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高速机车轨道障碍物激光扫描探测系统技术研究

作　者: 庞博
导　师: 王向军
学　校: 天津大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 激光扫描障碍物探测高速铁路激光作用距离
分类号: U269.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 62次
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内容摘要

针对机车高速行进中,实时轨道障碍物预警的应用背景和使用要求,本课题设计了一种基于主动式扫描激光的轨道障碍物探测预警系统。当机车沿铁轨方向行进时,位于机头前端的探测系统通过发出平扫激光,实现对目标区域内铁轨沿线范围的随动扫描搜索。同时,通过探测接收目标区域内障碍物的表面反射回光,即构成障碍物存在性判断和预警。系统主要包括:高速机电扫描机构、高能脉冲激光发射系统、高响应度光电探测模块以及信息处理系统几个部分。本论文主要进行了以下几个方面的研究和设计工作:1.针对课题应用背景和使用要求,分析研究了高速机车平台实时前向目标探测需要满足的技术参数条件。提出了基于高速扫描激光探测的系统设计方案,并在此基础上进行了系统整体设计。2.设计了高速机电扫描系统,并给出了系统设计参数。分析了系统扫描光路,对入射光线在转镜镜面反射点漂移量进行了理论研究。提出了反射点漂移量同转镜尺寸、转镜面数及光线转镜位置距离的相互关系式。同时,设计加工了多面体扫描转镜,评价了加工精度。给出了高速电机各参数指标、选型参考及高速扫描控制电路设计。3.对系统有效工作距离进行了理论分析。即,针对不同的目标反射类型,分析了系统参数、环境变量、能量响应等因素对于系统有效作用距离的影响程度。推导了各目标条件下系统能量响应方程,给出了各参数取值参考范围。4.给出了激光光源、光电探测器各项参数指标及选型参考。构建了基于雪崩光电二极管的目标信息采集及处理系统。同时,设计了系统发射、接收光学部分。5.搭建了系统模拟实验平台,通过系统样机的实验,对作用原理及工作效果进行了分析。通过实验数据分析,在一定程度上表明了系统设计的可行性。

全文目录

中文摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-15
  1.1 研究背景及发展现状  9-10
  1.2 课题要求及技术方案  10-11
    1.2.1 课题技术指标  10
    1.2.2 技术方案  10-11
  1.3 激光探测系统整体设计  11-14
    1.3.1 激光探测技术及应用  11
    1.3.2 激光探测系统作用机理  11-12
    1.3.3 系统参数分析  12-14
  1.4 本论文主要研究任务  14-15
第二章转镜扫描技术研究  15-27
  2.1 激光扫描技术  15-16
  2.2 扫描转镜  16-24
    2.2.1 转镜参数分析设计  16-19
    2.2.2 转镜高速扫描设计要点  19-20
    2.2.3 转镜扫描光路研究  20-23
    2.2.4 转镜加工及精度分析  23-24
  2.3 转镜驱动装置  24-27
第三章激光探测能效机理分析  27-43
  3.1 激光探测能量-距离关系  27-36
    3.1.1 相对小目标能量-距离方程  27-30
    3.1.2 相对大目标能量-距离方程  30-32
    3.1.3 方程影响因素分析  32-36
  3.2 光源参数选择  36-40
  3.3 发射光学系统  40-43
第四章探测信息接收及处理系统  43-61
  4.1 接收光学系统  43-46
  4.2 光电探测器及参数  46-51
  4.3 系统电路设计  51-61
    4.3.1 APD 高压偏置电路  51-53
    4.3.2 前置放大电路  53-58
    4.3.3 滤波与放大电路  58-61
第五章仿真实验及数据分析  61-70
  5.1 仿真系统实验平台  61-64
  5.2 实验数据总结分析  64-70
第六章全文总结与展望  70-72
  6.1 全文总结  70-71
  6.2 研究展望  71-72
参考文献  72-76
发表论文和科研情况说明  76-77
致谢  77

高速机车轨道障碍物激光扫描探测系统技术研究

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