核电站水下光学定位系统的设计

陈姝 张志义 吴东栋 魏文斌

【摘 要】目前核电站水下光学定位系统拟采用的方法是通过视觉引导和激光引导相结合的方式。由于系统中ROV背上的LED灯、PSD探测器、摄像头和激光器的准直镜四点异面，PSD探测器获得激光光斑照射并不容易。本文提出了一种核电站水下光学定位系统设计方法，该方法能使以上四点构成矩形或平行四边形，且ROV上LED灯在摄像机的视位置与PSD探测器在准直镜的视位置相同。因此，激光器可以直接利用LED灯在摄像机的视位置进行激光点射PSD探测器靶面。经论证，该设计方法可行且快速有效。

【关键词】水下光学定位;摄像机;激光器准直镜;LED灯;PSD探测器;平行四边形

中图分类号： TG115.28文献标识码： A文章编号： 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

核电站水下光学定位拟采用的方法是通过摄像机确定ROV（遥控潜航器Remote Operated Vehicle）的视位置引导激光扫描，该探测方法中视觉引导得到ROV的视位置后，激光器据此旋转云台，进行跟踪扫描，直至ROV背上的PSD探测器获得激光光斑，才能获得ROV精确位置。

然而，快速得到ROV的精确位置并不容易。因为摄像机和激光器的准直镜通过连接杆与云台固定在一起（见图1），摄像机和准直镜呈水平状态，LED灯和PSD探测器在ROV上也是水平位置且相对固定的（见图2）。即使LED灯与PSD间距和摄像机与准直镜间距相同，假如承载摄像机与准直镜的云台不在承载LED灯与PSD探测器的ROV的正对面，而是斜对着，那么摄像机、准直镜、LED灯和PSD探测器四者不是一个矩形或平行四边形，甚至不在一个平面上，我们称之为四点异面，参见示意图3。这样从摄像机指向LED灯的向量■与从准直镜指向PSD探测器的向量■的方向通常不相同。又由于激光波束较小，激光器无法利用摄像机得到的视位置信息直接快速扫到PSD探测器靶面上。

上述步骤构成一个整体。只要按以上步骤要求安装使用该系统，就可以确保ROV攀爬在容器侧壁时摄像机、准直镜、LED灯和PSD四点构成平行四边形（或矩形）。LED灯在摄像机中的视位置与PSD探测器在准直镜中的视位置相同，激光器可以按照摄像机探得的视位置快速确定ROV上PSD探测器的精确位置。

该方法的优势在于：理论上激光器的准直镜可以完全使用摄像机测得的LED视位置参数点射PSD探测器，这比通过扫描寻找PSD在时间上快得多。即使在设备安装和ROV的放置实际操作中存在一定的俯仰和方位偏差，只要偏差可控，该方法中的准直镜发射的激光仍然能打到PSD探测器上，因为激光束毕竟不是一个理想的点，投射出去仍然会照到一定面积的圆。

3 应用举例

3.1 核电站压力容器中ROV的定位

核电站压力容器通常由上面的圆柱体和下面的半球构成，在圆柱体侧边有进水口和出水口。图8是某核反应堆压力容器上半部分截面示意图。压力容器在一些特定位置存在焊缝。如果这些焊缝有损伤，那么在高温高压下继续使用存在较大风险。因此，需要对压力容器进行定期检测和修护。通常水下遥控潜航器ROV必须在指定位置对焊缝处进行超声检测，查看是否存在损伤缺陷。为此必须实现水下ROV的定位，才有可能引导ROV到指定位置。

这里选用本文设计的摄像激光组合云台，该云台可以在压力容器周围边上任意地点放置，置于压力容器内壁上的ROV，保持PSD探测器和LED灯连线向下，参见图8。这样的布局，激光器就可用摄像机测得的方位俯仰参数照到ROV上的PSD探测器，从而确定潜器ROV的位置。

3.2 乏燃料池中ROV的定位

核电站乏燃料存储池，参见图9。其表面长期处在硼酸和乏燃料的环境中，它的后面通过扩张螺栓直接联系着潮濕的混泥土墙，这种状况将会导致钢包层的焊缝处产生缺陷，需要定期检测和维修。

对于这种长方体结构的乏池，选用本文设计的摄像激光组合云台，该云台可以放在关于ROV的乏池对面边上也可以放在侧边边上，置于压力容器内壁上的ROV，只要保持PSD探测器和LED灯连线向下，激光器就可用摄像机测得的方位俯仰参数照到ROV上的PSD探测器，从而确定潜器ROV的位置。

4 结语

本文提出了一种核电站水下光学定位系统设计方案，该方法能使系统中ROV背上的LED灯、PSD探测器、摄像头和激光器的准直镜四点构成矩形或平行四边形，从而使ROV上LED灯在摄像机的视位置与PSD探测器在准直镜的视位置相同。激光器可以直接利用LED灯在摄像机的视位置进行激光扫射PSD探测器靶面。可以看出，该方法设计的定位系统摄像激光云台可以在池边任意位置，实用性更强，使用范围更广，而且快速有效。

【参考文献】

[1]王俊涛，王龙，陈姝，张军.反应堆压力容器接管安全端超声检查装置设计研究[J].机械工程师，2015，1：71-73.

[2]李田生，刘志远.焊接结构现代无损检测技术[M].北京： 机械工业出版社，1999.