本发明涉及接触网技术领域，具体涉及一种适用于接触网运行环境安全状态检测的装置及方法。
背景技术：
目前，电气化铁路火车运行依旧采用受电弓以滑动摩擦方式从接触网上获取持续电能。接触网运行环境安全状态直接影响着火车运行安全。
现有接触网运行环境检测主要基于图像视觉技术，如铁路总公司颁布的《高铁供电安全检测监测系统(6C系统)总体技术规范》。其中2C部分是采用视觉技术完成接触网检测，2C系统主要是将视觉采集设备架设在火车驾驶室内，传感器通过火车车窗接收到外界图像信号，随着火车的运行，图像采集装置能够将沿线接触网情况摄录下来，并保存于本地硬盘。由于火车驾驶室狭小，采集装置拆卸及安装都不够便捷。同时也干扰驾驶员行车安全，当遇到逆光、雨雪等环境影响图像采集质量。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种适用于接触网运行环境安全状态检测的装置及方法，可以永久固定在火车上，不需要临时安装及拆卸，且避免使用视觉采集设备，以排除天气变化的影响。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种适用于接触网运行环境安全状态检测的装置，主要由激光雷达矩阵、数据采集及处理模块、接触网距离数据输出模块、点云生成模块、侵限物体识别模块和GPS定位模块组成；所述激光雷达矩阵的所有激光雷达均通讯连接于所述数据采集及处理模块，所述接触网距离数据输出模块分别通讯连接于所述数据采集及处理模块和点云生成模块，所述侵限物体识别模块通讯连接于所述点云生成模块；
所述激光雷达矩阵中，每行横向排列的激光雷达与水平面分别呈设定的夹角，使得每行横向排列的所有激光雷达的扫描范围加起来能够覆盖接触网扫描截面；每列纵向排列的所有激光雷达与水平面的夹角相同；
所述数据采集及处理模块用于采集激光雷达矩阵中每个激光雷达的发射信号和回波信号，并据此计算出接触网扫描截面与激光雷达矩阵的距离；
所述接触网距离数据输出模块用于将数据采集及处理模块计算得到的距离数据传输至点云生成模块；
所述点云生成模块用于根据接触网距离数据输出模块传输的距离数据进行点云生成，得到重建的接触网三维效果；
侵限物体识别模块用于存储包括常见的侵限物体特征在内的大数据，并根据重建的接触网三维效果和大数据的对比进行侵限物体的种类的识别。
进一步地，还包括有GPS定位模块，GPS定位模块通讯连接于所述侵限物体识别模块，用于定位当前的地理位置信息，并与侵限物体识别的结果一并输出。
进一步地，所述激光雷达矩阵为5×5激光雷达矩阵。
更进一步地，每行横向排列的五个激光雷达与水平面的夹角依次为30°、60°、90°、120°、150°。
进一步地，数据采集及处理模块采用FPGA+DSP双处理结构，其中，FPGA用于时序信号的产生、信号采集芯片的驱动、控制命令的收发；而DSP则主要是用于高速信号的提取和处理。
利用上述适用于接触网运行环境安全状态检测的装置进行接触网运行环境安全状态检测的方法，包括如下步骤：
S1激光雷达矩阵上的雷达对火车上方接触网可能存在的位置进行快速扫描；
S2所述数据采集及处理模块接收激光雷达矩阵上每个激光雷达的发射信号和回波信号，计算出接触网扫描截面与激光雷达矩阵的距离，并判断该接触网扫描截面与激光雷达矩阵的距离是否处于正常的范围之内，如果不是，则说明该接触网运行环境异常现象有概率发生；
S3数据采集及处理模块计算得出的接触网扫描截面与激光雷达矩阵的距离由接触网距离数据输出模块传输至点云生成模块；
S4所述点云生成模块根据接触网距离数据输出模块传输的当前接触网扫描截面与激光雷达矩阵的距离进行点云生成，得到重建的接触网三维效果；
S5侵限物体识别模块将重建的接触网三维效果与所存储的大数据进行对比，识别出侵限物体的种类并输出。
需要说明的是，步骤S5中，还通过GPS定位模块定位当前地理位置信息发送至侵限物体识别模块，与识别得到的侵限物体种类一并输出。
需要说明的是，步骤S2的具体步骤如下：
2.1)假设f为调制频率，N为光波往返过程的整数周期，为总的相位差，则间隔时间t还可以表示为：
则接触网扫描截面与激光雷达矩阵的距离D为：
2.2)定义为测尺或刻度，为余尺；
则：
D＝L(N+ΔN)
因为L是已知的，所以只需要求出N和ΔN，就可得知目标距离D；ΔN可以通过测量得到，N＝0，此时测距结果是唯一的：
2.3)经过以上测算，距离D具有唯一性，因为铁路接触运行环境相对固定，接触网与列车的距离即与激光雷达矩阵的距离在正常情况下应当在固定的位置区间内，当所测得D值出现明显异常，即可判断接触网运行环境异常现象有概率发生。
本发明的有益效果在于：
1、本发明可以直接架设在火车顶部，随车进行接触网运行环境检测，使用便捷，实现无人监控、无人检测，激光矩阵排列有序，模块化设计大大降低施工难度。
2、激光雷达矩阵实现采样无间隔，重复数据互相校对，容错率极低。
附图说明
图1为本发明实施例的装置结构示意图；
图2为本发明实施例的激光雷达矩阵的排列示意图；
图3为本发明实施例的激光雷达矩阵的工作示意图；
图4为本发明实施例的激光雷达矩阵时序图；
图5为本发明实施例的腕臂结构异常分析示意图；
图6为本发明实施例的相位测量原理示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，以下实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。
本实施例的一种适用于接触网运行环境安全状态检测的装置，采用激光雷达矩阵设计，激光雷达矩阵发出脉冲激光，能够将接触网范围全覆盖，通过回波信号能够精确测算出接触网扫描截面距激光雷达矩阵的距离。然后将大量测距数据生成3D点云，在计算机中重现接触网三维信息，其后根据接触网结构特性进行信息对比，及时发现接触网运行环境中的侵限物体，如危树、鸟窝等情况。具体为：
如图1所示，一种适用于接触网运行环境安全状态检测的装置，主要由激光雷达矩阵、数据采集及处理模块、接触网距离数据输出模块、点云生成模块、侵限物体识别模块和GPS定位模块组成。
如图2-4所示，在本实施例中，所述激光雷达矩阵由5×5激光雷达组成，每行横向排列的五个激光雷达与水平面的夹角依次为30°、60°、90°、120°、150°；每列纵向排列的五个激光雷达与水平面的夹角相同。每行横向排列的五个激光雷达投射出激光扫描信号并进行拼接处理，使之能够覆盖接触网扫描截面。激光雷达对火车上方接触网可能存在的位置进行快速扫描，获得回波信号之后发送至数据采集及处理模块，数据采集及处理模块根据激光雷达的发射信号和回波信号的对比，计算出当前接触网接触网扫描截面距激光雷达矩阵的距离，并判断该接触网扫描截面与激光雷达矩阵的距离是否处于正常的范围之内，如果不是，则说明该接触网运行环境异常现象有概率发生。
本实施例所选用的激光雷达测量范围180°，可在100000lx光强下工作，且扫描角分辨率高达0.1°，频率高达600-800Hz，当火车以250km运行时，单次扫描间隔为80mm，提高检测频率，纵向排列的激光雷达可实现对当前接触网距离进行等间隔分时循环采样，同时进一步提高测量频率，使生成的点云画面完整，无漏采集数据。
数据采集及处理模块作为整个装置的数据及时序控制的核心部分，采用FPGA+DSP双处理结构，其中，FPGA用于时序信号的产生、信号采集芯片的驱动、控制命令的收发；而DSP则主要是用于高速信号的提取和处理。数据采集及处理模块计算出当前接触网接触网扫描截面距激光雷达矩阵的距离之后，判断该接触网扫描截面与激光雷达矩阵的距离是否处于正常的范围之内，如果不是，则说明该接触网运行环境异常现象有概率发生。此时由接触网距离数据输出模块通过RS485串行接口输出到点云生成模块进行点云生成，得到重建的接触网三维效果，然后由侵限物体识别模块进行侵限物体的种类识别。
当发现有侵限物体时，通过GPS定位模块定位当前地理位置信息并传输至侵限物体识别模块中与侵限物体的种类信息一并输出，以便铁路工作人员及时定位，准确抵达，快速排出故障。
如图6所示，利用激光雷达发射的调制光和被目标反射的接收光之间光强的相位差包含的距离信息来实现被测距离的测量。回波的延迟产生了相位的延时，测量出相位差就得到了目标距离。
其中，t表示间隔时间，D表示目标距离，c为相位差。
假设f为调制频率，N为光波往返过程的整数周期，为总的相位差。则间隔时间t还可以表示为：
则：
定义为测尺或刻度，为余尺；
则：
D＝L(N+ΔN)
因为L是已知的，所以只需要求出N和ΔN，就可得知目标距离D。ΔN可以通过测量得到，N＝0，此时测距结果是唯一的。
所得测距D值具有唯一性，因为铁路接触运行环境相对固定，即接触网与列车的距离(即与激光雷达矩阵的距离)正常情况应当在固定的位置区间内，当所测得D值出现明显异常，即可判断接触网运行环境异常现象有概率发生；此时可以重复进行多次测试，最终确定事件是否发生。如图6所示。
进行侵限物体种类的识别时，具体是将重建的接触网三维效果与侵限物体识别模块中的大数据(包含各种常见侵限物体的特征)进行智能对比，根据常见侵限物体特征判断出侵限物体种类。
对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，给出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形，都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。