有效防止环境光干扰的来车触发系统

技术领域

本发明涉及光电技术领域，具体涉及一种有效防止环境光干扰的来车触发系统。

背景技术

随着技术的进步，高铁的速度也越来越快，若要对运行中的高铁进行实时监测，则被测目标可能只有几十微秒的测量时间。受电弓是列车上关键装备，其状态的好坏直接影响到列车的安全运行。在现有的受电弓检测需求中，有一种需求是在其全速运动状态下进行检测。在利用面阵相机拍摄受电弓判断其状态好坏的技术方案中，由于相机的帧率有限，若采用连续拍摄方式容易出现漏过被测目标的现象。特别是高分辨率的相机，其帧率更低。对于这种应用，需要一个触发系统让相机采用一次性拍摄，而不是连续拍摄的方式。现有触发系统有的采用激光测距方式，响应速度为毫秒级、成本较高；有的采用激光三角测距法，如CN102556116A采用一维感光阵列的方案，但该方案安装在车底，工作距离近，对抗环境干扰光的要求不高。若用于远距离触发，则需要很高光功率的激光器，使用过程不安全。

在受电弓检测的应用中，传感器一般安装在离受电弓高2m以上的龙门架上，车身顶部部分区域为白色，受电弓是黑色(激光的反射率低)，这意味着为避免误触发，则触发系统的抗环境光性能必须优异。CN102556116A公开的方案中抗环境光干扰性差，主要原因是：激光的功率密度虽高于环境光，但能进入到感光单元的环境光面积远大于激光(类似脸盘中1mm高的水，与杯子中20mm高水)，若和相机一样增加感光单元的个数(增加分辨率)，则处理速度会下降，从而不能满足高速响应的要求。

此外，现有光电探测器多应用在室内、测距1m以内的场景，其不适用于户外、2m及以上测距范围使用，因环境光特别是夏日阳光会对测试结果的准确性产生较大影响。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种有效防止环境光干扰的来车触发系统，其能够应用在2m及以上测距、户外的场景，防止各季节环境光的影响，响应速度达ns级，响应速度快，同时可使用小功率激光器，提高使用安全性。

技术方案如下：

一种有效防止环境光干扰的来车触发系统，包括：激光器和测试部件；

激光器，波长为800～1000nm的线性激光器，架设在列车经过位置的正上方，其投射的激光能照射在列车顶部的受电弓上；

测试部件，从前到后依次安装为一体的滤光片、镜头、光阑及光电探测器；所述滤光片为带通滤光片，其透射波长同所述激光器波长；所述镜头用于将进入的光聚焦在所述光阑上；所述光阑仅允许部分光进入光电探测器；所述光电探测器基于接收到的光产生电信号后向外接设备发送信号；

所述激光器发射激光打在受电弓上，经受电弓反射，依次进入滤光片、镜头、光阑及光电探测器；

投射在受电弓上激光条的长度为进入光阑光线长度的10～30倍。

进一步，所述光阑的长度利用以下公式计算：

镜头焦距×光电探测器的视场长度/镜头到B点的距离；

所述光阑的宽度利用以下公式计算：

镜头焦距×光电探测器的视场宽度/镜头到B点的距离；

式中，B点为激光器光轴、光电探测器光轴与受电弓的交点。

进一步，列车行车过程中，满足测试要求的前提下，受电弓位置上下浮动的范围＝l×cotθ；

其中，l为打在受电弓上激光条的长度；

θ为激光器光轴和光电探测器光轴之间的夹角。

进一步，还包括设置于所述测试部件的最前端的偏振片；

所述激光器的光轴和光电探测器的光轴共面，记为XOZ平面，记投射在受电弓上激光条的长度方向为X轴方向；垂直于XOZ平面的方向为Y轴方向；

调节进入所述测试部件的激光的偏振方向与XOZ平面平行，为P光；进入所述测试部件的太阳光反射光以S光为主；

所述偏振片仅允许P光进入。

进一步，所述镜头对所述激光器投射激光的波长范围内光的通过率为70～100％。

进一步，所述光电探测器为光电二极管(PD)、雪崩光电二极管(APD)或硅光电倍增管(SiPM，MPPC)。

进一步，所述光阑的尺寸为0.2×0.2mm。

本发明所采用技术方案能产生如下技术效果：

1)现有光电探测器多用于室内，工作距为50cm，最多为1m，其为了获取激光信号，往往感光面积远大于激光面积，且现有激光采用的也多为点光源投射。这种光电探测器应用于室内时，因为没有室外强光的影响，所以满足测试要求。但是对于轨交检测领域，检测设备均需设置在沿轨道架设的龙门架上，且室外阳光，特别是夏日正午阳光，会对现有光电探测器的检测结果产生极大的影响，甚至一直输出的都是错误结果。本申请采用的技术方案中，通过设置条形激光器在受电弓上投射激光条，再利用轨道和龙门架位置相对固定的特点，设置测试部件，考虑列车行进过程中，受电弓可能发生的上下浮动，最终保证少量激光进入光阑，再进入光电探测器，因为感光单元的面积远小于激光，有效减少环境光对检测结果的影响，提高信噪比。

2)本技术方案使用的激光器功率仅为70mW左右，现有技术需使用功率为700mW左右的激光器，可见本申请使用激光器的功率仅为现有技术的1/10，能大幅度提高使用过程中的安全性。

3)响应速度达μs级，响应速度快，可用于高速移动物体的即时触发，提高后续拍摄动作的实时性。

附图说明

图1为本发明提供的有效防止环境光干扰的来车触发系统的结构示意图；

图2为本发明提供的有效防止环境光干扰的来车触发系统另一种实施结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行详细描述。

一种有效防止环境光干扰的来车触发系统，包括：激光器1和测试部件；

激光器1，波长为800～1000nm的线性激光器，架设在列车经过位置的正上方，其投射的激光能照射在列车顶部的受电弓8上；

测试部件，从前到后依次安装为一体的滤光片5、镜头4、光阑3及光电探测器2；滤光片5为带通滤光片，其透射波长同激光器1波长；镜头4用于将进入的光聚焦在光阑3上；光阑3仅允许部分光进入光电探测器2；光电探测器2基于接收到的光产生电信号后向外接设备发送信号；

激光器1发射激光打在受电弓8上，经受电弓8反射，依次进入滤光片5、镜头4、光阑3及光电探测器2；具体来说，光电探测器2选型时需满足检测速度快，可从光电二极管(PD)、雪崩光电二极管(APD)或硅光电倍增管(SiPM，MPPC)中进行选择；

投射在受电弓8上激光条的长度为进入光阑3光线长度的10～30倍。

进一步，光阑3的长度利用以下公式计算：

镜头焦距×光电探测器的视场长度/镜头到B点的距离；

光阑3的宽度利用以下公式计算：

镜头焦距×光电探测器的视场宽度/镜头到B点的距离；

式中，B点为激光器1光轴、光电探测器2光轴与受电弓8的交点。具体使用时，可选用0.2mm×0.2mm的光阑，此处只是给出尺寸的数量级，并不限定具体尺寸。

进一步，列车行车过程中，满足测试要求的前提下，受电弓8位置上下浮动的范围＝l×cotθ；因受电弓位置的上下浮动，导到光电探测器的检测范围6从区域A变换为区域C；

其中，l为打在受电弓8上激光条的长度；

θ为激光器1光轴和光电探测器2光轴之间的夹角。

为了进一步不降低信号的底噪，提高信噪比，该来车触发系统还包括设置于测试部件的最前端的偏振片9；激光器1的光轴和光电探测器2的光轴共面，记为XOZ平面，记投射在受电弓8上激光条的长度方向为X轴方向；垂直于XOZ平面的方向为Y轴方向；调节进入测试部件的激光的偏振方向与XOZ平面平行，为P光；进入测试部件的太阳光反射光以S光为主；偏振片仅允许P光进入。镜头前端的偏振片可阻挡S光进入镜头，但不会阻挡P光进入，从而实现降低信号底噪、提高信噪比的目的。

为了保证激光顺利进入光电探测器，镜头对激光器投射激光的波长范围内光的通过率为70～100％。

当受电弓还未进入光电探测器的检测区域(区域A区域C之间)，由激光器产生的激光条将会照射到地面或其他位置，激光无法进入探测器。而车顶或者地面在探测器视场范围内的环境光仍能进入探测器形成底噪，但大部分波段的光已被滤光片挡住。当受电弓进入区域A区域C之间时，照射到受电弓上与探测器视场交集处的激光经过受电弓的反射，通过滤光片，经过镜头的成像到光阑的通孔区域，进入光电探测器。此时光电探测器产生一个强度明显高于底噪的信号，通过后续电路处理，控制系统中其他相关模块开始工作。

前面对本发明具体示例性实施方案所呈现的描述是出于说明和描述的目的。前面的描述并不想要成为毫无遗漏的，也不是想要把本发明限制为所公开的精确形式，显然，根据上述教导很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方案并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本发明的各种示例性实施方案及其不同选择形式和修改形式。本发明的范围旨在由所附权利要求书及其等价形式所限定。