海上航标灯的激光替代方案探究与实践

海上航标灯的激光替代方案探究与实践

于淏

长春理工大学  吉林长春  130000

摘要：该研究旨在探究海上航标灯的激光替代方案，提高导航信号的准确性和可靠性。结论表明，激光照明系统具备良好的能效和光束安全性，并具备良好的可靠性和维护管理策略，为海上导航提供了可行的解决方案。推广应用激光照明系统有望提升海上航行的安全性和效率，也是实现智能航运和海洋经济高质量发展的关键一步。

关键词：海上航标灯；激光照明系统；维护管理策略

一、引言

（一）研究背景

传统航标灯受环境和能耗限制，可见性和稳定性不保证，还造成光污染和能源浪费。研究新的高效、可靠、环保的替代方案至关重要。激光器技术的发展在多个领域得到广泛应用。海上航标灯使用激光技术提高可见性和稳定性，节能环保优势明显。

（二）研究意义

提高航标灯可见性和稳定性，节能减排，推动技术创新与应用。研究实现海洋环境下可靠照明，提升航行安全性。激光技术节约能源、降低碳排放，减轻环境负担。该研究促进了海洋激光器技术应用发展，具有学术实践价值。

（三）研究目的

设计和优化激光航标灯系统，确保在海洋环境下可靠照明；验证激光航标灯的可见性和稳定性，并与传统航标灯做比较；评估激光航标灯能效和环保效益，包括节能和减少碳排放；推动激光器技术在海洋领域应用发展。

二、海上航标灯简介

（一）航标灯的定义和功能

1．航标灯的定义

航标灯用于指引船只航行和标识航道。它们位于海上或水域中的特定位置，发出可见光信号或指示标志，为船只提供导航信息。航标灯标识、警示和引导，帮助船只识别航道、避免障碍物和确定位置。传统航标灯采用灯泡或气体放电管等光源，发射特定颜色的光束。

2．航标灯的功能

航标灯用于标识航道，将特定位置标记出来，帮助船只识别安全水域和通航路线。航标灯发出可见光信号，提供导航信息，指引船只安全航行。航标灯起到警示作用，警示船只避开危险区域、浅滩或障碍物，保障航行安全。航标灯还用于确定位置和方向，为船只提供准确的地理参考和航向指示。

（二）传统航标灯的局限性和挑战性

传统航标灯依赖大电力，消耗能源、环境污染。自然因素影响可见性和稳定性，降低导航准确性和安全性。长期使用和维护成本高，灯泡易损坏，维护困难。限制了复杂海洋环境下的效果。

传统航标灯亮度受距离限制，无法覆盖大范围。天气变化影响能见度，导航受影响。指示颜色有限，不能提供全面导航信息。自然环境挑战灯的稳定耐久性。

三、激光技术在航标灯中的应用潜力分析

（一）日亚激光器的基本原理与特点

日亚激光器基于半导体技术，通过谐振腔和光学整形技术产生高亮度平行光，提高了航标灯照明效果和可靠性。使用寿命长、功耗低，适合替代方案，如图1所示。特点如下：

（1）高亮度：具有非常高的亮度，可以远距离照明和标识目标。

（2）高光束质量：光束质量非常高，可以实现低散射的平行光输出。

（3）长寿命：寿命长，可以保证长时间稳定的工作。

（4）高效能：能耗非常低，可以减少能源消耗和使用成本。

（5）多功能：多种不同的输出功率和波长选择，可以满足不同应用的需求。

图1 激光器的工作原理

（二）激光技术相较于传统灯光的优势

激光具有较高的可见性和亮度，能够远距离照射，并提供更远、更清晰的导航指引，增强了船只的安全性和准确性。激光束的波长单一且方向性强，可以减少误导和视觉干扰，使导航信息更加明确和可靠。激光技术具有快速开关和调节的能力，可根据需求进行迅速调整，适应不同环境和导航要求，提供灵活性和多样化的导航功能。

（三）激光照明在航标灯中的应用前景

激光照明技术能够提供更远、更亮、更清晰的导航信号，提升航行安全性和准确性。激光具备可调节功率和波长的特性，能够根据不同环境需求进行灵活调整，实现多样化的导航功能。此外，激光器耗电量少，寿命长，维护成本低，对环境友好。随着激光技术不断发展和成熟，其在航标灯中的应用将进一步提升航行安全水平，减少事故发生率，并为船只提供更有效的导航服务。

四、航标灯激光替代方案设计与优化

（一）激光器参数选择与优化

要选择合适的波长，一方面需考虑在大气中传输时的折射率和散射损失，另一方面需满足船只可见性的要求。需要优化激光器的功率输出，以确保航标灯在远距离可见且具备足够亮度。调节激光束的发散角度，使其能够在不同距离范围内提供清晰的导航指引。如图1。还需考虑激光束的稳定性和可靠性，通过精准的光学系统设计和防护措施，减小环境因素对激光器输出的影响。

表1 激光器部分参数

（二）激光光束调控技术及其在航标灯中的应用

通过控制发散角度，可以确保船只在不同距离范围内能够清晰接收到导航信号，从而提升航行安全性和准确性；通过调节光束的聚焦程度，可以在远距离范围内提供更强的照射亮度，增强船只对导航信号的感知能力；此外，通过调节照射强度，可以满足不同天气条件下的可见性要求，如雾霾天气中的导航需求。

（三）激光照明系统的能效与光束安全性评估

激光照明系统能效高。采用光束调控技术，精确控制发散角度、聚焦程度和照射强度，减少能量浪费，提高能源利用率。激光器寿命长、可靠性高，降低能源消耗。

激光照明系统光束安全可靠。考虑环境和人员安全需求，合理设置发散角度和照射强度，确保导航信号清晰接收，避免光束干扰和危害。激光器稳定性好，减少光束偏移和漂移，提高精准性和可靠性。

（四）激光照明系统的可靠性与维护管理策略

激光器具有长寿命、高稳定性，光束持久且稳定，减少故障和停运风险，确保航标灯可靠性。激光光束调控技术可远程监测和自动调整，及时修复问题，保持系统正常运行。定期巡检和维护计划，检查和维护激光器、光学组件和电源等，确保正常工作。培训维护人员，提供操作手册和安全注意事项，加强技能培训和安全意识，确保高效和安全的维护工作。

五、结论与建议

（一）结论

激光照明系统具有良好的能效和光束安全性，可靠性高且易于维护。该方案在能源利用效率和光束安全性方面具有优势，为海上导航提供了可行的解决方案。通过定期维护和培训维护人员，确保系统稳定运行。这项研究为海上航标灯的升级提供了支持，有望提高导航信号的准确性和可靠性，增强船只航行的安全性和效率。

（二）建议

在海事部门的支持下，针对不同类型的船只和航行情况，逐步推广应用激光照明系统，以提升海上导航的准确性和可靠性。加强技术研发和人才培养，继续改进和优化激光照明系统，使其更加稳定、可靠和高效。应注意加强维护管理和技术服务，为使用者提供及时、全面和专业的技术支持和服务。

参考文献

[1]崔玉亮.海上测风塔的航标配布[J].中国海事,2023(06):56-58.

[2]王政彭,张志斌,李木.浅谈航标管理站做好海上风电场航标技术测定工作的思考[J].珠江水运,2023(11):57-61.

[3]王雄杰,李鹏宇.中国海上风电场航标维护策略研究[J].珠江水运,2022(24):93-95.

第一作者： 姓名：于淏  性别：女    出生年月：1988年  民族：汉  籍贯：吉林省延边朝鲜族自治州  学历：博士  方向：光学。