超声波雷达与激光雷达在 ARTG 大车防撞应用上的分析

超声波雷达与激光雷达在 ARTG 大车防撞应用上的分析

梅建奎, ,王晓磊

天津港联盟国际集装箱码头有限公司  天津市 300461

摘要：本文主要对超声波雷达与激光雷达的工作原理、差异进行对比分析，结合 ARTG实际应用，提出一种适用 ARTG 大车防撞的有效方案。

0 引言

智慧港口是以信息物理系统为结构框架，利用物联网、云计算、 大数据及移动互联网、人工智能等新一代信息技术， 在泛在信息全面 感知和互联的基础上，使物流供给方和物流需求方共同融入港口集疏 运一体化系统， 实现车、船、货、港、人五大基本要素之间无缝连接 与协同联动， 以智能监管、智能决策和自动装卸为主要工作模式，并 能为现代物流业提供高安全、高效率、高品质服务的现代港口形态。

1 超声波雷达检测原理

超声波是一种频率高于 20000Hz 的声波，具有频率高、波长短、 绕射现象小、方向性好、定向传播等特点。超声波测距是利用超声波 在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来 的时间， 根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。

首先， 超声波发射器向某一方向发射超声波， 在发射时刻的同时开始 计时， 超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来， 超声波 接收器收到反射波就立即停止计时。

测距公式：  D = Ct/2

D– 传感器到障碍物的距离(即测距结果)

C–  空气中的声速

t– 超声波脉冲的传输时间

在公式中，我们可以看到超声波的声速与计时器共同影响测量精 度。其中声速受空气成分、压力和温度的影响， 在港口应用场景， 空 气的成分与压力相对固定， 而气温可能会产生波动， 其对声速的影响

可用近似公式推断。超声波声速与温度的关系见表 1。

C= 20 × √273 + T

C–空气中的声速 (m/s)

T–  空气的摄氏温度(℃)

2 激光雷达检测原理

激光雷达的工作原理，是利用可见光或近红外光发射一个信号， 经目标反射后被接收系统收集，通过测量反射光的运行时间而确定目 标的距离，称为脉冲时间飞行原理( TOF )。 激光雷达主要由发射模 块、接收模块、控制模块、处理模块和扫描模块构成， 其中发射模块 组件主要包括激光驱动 IC、激光器、激光调制器及发射光学系统。激 光发射模块的工作原理为通过采用激励方式周期性地驱动激光器发 射激光脉冲， 并利用激光调制器控制激光发射的方向以及线数， 最后 通过发射光学系统将激光发射至目标物体上。接收模块负责接收回波， 并将回波反射至探测器，探测器负责将光信号转换至电信号。单线激 光雷达通过连续不停地发射激光脉冲，由旋转光学机构将激光脉冲按 一定角度间隔(角度分辨率)发射向扫描角度内的各个方向而形成一 个径向坐标为基准的二维扫描面，被测物体位置信息通过扫描仪到物

体的距离及对应的角度数据确定。

3 超声波雷达与激光雷达差异对比

ARTG 是专业化集装箱码头堆场中的自动化作业机械， 由于堆场 作业环境复杂， 对于其安全运行提出了更高的要求， 故设备防撞防护 显得尤为重要。

ARTG大车防撞保护范围一般在 0-20 米，车道宽度 2 米左右， 可 设预警区、减速区、急停区，范围可调，结果输出一般需要高于 5- 10Hz 才能足够灵敏地做到及时防护。港口环境方面，北方港口冬季多 雪， 全年环境温度约-20℃至 30℃，南方全年雨雾较多，环境温度约 -10℃至 40℃。

3.1 超声波雷达实际应用特点

超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，传播速度仅为光波的百 万分之一，纵向分辨率较高，其频率一般超过 20000Hz，波长一般小 于 2cm。超声波对色彩、光照度、外界光线和电磁场均不敏感。超声 波测距方法具有如下特点：

(1)相对于低频声波， 频率越高， 声波能量越高，能量越集中。 因而超声波具有定向性好、能量集中的特点，在传输过程中衰减较小、 反射能力较强。

(2)相对于光学方法， 超声波的波速小， 可以直接测量较近目标 的距离， 纵向分辨率较高，对色彩、光照度、电磁场不敏感， 被测物 体处于黑暗， 对于灰尘， 烟雾，电磁干扰， 有毒等恶劣的环境有一定 的适应能力，特别是在海洋勘测方面具有独特的优点。

(3)机械波的传播需要借助介质， 超声波在空气中传播时， 如果 空气温度产生变化，或者是下雨雪雾导致空气介质密度产生变化， 将 影响超声波波速，进而导致超声波测距不准甚至是未抵达待测目标物 便返回接收模块。由于 RTG 大车防撞的检测范围一般在 0-20 米， 该 距离范围内， 温度变化对测距精度产生的影响相对较小，一般可以通 过增加温度传感器补偿校正波速来减小环境温度带来的测距误差，但 是难以应对浓雾、大雨或者大雪情况下， 空气介质由气态变为气液固 混合态、密度增大将导致误检。

3.2 激光雷达实际应用特点

激光雷达所用的激光属于光波， 一般利用可见光或近红外光(多

为 950 nm波段附近的红外光)。激光雷达的发射模块中，我们可以 根据激光波长、激光器器件结构以及测距原理三种方式进行分类， 港 口应用一般使用不同波长的激光， 测距原理基于 TOF 飞行原理， 器件 结构使用单点逐行扫描，该选择取决于实际应用需求及性价比。

一束激光脉冲在传播过程中被多次反射， 每次反射距离不同， 光 敏系统按一定时间间隔接收并解析到从不同距离反射回来的激光脉 冲， 这样就可以利用一束激光测得两次以上的距离值。假设雨雾和被 测目标之间的距离为 L，雨雾回波信号 Echo1 的脉宽为Δt，只有当 雨雾与被测目标之前的间距 S＞V 光速×Δ t/2 时， 雨雾和目标的回 波信号 Echo1 和 Echo2 才能被区分开， 雷达能测到两个目标， 通过算 法处理， 得到被测目标的准确距离。另外距离越近， 雨雾的回波信号 Echo1 越强， 因此一般雨雾只会形成一次可以探测到的回波信号， 并 非雨雾环境下全程都有回波信号。在采集到多次回波数据后， 一般以

最长回波作为结果数据，以达到过滤雨雾干扰点的目的。

4 结论

总之，激光雷达在复杂环境下的稳定性要优于超声波雷达， 但是 在实践中一般用视觉冗余方案去弥补激光雷达在多维信息上的缺失， 以确保港口 ARTG 大车防撞系统更加安全可靠。