船舶防撞系统中激光测距技术的应用
船舶防撞系统中激光测距技术的应用
作者:王侠;王海华;
现代航运业不断发展,船舶种类和数量较早期有了明显的增加,海上航线的交通密集程度也不断增加,非常容易发生船舶碰撞、搁浅等事故,造成人员伤亡。此外,油船、化工用品船舶的碰撞还可能造成燃料、化学药品泄漏,威胁水下生物的生存,造成严重的环境灾难。因此,研究船舶的防撞技术有重要的实际意义。距离测量可以有效的采集船舶会遇时的数据信息,并对碰撞危险程度进行合理的分析。因此,船舶上有必要装载精准的距离测量装置。相对于其他距离测量技术,激光测距技术不仅具有测量精度高、效率高的特点,还具有良好的抗干扰能力,最大程度的排除海上干扰条件如水蒸气等的影响,获取准确的距离数据。因此,激光测距仪技术在船舶防撞系统中的应用日益广泛[1]。
本文主要介绍了激光测距技术的原理与结构组成,并将激光测距技术应用到船舶防撞系统中,使船舶防撞系统的距离监测水平得到了极大的提高。
1、激光测距技术的原理与研究现状
激光具有高方向性、高亮度和单色性等特点,基于激光的距离测量技术不仅测量精度和测量速度高,还不受光照等气象条件的限制,即便在黑夜里也可以获取准确的船舶距离数据。
激光测距器的主要组成模块包括LCD显示单元、数字控制部分、激光反射接收模块、激光发射模块和激光反馈接收模块等[2]。工作过程如下:
1)激光测距器的光学系统瞄准目标,通过复位电路产生脉冲信号,同时激光测距器产生一个具有较高峰值功率的脉冲信号。
2)部分激光脉冲经过取样器进入激光接收器,作为发射信号照射被测目标。由于光具有漫反射作用,因此,照射到被测目标的光会有少量的分光反射回来,这部分激光就是回波信号。
3)激光反馈接收模块同时将发射信号和回波信号转变为电脉冲,在放大电路的放大作用下输入数字控制电路模块。数字控制电路对晶体振荡器发出的脉冲信号进行计数,并根据脉冲个数和脉冲频率确定激光往返的时间和距离。
2基于激光测距技术的船舶防撞系统设计
2.1防撞系统整体设计
本研究基于激光测距技术设计了一种船舶防撞系统。船舶激光测距防撞主要由光扫描系统、显示面板、数据分析与处理中心、声报警装置、激光测距雷达等部分组成,各部分实现的具体功能如下:
1)激光测距雷达:对船舶周围500m范围内的物体进行距离测量,并将距离数据发送至数据分析与处理中心。
2)数据分析与处理中心:对距离数据以及光扫描数据进行分析与处理,得到相遇船舶的航行速度、航行线路以及距离等重要信息。
3)显示面板:具有良好的人机交互性,将被测目标的信息直观的展示出来,使船舶驾驶人员及时调整航行状态,防止出现船舶碰撞事故。
4)报警装置:当防撞系统经过分析后认为船舶会发生碰撞事故时,就会触发报警装置,提醒船舶驾驶人员及时做出调整。
2.2激光测距传感器设计
在本研究设计的船舶激光测距防撞系统中,最关键的部件就是激光测距传感器。激光测距传感器有很多种类,其中,半导体激光测距传感器的测量精度与速度高,应用范围最为广泛。
激光测距传感器由控制器、半导体激光发射电路、激光信号处理电路和信号接收电路等组成,具体如下:
1)控制器是半导体激光测距传感器的关键部分,起到控制激光发射信号、信号分析与处理、数据同步等重要作用。
2)半导体激光发射电路
本文采用的半导体激光测距传感器是基于砷化锢半导体的一种激光器,输出的激光波长为1000nm,该类型激光器的激光发射功率高。
3)信号接收电路
信号接收电路可以实现信号的转换、整形等功能,将被测目标反射的部分激光信号转换为电信号[5],进而获取被测目标的距离数据。
4)信号处理电路
信号处理电路系统是半导体激光测距传感器的核心部分之一,通过分析激光发射信号和回波信号,信号处理电路可以得到被测目标的距离。防撞系统根据信号处理电路发出的距离信息,确定下一步操作。
2.3基于激光测距的船舶防撞流程
本文首先介绍了激光测距技术的工作原理,并将激光测距技术成功应用于船舶防撞系统中,开发了一种新型的船舶防撞系统,并对该系统的组成、各模块的功能、半导体激光测距传感器以及工作流程等进行了详细的介绍。试验表明,本文设计的船舶激光测距防撞系统具有良好的反应能力,显著降低了船舶发生碰撞的几率。
由于船舶在海上航行时,不仅会发生船舶之间的碰撞事故,还会发生船舶与岸、船舶与礁石的碰撞,因此,激光测距技术在船舶防撞系统中需要进一步的升级。
本研究根据船舶的实际工况,采用了多个激光测距仪组成测距网络,同时对多个激光测距传感器的信息进行采集与分析,确保船舶四周都不会发生碰撞事故。
3.结语
本文首先介绍了激光测距技术的工作原理,并将激光测距技术成功应用于船舶防撞系统中,开发了一种新型的船舶防撞系统,并对该系统的组成、各模块的功能、半导体激光测距传感器以及工作流程等进行了详细的介绍。试验表明,本文设计的船舶激光测距防撞系统具有良好的反应能力,显著降低了船舶发生碰撞的几率。
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