本质安全型低照度视频采集激光辅助光源设计.pdf

第 4 5 卷 第 1 期 2019年 1 月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 45 No. 1 Jan. 2019 文章编号671-251X 201901-0013-05 DOI 10. 13272/j. issn. 1671-251x. 2018090058 本质安全型低照度视频采集激光辅助光源设计 李文峰， 蔡蓬勃 西安科技大学通信与信息工程学院，陝 西 西 安 10054 摘要 针对现有低照度视频采集辅助光源存在功耗高、 体积大、 照射距离近、 隐蔽性差等问题， 提出了一 种本质安全型低照度视频采集激光辅助光源设计方案。选用光源波长为940 nm 的半导体激光二极管， 利 用多模光纤、M光片和透镜使半导体激光二极管输出光束形状规则、 光照强度均M ;本质安全型驱动电路采 用恒流驱动方式， 具有过压、 防反接和防静电保护； 通过散热装置降低半导体激光二极管工作温度， 使激光辅 助光源能长时间稳定工作。测试结果表明， 该激光辅助光源照射距离可达20 m， 功耗小于3 W， 持续工作温 度 低 于 50 C 。 关键词 视频监控系统； 低照度视频采集（ 辅助光源（ 本质安全型（ 半导体激光二极管 中图分类号TD67 文献标志码A 网络出版地址 Http //kns. cnki. net/kcms/detail/32. 1627. TP. 20181227. 1732. 005. html Design of intrinsically safe laser auxiliary light source for low-illumination video acquisition LI Wenfeng, CAI Pengbo College of Communication and Ination Engineering, Xian University of Science and Technology, Xian 710054, China AbstractFor problems of high power consumption, large volume, close irradiation distance and poor concealment of existing auxiliary light source for low-illumination video acquisition, a design scheme of intrinsically safe laser auxiliary light source for low-illumination video acquisition was proposed. The semiconductor laser diode with 940 nm wavelength of light source is selected, and multi-mode fiber, smoothing glasses and lens are used to realize regular shape and uni illumination intensity of beam outputted by the semiconductor laser diode. The intrinsically safe driving circuit adopts constant current driving mode with overvoltage, anti-reverse connection and anti-static protection. Working temperature of semiconductor laser diode is reduced through heat dissipation device, so that the laser auxiliary light source can work stably for a long time. The test results show that the laser auxiliary light source with irradiation distance is 20 m, power consumption is less than 3 W and continuous working temperature below 50 C . Key words video monitoring system; low-illumination video acquisition; auxiliary light source; intrinsically safe; semiconductor laser diode n 井巷道深、 环境黑暗、 可燃气体多， 要求矿用视频监 0 引 0 引 控系统具有低照度视频采集功能和防爆特性[23]。 随着煤矿安全信息化建设的稳步推进， 视频监 低照度视频采集分为被动视频采集和主动视频采 控系统在煤矿安全领域应用越来越广泛[1]。由于矿 集[4]。被动视频采集是指目标物体自身热辐射发出 收 稿 日 期 2018-09-18;修 回 日 期 2018-12-14;责 任 编 辑 盛 男 。 基 金 项 目 国 家 重 点 研 发 计 划 资 助 项 目 （ 2017YFC0703204;西 安 市 碑 林 区 科 技 计 划 资 助 项 目 （GX1812。 作 者 筒 介 李 文 峰 （ 1969 ），男 ， 河 南 襄 城 人 ， 教 授 ， 博 士，主 要 研 究 方 向 为 矿 山 应 急 通 信，E-maiMiwenfengxuSt.edU.cn。通 信 作 者 蔡 篷 勃 1994 ， 男 ， 陕 西 西 安 人 ， 硕 士 研 究 生 ， 主 要 研 究 方 向 为 嵌 入 式 开 发 ，E-mail 1092447591 qq. com。 引 用 格 式 李 文 峰 ， 蔡 篷 勃 .本 质 安 全 型 低 照 度 视 频 采 集 激 光 辅 助 光 源 设 计 [J].工 矿 自 动 化 ， 2019， 4513-17. LI Wenfeng， CAI Pengbo. Design of intrinsically safe laser auxiliary light source for low-illumination video acquisition.[J]. Industry and Mine Automation,2019451 13-17. 14 工 矿 自 动 化2 0 1 9 年 第 4 5 卷 的红外线通过图像传感器成像， 易受环境影响、 成像 模糊选择光源波长较长的半导体激光二极管虽可 满足隐蔽性要求， 但视频采集质量差。大气中存在 的各种气体和微粒对激光产生吸收和散射作用， 使 得激光能量损失， CCD图像传感器接收到的信号减 弱 ， 因此选择的半导体激光二极管光源波长必须在 大气窗口（ 大气窗口是激光透过率较高的波段） 之 内。常 用 的 半 导 体 激 光 二 极 管 光 源 波 长 有 808, 830,850,940,980 nm[ 11]， 均 在 大 气 窗 口 之 内 ， 但 850 nm 以下波长的红外光线红暴现象严重、 隐蔽性 差 。综合考虑CCD图像传感器的光谱响应曲线、 大 气环境和隐蔽性等因素， 选 用 光 源 波 长 为 940 nm 体 光 管 。 图1 CCD图像传感器光谱响应曲线 Fig. 1 Spectral response curve of CCD image sensor 1 .1.2 光光 半导体激光二极管出射光束为椭圆形高斯光 束 ， 快轴发散角为30〜40， 慢轴发散角为5〜10， 且 光束呈不规则的长条状， 在目标物体表面形成明暗相 间的干涉条纹， 光束不均勻[12]。因此， 需要通过光学 器件对激光光束进行调整， 流程如图2 所示。 半导体 激光二极管 图2激光光束调整流程 Fig. 2 Laser beam adjustment process 首先， 采用多模光纤对半导体激光二极管发出 的红外光束进行耦合整圆， 同时进行部分勻化处理， 但仍存在明暗相间的干涉条纹， 导致图像明暗不均 然后， 通过全息曝光制作成的散射勻光片对光束再 次勻化， 使半导体激光二极管出射光束形状规则、 光 照强度均勻； 最后， 根据照射距离选择合适的透镜来 调整发散角， 使光束照射在指定范围。 1 . 2 本质安全型驱动电路设计 半导体激光二极管采用电流注入式激励， 具有 耐压低、 内阻小等特点， 容易受静电击穿， 突变电流 和过电流会使半导体激光二极管性能迅速下降， 因 此在半导体激光二极管驱动电路的基础上添加输 入 、 输 出 保 护 电 路 ， 构 成 本质安全型驱动电路， 如 图 3 所 。 图3本质安全型驱动电路 Fig. 3 Intrinsically safe driving circuit 2 0 1 9 年 第 1 期 李 文 峰 等 本 质 安 全 型 低 照 度 视 频 采 集 激 光 辅 助 光 源 设 计 15 1 . 2 . 1 半导体激光二极管驱动电路 体激光二极管 路分 型电 路 流 型电路。根 体激光二极管的特 型电路 小变 起电流巨 大变化， 严重 体激光 管使 ， 因此 流 路 。DC/DC变 具有体积小、 功 低和使用方便等优点[1314]， 基 于 DC/D C 变换器 片 PT4115设计 体激光 管 路 。 PT4115是连续电感电流 降 流 源 ， 输入电压为6〜30V ， 输出电流最大可达1. 2 A ， 出电流精度为5 ， 内部具有过流、 、 路保 ， 达 9 7 ， 支 持 P fM 光 。 调光通过DIM 引脚实现 以 P f M 方式调光时， 输 出电流W 〇 8 8 P g 0， 其 中 Vp u ls6为输入的P fM 电平电压（ 0. 5 V Vp u lse2. 5 V ， 0 为 P fM 占空 比； 以模拟方 光 时 ， 当 DIM 低于 0.3V 出 流 0， 2.5 V 大 流 输出。由于连续地 体激光 管 使用寿命， 所 方 光 ， 电 容 Ca 地 ， 另一端连接DIM 引脚并通过PT4115的内部电 阻拉高至5 V ， 以最大电流输出驱动半导体激光二 管。 1.2. 2输入保护电路 入端并联低等效串联电阻的滤波电容 C 1， 减少输入电流 体激光 管 路的 。根据本质安全设计 ， 取安全系数为1.5, 则最大输入电压VIN 12X 1. 5 V 1 8 V 。由 I 类 路最小 曲线可知， 18 V 对应 大 电 容 为 90 F ， 因 此 滤 波 电 容 C 1 的最大值应低于 90 F ， 图 3 中 C 1采 用 47 F 的电解电容。 入 大 于 1 8 V ， 际电容大于 理论安 ， 输入端应具有 保 一一 Rt， D i， D2， De， D7， R 1 和 Q i构成双重输入过压保 路 。 为防止输入端反接， 在输入端串联防反接二极 管 D1 和 D2 降较低 基二极管， 以降低 电路损耗。同时， D 和 D2 起到隔离输入滤波 t 和 PT4115输入端寄生电容的作用， 防止叠加能量 大 小 。 1.2. 3输出保护电路 半导体激光二极管容易受静电和外界干扰， 导 致电流尖 ， 并 联 2 个 T V S 管 “ 和 D5， 向 超过额定值时， “ 和 “ 保护 体 光 管。 体 光 管 并 电容 C2 可滤掉高频干扰， 1 F 的电容可使输出纹 波减少约1/3,适当增加电容可抑制更多纹波， 但电 容过大会影响启动时间和调光频率， 因 此 取 C2 1 F 。 1.3 散热装置设计 体激光 管对温度非常敏感， 其波长和 光 等 随温度变化很大％ 体激光二 极管抽运 下降， 输出 不稳， 影响使 ， 要设计 装置％ 体激光 管的 发[1516]。 铝材料制作 长 70 mm、 直 径 30 m m 的筒形散热装置， 如 图 4 所 。 筒可调节透镜与 体 光 管的 距离， 从 辅助光 照射 ； 通过螺丝定位 孔将 装置与视频采集设备 连接％ 散热 度 。 a 3D效果 1 一 透 镜 ；2调焦筒 3勻 光 片 ； 4一 940 nm半 导 体 激 光 二 极 管 ；5螺丝定位孔 图 4半 导 体 激 光 二 极 管 散 热 装 置 Fig. 4 Heat dissipation device of semiconductor laser diode 2测试验证2测试验证 本质安全型低照度视频采集激光辅助光源在煤 安 中需要进行测试， 测试装置如图5 所示。 将激光辅助光源与型号为BG0601C 的 CCD图像传 感器安装在同一中垂线上， 使激光辅助光源发出的 光线 目标物体反射 CCD图像传感器获取。 图 5测 试 装 置 Fig. 5 Test device “ 激光输出 度测试。不同数量勻光片 下激光输出 度 见 表 1， 可看出 2 片 [ 上数 光 片 时 ， 激光输出 度 PB 16 工 矿 自 动 化2 0 1 9 年 第 4 5 卷 3836.12010 爆 炸 性 环 境 第 1 部分 设备通用要 求 第 6. 6 条要求连续激光输出能量密度不得 超过 500 W/cm2。 表1不同数量匀光片下激光输出能量密度 Table 1 Laser output energy density under different number of smoothing glass 匀 光 片 数 量 /片 激 光 输 出 能 量 密 度/W cm 2 01 200 1800 2480 3340 2本质安全型驱动电路电火花测试。测试时 将半导体激光二极管两端短路， 未点燃可燃性气体， 满足本质安全设计要求。 “ 照射距离测试。在低照度环境下不同照射 距 离 时 ， 对 同 一 目 标 物 体 进 行 图 像 采 集 ， 利用 Matlab对采集的图像进行峰值信噪比分析（ 峰值信 噪比越大， 表示图像质量越好） ， 结 果 见 表 2。可看 出照射距离不超过20 m 时 ， 满足人眼可辨别图像 的峰值信噪比大于15. 8 d B 的要求。 表2不同照射距离下采集图像峰值信噪比 Table 2 Peak signal to noise ratio of collected images under different irradiation distances 照 射 距 离/m峰 值 信 噪 比/dB 529. 235 10 26. 674 15 2 1 167 20 16. 345 25 13. 786 “ 温度测试。测试环境温度为26 c ， 激光辅 助光源持续工作1 h， 用红外测温仪测得半导体激 光二极管散热装置的表面温度为48. 7 c ， 满 足 GB 3836. 12010 第 26. 5. 1. 3 条和 GB 3836. 42010 爆 炸 性 环 境 第 4 部分 由本质安全型“ i” 保护的设 备第 10. 2 条要求I 类电器设备的最高温度不 超 150 c 。 5功耗测试。辅助光源输人端接至12 V 直 流电源， 每 隔 10 min测量输人电流并计算功耗， 结 果见表3。可看出随着辅助光源工作时间增加， 功 耗趋于稳定且小于3 W。 3结语3结语 从光路、 本质安全型驱动电路和散热装置3 个 方面介绍了本质安全型低照度视频采集激光辅助光 源的设计方案。 测试结果表明， 该辅助光源照射距 表3功耗测试结果 Table 3 Power consumption test results 时 间/min电流/mA功 耗/W 10180 2. 16 20191 2. 30 30208 2. 50 402212.65 502362.83 602322.78 离 达 20 m、功耗小于3 W，持续工作表面温度低于 5 0 C。目前该激光辅助光源已应用于KBA12矿用 本质安全型网络摄像仪中， 在有辅助光源情况下， 该 网络摄像仪采集范围大且视频清晰。 参 考 文 献 （References 1 牛剑峰.无人工作面智能本安型摄像仪研究[] .煤炭 科学技术，2015,431 77-80. 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