核電站水下光學定位系統的設計

陳姝 張志義 吳東棟 魏文斌

【摘 要】目前核電站水下光學定位系統擬采用的方法是通過視覺引導和激光引導相結合的方式。由于系統中ROV背上的LED燈、PSD探測器、攝像頭和激光器的準直鏡四點異面，PSD探測器獲得激光光斑照射并不容易。本文提出了一種核電站水下光學定位系統設計方法，該方法能使以上四點構成矩形或平行四邊形，且ROV上LED燈在攝像機的視位置與PSD探測器在準直鏡的視位置相同。因此，激光器可以直接利用LED燈在攝像機的視位置進行激光點射PSD探測器靶面。經論證，該設計方法可行且快速有效。

【關鍵詞】水下光學定位;攝像機;激光器準直鏡;LED燈;PSD探測器;平行四邊形

中圖分類號： TG115.28文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）06-0012-004

【Abstract】The method planning to adopt is the one combining visual guide and laser guide in an underwater optical positioning system in NPS at present.Since the camera，the laser collimating mirror，LED and PSD on the back of ROV are not on the same plane，it is not easy for the PSD to be illuminated by laser spot.In this paper we present a design for an underwater optical positioning system in NPS，in which the above four points can constitute a rectangle or a parallelogram，and the LOS（line of sight） direction of the LED in regard to the camera is the same to the one of the PSD in regard to the laser collimating mirror.Hence，the laser can fire single shots on the target plane of the PSD by the LOS direction of the LED in regard to the camera.By demonstration，the design is feasible，rapid and effective.

【Key words】Underwater optical positioning;Camera;Collimating mirror;LED lamp;PSD detector;Parallelogram

0 引言

核電站水下光學定位擬采用的方法是通過攝像機確定ROV（遙控潛航器Remote Operated Vehicle）的視位置引導激光掃描，該探測方法中視覺引導得到ROV的視位置后，激光器據此旋轉云臺，進行跟蹤掃描，直至ROV背上的PSD探測器獲得激光光斑，才能獲得ROV精確位置。

然而，快速得到ROV的精確位置并不容易。因為攝像機和激光器的準直鏡通過連接桿與云臺固定在一起（見圖1），攝像機和準直鏡呈水平狀態，LED燈和PSD探測器在ROV上也是水平位置且相對固定的（見圖2）。即使LED燈與PSD間距和攝像機與準直鏡間距相同，假如承載攝像機與準直鏡的云臺不在承載LED燈與PSD探測器的ROV的正對面，而是斜對著，那么攝像機、準直鏡、LED燈和PSD探測器四者不是一個矩形或平行四邊形，甚至不在一個平面上，我們稱之為四點異面，參見示意圖3。這樣從攝像機指向LED燈的向量■與從準直鏡指向PSD探測器的向量■的方向通常不相同。又由于激光波束較小，激光器無法利用攝像機得到的視位置信息直接快速掃到PSD探測器靶面上。

上述步驟構成一個整體。只要按以上步驟要求安裝使用該系統，就可以確保ROV攀爬在容器側壁時攝像機、準直鏡、LED燈和PSD四點構成平行四邊形（或矩形）。LED燈在攝像機中的視位置與PSD探測器在準直鏡中的視位置相同，激光器可以按照攝像機探得的視位置快速確定ROV上PSD探測器的精確位置。

該方法的優勢在于：理論上激光器的準直鏡可以完全使用攝像機測得的LED視位置參數點射PSD探測器，這比通過掃描尋找PSD在時間上快得多。即使在設備安裝和ROV的放置實際操作中存在一定的俯仰和方位偏差，只要偏差可控，該方法中的準直鏡發射的激光仍然能打到PSD探測器上，因為激光束畢竟不是一個理想的點，投射出去仍然會照到一定面積的圓。

3 應用舉例

3.1 核電站壓力容器中ROV的定位

核電站壓力容器通常由上面的圓柱體和下面的半球構成，在圓柱體側邊有進水口和出水口。圖8是某核反應堆壓力容器上半部分截面示意圖。壓力容器在一些特定位置存在焊縫。如果這些焊縫有損傷，那么在高溫高壓下繼續使用存在較大風險。因此，需要對壓力容器進行定期檢測和修護。通常水下遙控潛航器ROV必須在指定位置對焊縫處進行超聲檢測，查看是否存在損傷缺陷。為此必須實現水下ROV的定位，才有可能引導ROV到指定位置。

這里選用本文設計的攝像激光組合云臺，該云臺可以在壓力容器周圍邊上任意地點放置，置于壓力容器內壁上的ROV，保持PSD探測器和LED燈連線向下，參見圖8。這樣的布局，激光器就可用攝像機測得的方位俯仰參數照到ROV上的PSD探測器，從而確定潛器ROV的位置。

3.2 乏燃料池中ROV的定位

核電站乏燃料存儲池，參見圖9。其表面長期處在硼酸和乏燃料的環境中，它的后面通過擴張螺栓直接聯系著潮濕的混泥土墻，這種狀況將會導致鋼包層的焊縫處產生缺陷，需要定期檢測和維修。

對于這種長方體結構的乏池，選用本文設計的攝像激光組合云臺，該云臺可以放在關于ROV的乏池對面邊上也可以放在側邊邊上，置于壓力容器內壁上的ROV，只要保持PSD探測器和LED燈連線向下，激光器就可用攝像機測得的方位俯仰參數照到ROV上的PSD探測器，從而確定潛器ROV的位置。

4 結語

本文提出了一種核電站水下光學定位系統設計方案，該方法能使系統中ROV背上的LED燈、PSD探測器、攝像頭和激光器的準直鏡四點構成矩形或平行四邊形，從而使ROV上LED燈在攝像機的視位置與PSD探測器在準直鏡的視位置相同。激光器可以直接利用LED燈在攝像機的視位置進行激光掃射PSD探測器靶面。可以看出，該方法設計的定位系統攝像激光云臺可以在池邊任意位置，實用性更強，使用范圍更廣，而且快速有效。

【參考文獻】

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