的溫度范圍內(nèi)保持增益不變，確保測量的可靠性。APD接收器模塊集成 500 μ m、l. 5mm的Si-APD探測器(400 IlOOnm響應(yīng)波長范圍)，提供DC到IOMHz的帶寬。 另外，該模塊采用金屬外殼封裝，同時(shí)只需要標(biāo)準(zhǔn)的12VDC供電即可工作。由于前端接收到 的光信號是微弱信號，該APD接收器模塊可以快速探測，可靠性高。其中，時(shí)刻鑒別模塊主要是鑒別正確的脈沖信號，提高信噪比，降低噪聲信號的干 擾。該模塊主要是靠高速比較器MAX9601中設(shè)置的閾值電壓來降低噪聲的干擾。該模塊對噪聲的抑制力高，可以對后續(xù)測時(shí)電路提供啟動(dòng)或者停止信號。參見圖6，測時(shí)模塊41包括TDC測時(shí)芯片410、MCU控制電路411、USB接口電路 412和100MHZ晶振413，其中，TDC測時(shí)芯片410、MCU控制電路411和USB接口電路412依 次相連，100MHZ晶振413連接TDC測時(shí)芯片410。其中，TDC測時(shí)芯片410采用的是TDC-GP2時(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，該芯片內(nèi)部集成有2個(gè) 算術(shù)邏輯單元ALUl、ALU2。單次測量分辨率為典型65ps，功耗超低、集成度高、測量靈活，是 脈沖式激光測距儀高精度時(shí)差測量的最佳選擇。該模塊的測時(shí)精度達(dá)到了 50ps，測距精度 已經(jīng)達(dá)到了一厘米以下，同時(shí)每秒可以處理大于400K點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息。該模塊的輸出端口為 USB2. 0端口，數(shù)據(jù)傳輸速度到達(dá)了 lOMB/s，實(shí)現(xiàn)了高精度高速測距。參見圖7，信號處理模塊5包括數(shù)據(jù)傳輸電路51、微控制器52、TDC53、和信息處理 計(jì)算機(jī)54，其中，信息處理計(jì)算機(jī)54和數(shù)據(jù)傳輸電路51、微控制器52、TDC53依次相連，實(shí) 現(xiàn)對信息的處理。進(jìn)一步地，實(shí)時(shí)監(jiān)測端6即為信號處理模塊5中的信息處理計(jì)算機(jī)54，實(shí)現(xiàn)對路面 及機(jī)場路面的監(jiān)控。本實(shí)用新型不限于上述實(shí)施例，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，對本實(shí)用新型的上述 實(shí)施例所做出的任何顯而易見的改進(jìn)或變更都不會(huì)超出僅以舉例的方式示出的本實(shí)用新 型的實(shí)施例和所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。 權(quán)利要求一種路面激光掃描探測成像系統(tǒng)，包括控制系統(tǒng)(1)、光源系統(tǒng)(2)、光路調(diào)制(3)、信號接收模塊(4)、信號處理模塊(5)和實(shí)時(shí)監(jiān)測端(6)，其特征在于控制系統(tǒng)(1)連接光源系統(tǒng)(2)和光路調(diào)制系統(tǒng)(3)，光線經(jīng)過光路調(diào)制(3)后，經(jīng)過路面反射后到達(dá)信號接收模塊(4)，信號處理模塊(5)連接信號接收模塊(4)，信號接收模塊(4)與實(shí)時(shí)監(jiān)測端(6)通信。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種路面激光掃描探測成像系統(tǒng)，其特征在于控制系統(tǒng)(1) 包括發(fā)射機(jī)系統(tǒng)(11)和驅(qū)動(dòng)電源(10)，驅(qū)動(dòng)電源(10)連接發(fā)射機(jī)系統(tǒng)(11)，其中發(fā)射機(jī) 系統(tǒng)(11)包括半導(dǎo)體激光器(110)和光線發(fā)射系統(tǒng)(111)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種路面激光掃描探測成像系統(tǒng)，其特征在于光源系統(tǒng) (2)包括電源(28)、分光片(29)、調(diào)制器(27)、激光發(fā)生器(24)、掃描鏡頭(25)、探測器組 (26)、APD201模塊(23)、數(shù)據(jù)采集卡(22)和同步機(jī)(21)，其中，電源(28)連接激光發(fā)生器 (24)，發(fā)生器(24)后設(shè)置分光片(29)，一部分光線經(jīng)過APD201模塊(23)后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集 卡(22)；另一部分光線到達(dá)調(diào)制器(27)后，經(jīng)過掃描鏡頭(25)，經(jīng)路面反射后的光線傳給 探測器(26)組，探測器組(26)將信息送入數(shù)據(jù)采集卡(22)，同步機(jī)(21)連接數(shù)據(jù)采集卡 (22)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種路面激光掃描探測成像系統(tǒng)，其特征在于信號接收模 塊(4)包括APD模塊(43)、時(shí)刻鑒別模塊(42)、測時(shí)模塊(41)和上位機(jī)(44)，外部激光信 號進(jìn)入APD模塊(4)后經(jīng)時(shí)刻鑒別模塊(42)和測時(shí)模塊(41)，進(jìn)入上位機(jī)(44)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種路面激光掃描探測成像系統(tǒng)，其特征在于APD模塊 (43)和時(shí)刻鑒別模塊(42)集成在一起，包括電平轉(zhuǎn)換電路(430)、時(shí)刻鑒別電路(440)、壓 控放大電路(450)、跨阻放大電路(460)、APD探測器(470)、接收光學(xué)系統(tǒng)(480)和自動(dòng)增 益電路(490)，其中，電平轉(zhuǎn)換電路(430)、時(shí)刻鑒別電路(440)、壓控放大電路(450)、跨阻 放大電路(460)、APD探測器(470)和接收光學(xué)系統(tǒng)(480)依次相連，自動(dòng)增益電路(490) 連接壓控放大電路450。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種路面激光掃描探測成像系統(tǒng)，其特征在于測時(shí)模塊 (41)包括TDC測時(shí)芯片(410)、MCU控制電路(411)、USB接口電路(412)和100MHZ晶振 (413)，其中，TDC測時(shí)芯片(410)、MCU控制電路(411)和USB接口電路(412)依次相連， 100MHZ晶振(413)連接TDC測時(shí)芯片(410)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種路面激光掃描探測成像系統(tǒng)，其特征在于信號處理模 塊(5)包括數(shù)據(jù)傳輸電路(51)、微控制器(52)、TDC(53)、和信息處理計(jì)算機(jī)(54)，其中，信 息處理計(jì)算機(jī)(54)和數(shù)據(jù)傳輸電路(51)、微控制器(52)、TDC(53)依次相連。
專利摘要本實(shí)用新型公開一種路面激光掃描探測成像系統(tǒng)，包括控制系統(tǒng)、光源系統(tǒng)、光路調(diào)制、信號接收模塊、信號處理模塊和實(shí)時(shí)監(jiān)測端，其中控制系統(tǒng)連接光源系統(tǒng)和光路調(diào)制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對光源系統(tǒng)和光路調(diào)制系統(tǒng)的控制，光線經(jīng)過光路調(diào)制后對路面進(jìn)行掃描，光經(jīng)過路面反射后到達(dá)信號接收模塊，信號處理模塊連接信號接收模塊，對接收到的信息進(jìn)行處理后傳給實(shí)時(shí)監(jiān)測端，根據(jù)所得信息對路面情況進(jìn)行監(jiān)測用于機(jī)場跑道或路面的FOD的檢測，實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測目標(biāo)的持續(xù)掃描，掃描過程不影響飛機(jī)的起飛和移動(dòng)，自動(dòng)探測FOD障礙物，簡易、簡便、完整的實(shí)現(xiàn)機(jī)場跑道和道路的實(shí)時(shí)監(jiān)測工作。
文檔編號G01V8/10GK201754190SQ20102012636
公開日2011年3月2日 申請日期2010年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月9日
發(fā)明者楊治國, 王光發(fā), 高國華 申請人:高國華;楊治國