一种基于双离轴抛物面镜组的CO2激光烧蚀装置的制作方法

本发明涉及一种光学非接触式co2激光烧蚀装置，具体涉及一种基于双离轴抛物面镜组的co2激光烧蚀装置，可用于高压输电线异物清除，尤其适用于远距离高压输电线异物清除。

背景技术：

高压及特高压电网是电力系统中进行远距离大规模电能输送的重要物理传导网络。输电电网使用多条高压、超高压物理线缆，并绝缘架空在20m～100m高的塔架之间。由于线缆常年暴露在自然环境中，客观自然或人为原因，常常使得塑料等非金属异物搭接在电缆、塔架、绝缘子等电网设施上。导致高压电力线缆间绝缘性变差，存在引发电力线路短路跳闸等故障的隐患是当前电力系统正常运转的重大威胁之一。

通常高压电网在输电线路设计中，导线与导线之间都留有固定的安全间距。正常情况下，只要导线间保持这个空气间隙，架空输电线路就可以安全运行。若在电线之间存在空气以外的非绝缘物体，比如风筝线、气球、塑料布等，极易造成线与线之间短路，使得变电站开关跳闸。常见异物为风筝、气球等非金属物品，一旦搭接高线电网之间，输电线路就会立刻跳闸导致电网故障。即使异物绝缘性较高，在雨天或空气湿度大时，电流也有可能会通过雨水(或水汽)击穿放电，引发电网故障。

传统的清除高压电线搭接异物的主要方法有两大类：一是停电后电工或机器人上线摘除；二是等电位带电作业摘除。这两种方法都需要投入较多的人力、物力，且作业程序复杂、时间长、工作强度大，安全性低。即使采用机器人等非人工手段，当前清除电缆异物的用时依然较长。机器人等自动化设备在电网带电的情况下对电网的安全运行存在一定的威胁且机器人的使用、维护成本较高，难以大规模推广应用。

激光清理电缆上异物的原理是在地面上发射激光，精确控制激光方位使其辐射异物表面，异物被辐射部分由于吸收激光能量从而温度升高，最终燃烧脱落，达到清理异物的目的。电缆上的异物一般为非金属材料的，co2激光器能够在燃烧绝大部分异物的情况下，对金属电缆不造成损伤。现有的co2激光烧蚀简易装置需要人工瞄准异物，不适用于远距离或异物较小时的清除。

技术实现要素：

基于以上背景，为解决传统高压电线搭接异物清除方式安全性低、维护成本高、清除效率低，以及现有co2激光烧蚀简易装置不适用于远距离或异物较小时的清除的技术问题，本发明提供了一种基于双离轴抛物面镜组的co2激光烧蚀装置。

本发明的技术解决方案是：

一种基于双离轴抛物面镜组的co2激光烧蚀装置，其特殊之处在于：包括co2激光扩束聚焦系统、共轴分光镜组、可见光摄像机、测距系统、二维旋转机构及显控终端；co2激光扩束聚焦系统、可见光摄像机、测距系统和共轴分光镜组封装于一体，设置于二维旋转机构上；

co2激光扩束聚焦系统包括co2激光器和co2激光扩束聚焦折反光学系统；

co2激光扩束聚焦折反光学系统为多组级联的伽利略望远镜型式折反红外光学系统，包括透镜组和双离轴抛物面镜组，双离轴抛物面镜组和透镜组均为无焦或近似无焦系统；

透镜组包括依次设置的调焦负透镜和正透镜；调焦负透镜与正透镜构成扩束系统，调焦负透镜设置在co2激光器的出射光路上，透镜组与所述双离轴抛物面镜组构成扩束调焦系统；调焦负透镜的位置可调；

双离轴抛物面镜组的出射光路上设置所述共轴分光镜组；

共轴分光镜组包括平行设置的主路分光镜与双路分光镜，主路分光镜和双路分光镜上均镀制有双色分光膜；主路分光镜上的双色分光膜，对co2激光透过，对可见光及测距激光反射；双路分光镜上的双色分光膜，对测距激光透过，对可见光反射；

主路分光镜设置在双离轴抛物面镜组的出射光路上；定义主路分光镜远离双离轴抛物面镜组的面为第一镜面，双路分光镜设置在第一镜面的反射光路上；

可见光摄像机的光轴与双离轴抛物面镜组的出射光束光轴平行；定义双路分光镜面向主路分光镜的面为第二镜面，可见光摄像机位于所述第二镜面的反射光路上；

测距系统位于所述第二镜面的透射光路上；

显控终端包括显示终端及控制操纵器；

控制操纵器与co2激光扩束聚焦系统、可见光摄像机、测距系统和二维旋转机构均相连，用于：调节二维旋转机构的方位和俯仰；将可见光摄像机所获取的影像以及测距系统输出的测距数据传送至显示终端；根据测距系统的测距数据对透镜组中的调焦负透镜进行位置调节以控制co2激光扩束聚焦系统对烧蚀目标的锁定、激光烧蚀；监控烧蚀过程。

进一步地，所述双离轴抛物面镜组及透镜组的f数均小于4。

进一步地，所述双离轴抛物面镜组包括大尺寸主离轴抛物面镜和小尺寸次离轴抛物面镜，小尺寸次离轴抛物面镜设置在透镜组的出射光路上，大尺寸主离轴抛物面镜设置在小尺寸次离轴抛物面镜的出射光路上；大尺寸主离轴抛物面镜和小尺寸次离轴抛物面镜的镜面直径比例满足使得双离轴抛物面镜组的缩束比为3:1。

进一步地，所述大尺寸主离轴抛物面镜的镜面直径d1的最小值根据公式确定；式中，lm为激光烧蚀最远工作距离，d′为整个co2激光烧蚀装置的衍射极限光斑大小。

进一步地，所述co2激光器为连续或脉冲高功率co2激光器，功率不低于100w。

进一步地，主路分光镜上的双色分光膜，对co2激光的透过率大于98％，对可见光及测距激光的反射率大于99％；双路分光镜上的双色分光膜，对测距激光的透过率大于99％，对可见光的反射率大于99％。

进一步地，二维旋转机构为方位角和俯仰角精度均优于5″的精密旋转机构。

进一步地，二维旋转机构具有手动调节功能。

进一步地，透镜组采用可透射co2激光的ge材料制成。

进一步地，可见光摄像机具有变焦功能，能够对远距离目标清晰成像，且可对当前锁定目标进行框选。

本发明的有益效果：

1.本发明采用共轴分光镜组实现了co2激光扩束聚焦系统、可见光摄相机及激光测距系统三路共轴，co2激光扩束聚焦系统基于双离轴抛物面镜组，无中心遮拦，轻质且可满足大口径使用需求；co2激光扩束聚焦系统中的co2激光扩束聚焦折反光学系统采用伽利略望远镜型式折反红外光学系统，无中间像点，避免了系统中出现高能量的激光点；可见光摄相机的光轴与co2激光扩束聚焦系统的光轴保持共轴，能够确保烧蚀效果最佳；测距系统的光轴与co2激光扩束聚焦系统的光轴保持共轴，能够确保调节透镜组中的调焦负透镜时，实现co2激光的远距离聚焦；利用可见光摄像机结合二维旋转机构能够实现异物目标的搜索、捕获和锁定。在50m左右，天气晴好条件下，采用该调焦方案及离轴设置，高能量激光能量利用率高，5s内即可点燃异物；在极端天气条件下，且处于极限作用距离条件下，采用该调焦方案及离轴设置，高能量激光能量利用率高，30s内即可点燃异物。

2.本发明中双离轴抛物面镜组的位置固定，透镜组中调焦负透镜的位置可调，这样在远距离工作时，只对调焦负透镜的位置进行精密调节，不对离轴元件进行调节，能够保证调焦的稳定性和同轴性，避免了远距离目标的调焦蹿动。

3.本发明中双离轴抛物面镜组和透镜组的f数小于4，能够充分缩短光学系统的长度，减小烧蚀装置的体积。

4.本发明中大尺寸主离轴抛物面镜和小尺寸次离轴抛物面镜的镜面直径比例满足使得双离轴抛物面镜组的缩束比为3:1，有利于获得接近衍射极限的像质。

5.本发明中co2激光器为连续或脉冲高功率co2激光器，功率不低于100w，能够满足远距离烧蚀需求。

6.二维旋转机构为方位角和俯仰角精度均优于5″的精密旋转机构，能够确保调节精度。

7.透镜组采用可透射co2激光的ge材料制成，进一步降低了设备成本。

8.本发明能够以较低的成本完成远距离、非接触烧蚀任务，且避免了人机伤害。

附图说明

图1为本发明co2激光烧蚀装置的原理示意图。

图2为本发明co2激光烧蚀装置的具体实施例。

图3为本发明co2激光烧蚀装置的硬件框图。

图4为本发明co2激光烧蚀装置的软件流程图。

图5为利用本发明进行远距离高压电异物清除的操作流程图。

附图标记说明：

1-co2激光扩束聚焦系统，11-co2激光器，12-co2激光扩束聚焦折反光学系统，121-双离轴抛物面镜组，122-透镜组，1221-正透镜，1222-调焦负透镜，2-可见光摄像机，3-测距系统，4-共轴分光镜组，41-主路分光镜、42-双路分光镜，5-二维旋转机构，51-方位回转机构，52-俯仰回转机构，6-电源，7-显控终端，71-显示终端，72-控制操纵器。

具体实施方式

为使本领域技术人员充分理解本发明的技术方案、可实施性以及优势，首先对本发明的发明构思及技术路线进行以下说明。

co2激光器主要输出波长范围为10.6微米左右，由于金属与非金属材料对该波段范围的激光吸收率差别非常大，且该波段在大气中透过率较高，因而适用于高压输电线(金属)上悬垂非金属异物的远距离、非接触式清除。

由于高压输电线架设距离地面具有一定高度，且部分高压输电线架设在山顶或其他偏远地段，与实际可以进行异物清除操作人员的安全工作距离一般较远，属于远距离清除作业。由激光传输公式其中λ为激光波长，θ为激光的远场发散半角，ω0为激光光斑的束腰半径；可知，要想达到较小的发散角，其光束半径需要很大，且由于激光波长较长，几乎数十倍于可见光波长，若对co2激光直接扩束则无法保证在远距离获得较小的激光光斑尺寸，因此需对远距离传输的co2激光束进行聚焦，来满足烧蚀的光斑能量要求。

在co2激光烧蚀系统中，整个系统的实际衍射光斑受制于扩束出光口大小，由衍射理论可知，圆孔衍射第一暗环直径dr′为：

其中：λ为激光波长，d为激光烧蚀系统的扩束出光的口径，f′为激光烧蚀系统焦距；当取co2激光器出射激光波λ＝10.6μm，要计算在距离激光烧蚀系统200m远处光斑直径小于φ20mm，经上式计算，需要扩束镜出口处光束直径约为258.64mm。通过采用一定结构型式的扩束镜，调节扩束两镜组之间距离可实现远距离的光斑聚焦。对远距离异物进行烧蚀之前需要通过测距系统测量出异物与系统之间的距离，然后对调焦系统进行精确控制，来实现co2激光光斑聚焦。

由于co2激光不可见，且远距离工作时，即使是可见光也无法采用目视来看清激光光斑，故本发明利用可见光摄像机对整个异物目标进行搜索及锁定，并对烧蚀效果进行监测。

为实现远距离高压输电线异物清除，还需要将co2激光扩束聚焦系统、测距系统及可见光摄像机(监测系统)这三个分系统进行有机联系，这里的有机联系并不是简单堆叠在一起。并且，三个分系统如果要协同配合达到完成远距离激光异物的搜索、锁定、烧蚀及其效果检测的目的，对于负载三个分系统的二维旋转机构的角度精度也有一定要求。

为实现远距离高压输电线异物清除，co2激光光斑聚焦系统中的扩束系统，应能够缩短系统长度，不存在中间像点，避免系统中出现高能量的激光点。当作用距离较远时，所需物镜口径较大，且存在运动调节部件，应避免调节系统中的大口径元件和离轴元件。存在中心遮拦的系统不适用于该系统，会不可避免的带来激光能量的损失；避免调节系统中的大口径元件和离轴元件能够保证调焦的稳定性和同轴性，避免远距离目标的调焦蹿动。

co2激光扩束聚焦系统本身为小视场大口径光学系统，而可见光摄像机及测距系统均属视场较大口径较小的系统，由于co2激光器本身结构尺寸相对较为庞大，而可见光摄像机及测距系统也需要合理地布置于相应的光路中，因此合理的光路布局是非常关键的。

由于激光烧蚀装置中存在高能量激光，为避免对操作人员或周边生物的造成危害，本发明优选具有调节功能及锁定功能的二维旋转机构，且整个烧蚀装置必须满足一定操作流程才可进行烧蚀操作。

基于以上技术构思，以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1、图2所示，本发明所提供的基于双离轴抛物面镜组的co2激光烧蚀装置包括co2激光扩束聚焦系统1、共轴分光镜组4、可见光摄像机2、测距系统3、二维旋转机构5、电源6及显控终端7。co2激光扩束聚焦系统1、共轴分光镜组4、可见光摄像机2和测距系统3封装于一体，设置于二维旋转机构5上。

co2激光扩束聚焦系统1包括co2激光器11和co2激光扩束聚焦折反光学系统12；co2激光器11可采用连续或脉冲高功率co2激光器；考虑到激光能量过低有可能无法满足远距离异物烧蚀的需求，co2激光器11的功率不低于100w。为了保证无中间像点，避免系统中出现高能量的激光点，co2激光扩束聚焦折反光学系统12采用多组级联的伽利略望远镜型式折反红外光学系统，包括光束折转组123、透镜组122和双离轴抛物面镜组121，双离轴抛物面镜组121和透镜组122均为无焦或近似无焦系统；透镜组122用于对co2光斑进行聚焦扩束，包括依次设置的调焦负透镜1222和正透镜1221；调焦负透镜1222与正透镜1221构成扩束系统，调焦负透镜1222设置在co2激光器11的出射光路上，透镜组122与所述双离轴抛物面镜组121构成扩束调焦系统；调焦负透镜1222的位置可调；通过微调调焦负透镜1222的位置，能够保证远距离的co2光斑聚焦过程中调焦的稳定性和同轴性，避免远距离目标的调焦蹿动。为降低成本，调焦负透镜1222和正透镜1221均采用可透射co2激光的ge材料制成。

为了缩短光学系统长度，减小烧蚀装置的体积，双离轴抛物面镜组121及透镜组122的f数最好均小于4。双离轴抛物面镜组121包括大尺寸主离轴抛物面镜和小尺寸次离轴抛物面镜，小尺寸次离轴抛物面镜设置在透镜组122的出射光路上，大尺寸主离轴抛物面镜设置在小尺寸次离轴抛物面镜的出射光路上；大尺寸主离轴抛物面镜和小尺寸次离轴抛物面镜的镜面直径比例满足使得双离轴抛物面镜组121的缩束比为3:1，有利于获得接近衍射极限的像质。为方便设计与实施，大尺寸主离轴抛物面镜的镜面直径d1的最小值根据公式确定；式中，lm为激光烧蚀最远工作距离，d′为整个co2激光烧蚀装置的衍射极限光斑大小。

共轴分光镜组4包括平行设置的主路分光镜41和双路分光镜42；主路分光镜41和双路分光镜42上均镀制有双色分光膜；主路分光镜41上的双色分光膜，对co2激光透过，对可见光及测距激光反射；双路分光镜42上的双色分光膜，对测距激光透过，对可见光反射。主路分光镜41设置在双离轴抛物面镜组121的出射光路上；定义主路分光镜41远离双离轴抛物面镜组121的面为第一镜面，双路分光镜42设置在第一镜面的反射光路上；主路分光镜41与双路分光镜42的相对角度关系，使得co2激光扩束聚焦系统1、可见光摄像机2及测距系统3三路光共轴，令co2激光扩束聚焦系统1聚焦的烧蚀目标、可见光摄像机2图像中心锁定的监控目标以及测距系统3所测得的测距目标保持一致。

为提高co2激光的能量利用率，主路分光镜41镀制的双色分光膜，使得co2激光λ1＝10.6μm波长附近透射率τ大于98％，使得可见光摄像机λ2＝450nm～750nm及测距系统3的测距激光λ3＝1.06μm波长附近反射率ρ大于99％；双路分光镜42镀制双色分光膜，使得可见光摄像机2工作波段为λ2＝450nm～750nm的光反射率ρ大于99％，测距系统3的测距激光λ3＝1.06μm波长附近透射率τ大于99％。

可见光摄像机2的光轴与双离轴抛物面镜组121的出射光束光轴平行；定义双路分光镜42面向主路分光镜41的面为第二镜面，可见光摄像机2位于该第二镜面的反射光路上；可见光摄像机2最好具有较大倍率的变焦功能，能够对较大范围的远距离及近距离目标清晰成像，较大范围的远距离的清晰成像用于烧蚀，近距离的清晰成像用于调试，与远距离的调焦校准进行比较及校准，且可对当前锁定目标进行框选，即具备电子锁定目标功能；可见光摄像机2还与显控终端7相连，将获取的影像发送给显控终端7。

二维旋转机构5包括方位回转机构51和俯仰回转机构52，具有手动调节、自动调节和锁定功能，可以自动或手动调节方位回转机构51和俯仰回转机构52，实现对异物目标的瞄准和锁定。

显控终端7包括显示终端71及控制操纵器72。控制操纵器72与co2激光扩束聚焦系统1、可见光摄像机2、测距系统3和二维旋转机构5均相连，用于：调节二维旋转机构5的方位和俯仰；将可见光摄像机2所获取的影像以及测距系统3输出的测距数据传送至显示终端71；根据测距系统3的测距数据对透镜组122中的调焦负透镜1221进行位置调节(将测距数据转换为调焦负透镜1221的位置坐标的方法具体可参考文献《激光远场聚焦特性实验研究》)以控制co2激光扩束聚焦系统1对烧蚀目标的锁定、激光烧蚀；监控烧蚀过程。

控制操纵器72上设置有相机缩放和调焦按钮，通过串口调节可见光摄像机2，使视频显示清晰；可见光摄像机2固定在二维旋转机构5上，手动调节二维旋转机构使目标处于显示终端71内，在显示终端71上框选异物目标，控制操纵器计算得出二维脱靶量，通过串口将此脱靶量发送给二维旋转机构5，从而控制二维旋转机构的方位和俯仰；目标与视频中心重合之后，启动测距系统3，并通过串口接收数据。

本发明将co2激光扩束聚焦系统1、可见光摄像机2、测距系统3这三个独立子光路共同布置于二维旋转机构5上，结合co2激光烧蚀装置的初始位置及可见光摄像机2所提供的异物信息，调整二维旋转机构5的方位回转机构51及俯仰回转机构52，将异物目标锁定于显控终端7的显示终端71所显示视频图像的中心。锁定异物目标以后，根据测距系统3所提供的测距信息，对co2激光扩束聚焦折反光学系统12内，透镜组122中的调焦负透镜1221的相应位置进行精密调节，来完成烧蚀激光的对焦及烧蚀，此过程中，利用显控终端7对烧蚀过程进行监控，在测量过程中电源6为所有相关系统供电，共同完成远距离、非接触式高压输电线异物清除。

如图3所示，可见光摄像机2通过usb数据线与显示终端71相连接，实时传输视频至显示终端71。另外，可见光摄像机2通过rs485串口与控制操纵器72相连接，控制操纵器72通过串口发送指令控制可见光摄像机2的缩放和聚焦，实现对视频质量的改善。控制操纵器72通过rs485串口与测距系统3连接，通过发送指令控制测距系统3实现测距功能，并通过数据线传输距离参数至显示终端71。可见光摄像机2固定在二维旋转机构5上，控制操纵器72通过rs485控制二维旋转机构5的俯仰和旋转，通过观察显示终端71上的实时视频，可以手动调节二维旋转机构5至理想位置，另外，也可以通过在视频中选择目标，自动发送位置指令至二维旋转机构5，实现位置的调整。

如图4所示，首先判断显示终端71能否实时显示视频，然后调节二维旋转机构5使目标位于视频内，通过控制操纵器72控制可见光摄像机2的缩放和调焦，使画面清晰，在视频中选择异物目标，控制操纵器自动计算脱靶量并通过控制操纵器72发送指令到二维旋转机构5，最后启动测距系统3，获取实时距离参数并显示在显示终端71上。

如图5所示，准备工作前，将co2激光烧蚀装置安装在小型运输车上。在车辆行驶过程中，发现高压输电线上的异物目标。按照距离确定停车位置(一般大于20m)，将co2激光烧蚀装置的出光位置调整到大致朝向待清除异物。

然后打开整个设备的总电源，按下“可见光摄像机”按钮，给可见光摄像机2供电，观察显示终端71内的实时视频，手动调节二维旋转机构5，使目标大致处于视频的中间区域，调节控制操纵器72上的“缩放”按钮及“调焦”按钮，在显示终端71内的实时视频中框选异物目标，控制操纵器计算脱靶量(框选中心与视频中心的相对二维位移量)，并控制二维旋转机构5自动调节，使目标位于视频中心。按下“测距”按钮，测距系统3开始测距，测距完成后，显示“测距完成”后得出距离参数并显示。然后按下“烧灼光对焦”，调节调焦负透镜1222的位置，显示“对焦完成”后，根据距离参数设定烧蚀激光的能量参数。按下“开始烧蚀”按钮，co2激光器11发射高能激光，观测显示终端71内的实时视频，微调二维旋转机构5，跟进烧蚀位置。观察到异物燃烧脱落，按下“停止烧蚀”按钮，关闭设备总电源，最终完成异物清除。

本发明可应用于远距离、非接触清除悬挂于高压输电线上的非金属异物，采用了特殊的光机电结构型式实现了远距离异物的搜索、锁定及清除，确保装置价位相对较为低廉，可实现度高，并确保了人机安全。