专利名称：实时雷击定位系统及定位方法
技术领域：
本发明涉及雷击定位，特别是一种用于现有高压输电线网的基于光纤复合架空地线的实时雷击定位系统及定位方法。他是利用雷击导致光纤复合架空地线中传输激光的偏振态发生变化的原理对雷击输电线路事件实现较为精确的实时定位。
背景技术：
电力行业作为我国国民经济的支柱，每年由于雷击灾害无法及时定位修理而给国家造成巨额经济损失，如何准确迅速定位雷击一直是各个国家的研究热点。雷电放电会产生光、声音和电磁波，目前实用化的雷击故障定位大都采用测定放电辐射的电磁波，传统的雷击定位技术主要用于气象学。判断落雷地点一般有以下两种方法1、定向定位。定向定位要利用两个和两个以上探测站以正交环形磁场天线同时测定落雷点与探测站连线的方位角，两个探测站获得两个方位角，用球面三角交会确定落雷点，由于利用磁场天线，常称为磁场定向定位；2、时差定位。时差定位是通过监测落雷点电磁波信号峰值到达探测站相对时间差，在球面上建立双曲线，3个探测站能产生两条双曲线，其交点即为落雷点位置。
以上两种传统雷击定位方法的定位精度约为1000m，对于高压输电线的雷击定位都具有针对性不强，且精度与响应速度都无法达到要求的缺点，电力领域需要针对输电线路的雷击定位的新技术。
技术内容本发明的目的是提供一种基于光纤复合架空地线的实时雷击定位系统及定位方法，该系统的定位精度应能够达到500m，能更加准确迅速地对雷击输电线的位置进行远程测定，要有效降低定位系统的建立成本。
本发明的设计思想是通过检测雷击处光波的偏振态变化来捕捉雷击输电线事件，解决表征光波偏振态的4个斯托克斯参数的高速实时检测的问题，解决光波偏振态的信号处理与分析的问题，通过4通道同时捕捉光波的4个斯托克斯参数的变化并通过特殊的算法来得出雷击处光波偏振态的变化的dβ=(dS1dt)2+(dS2dt)2+(dS3dt)2,]]>其中S1、S2、S3分别为偏振光的斯托克斯参数以时间t为变量的函数，该算法能够大幅度提高系统对于雷击事件判断的准确度以及对于雷击定位的精度。
本发明的技术解决方案如下一种用于高压输电线网的基于光纤复合架空地线的实时雷击定位系统，其特征在于包括一套光电接收系统及信号处理系统，该光电接收系统及信号处理系统的输出端接所述的光纤复合架空地线的第一光纤的近端，该光电接收系统及信号处理系统的输入端接光纤复合架空地线的第二光纤的近端，所述的第一光纤和第二光纤的远端串连一延迟光纤，所述的光电接收系统及信号处理系统按信号的传输过程为序的构成依次是第二光纤、分束器，该分束器的四个输出端分接四个组件，每个组件由四分之一波片、检偏器和光电检测器串连而成，四个光电检测器的输出端接到一采集系统的输入端，该采集系统的输出端接计算机的输入端，该计算机的一个输出端接所述的采集系统的第五输入端，所述的计算机的第二输出端接激光电源的控制端，该激光电源接激光器供给电源，该激光器输出的激光经起偏器接所述的第一光纤的近端。
所述的四组四分之一波片和检偏器的角度组合分别为(0°，45°)、(0°，135°)、(0°，0°)和(45°，45°)。
利用本发明所述的实时雷击定位系统检测雷击地点的定位方法，其特征在于包括下列步骤①平时，启动所述的实时雷击定位系统，计算机发出控制信号，由激光器)发出的激光经起偏器产生一个线偏振光经第一光纤、延迟光纤、第二光纤、分束器，分成四束激光分别经所述的四个组件而被四个光电检测器接收后经采集系统输入计算机，记录激光全程传输的时间为T0秒，并存入计算机；②雷击时，所述的光纤复合架空地线雷击处的激光偏振态发生变化，偏振光的斯托克斯参数也发生变化，计算机将采集到第一光纤和第二光纤产生的两个偏振态变化的信号的时间差为Td秒，则雷击处至实时雷击定位系统的距离为L0＝(T0-Td)V0/2式中V0为激光在光纤中的传输速度，V0＝2.081×108(m/s)。
同现有的基于气象学的雷击定位技术相比，本发明具有以下技术特点1.检测媒介为现有电网中的光纤复合架空地线，只需在现有电网上进行改造即可实现雷击的实时精确定位，对雷击输电线事件定位的针对性强，且降低了定位系统的建立成本。
2.采用多通道(4通道)同时测量表征偏振光偏振态的4个斯托克斯参数，与常规偏振态测量相比，不涉及到检偏器的转动以及1/4波片的插入、转动等机械运动，从而较大幅度的提高了检测速度与精度。
3.采用综合考虑偏振光的4个斯托克斯参数变化的方法来确定雷击造成光波偏振态的变化，排除了光波由于在非保偏光纤中传输以及外界干扰所带来的传输光波偏振态的随机变化对于定位测量所造成的影响。
4、经试用表明，本发明还具有响应快、精度高、对高压输电线路系统的针对性强、成本低等优点。
图1是本发明基于光纤复合架空地线的实时雷击定位系统的安装设置原理图。
图2是本发明的光电接收与信息处理系统结构示意图。
图3是信号处理算法中所涉及到的表征偏振态变化的dβ的示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1和图2，由图可见，本发明用于高压输电线网的基于光纤复合架空地线的实时雷击定位系统，包括一套光电接收系统及信号处理系统1，该光电接收系统及信号处理系统1的输出端接所述的光纤复合架空地线2的第一光纤3的近端，该光电接收系统及信号处理系统1的输入端接光纤复合架空地线2的第二光纤4的近端，所述的第一光纤3和第二光纤4的远端串连一延迟光纤6，所述的光电接收系统及信号处理系统1按信号的传输过程为序的构成依次是第二光纤4、分束器11，该分束器11的四个输出端分接四个组件，每个组件由四分之一波片12、检偏器13和光电检测器14串连而成，四个光电检测器14的输出端接到一采集系统15的输入端，该采集系统15的输出端接计算机16的输入端，该计算机16的一个输出端接所述的采集系统15的第五输入端，所述的计算机16的第二输出端接激光电源17的控制端，该激光电源17接激光器18供给电源，该激光器18输出的激光经起偏器19接所述的第一光纤3的近端。
本发明的工作过程是从光电接收系统及信号处理系统1中发出的完全偏振光经耦合进入光纤复合架空地线2中的第一光纤3，在光纤复合架空地线2的另一端经延迟光纤6后沿光纤复合架空地线中的第二光纤4返回，当雷击5发生在光纤复合架空地线2上后，由于法拉第效应，两根光纤中的光波在雷击处会同时发生偏振态变动7，测量出两处偏振态变动7之间的时间差Td，即可通过公式L0＝(T0-Td)v0/2得到雷击点与测量点处的距离L0，其中v0为激光在光纤中的传输速度2.081×108(m/s)，T0为激光从入射端到受光端所需总的时长，该值可通过在入射端发送一个激光脉冲随后在受光端测量预先得到。通过延迟光纤6后返回的激光重新耦合进入雷击定位系统1对返回的激光信号进行处理后将结果输入电脑。图中的光纤复合架空地线2通过接地装置8实现对地导通。
光电接收与信号处理系统1原理如图2所示，被测光波通过1/4功率分束器11后等分为4束，对4束光波用4个通道同时进行测量，从而达到高速测量光波偏振态实现对雷击信号的判断。激光器18发出的光束经过起偏器19变为完全偏振的线偏振光耦合进入光纤复合架空地线中的第一光纤3，在光纤复合架空地线的另一端经延迟光纤6后沿光纤复合架空地线中的第二光纤4返回，光束经过1/4功率分束器11后被等分为4束后分别经过4组不同角度的四分之一波片12与检偏器13的组合，4组四分之一波片12与检偏器13角度组合分别为(0°，45°)、(0°，135°)、(0°，0°)、(45°，45°)，之后被4个光电探测器14接收，分别得出光波的4个斯托克斯参数为 式中I为光电探测器探测到的光波的能量值。其中S0、S1、S2、S3为无量纲的量。
光电探测器14将光信号转化为电信号后将模拟电信号传入信号处理与采集系统15，处理好的信号被传入计算机16，通过公式dβ=(dS1dt)2+(dS2dt)2+(dS3dt)2]]>求出表征雷击引起的光波偏振态变化7的dβ23，测得两个dβ之间的时间差Td进而最后得出雷击点与测量点之间的距离，计算机16同时发出指令控制信号处理与采集系统15以及激光器电源17，从而实现整个系统的全自动工作。信号处理算法中所取的表征偏振态变化的dβ如图3所示。
本发明用于高压输电线网的基于光纤复合架空地线的实时雷击定位系统的定位精度能够达到500m，能更加准确迅速地对雷击输电线的位置进行远程测定，并且充分利用了现有电网中的光纤复合架空地线，从而有效降低了定位系统的建立成本。该项目的实施不但填补了国内在该领域的空白，而且能够推动现代光电子产业在传统电力行业之中的应用。
权利要求
1.一种用于高压输电线网的基于光纤复合架空地线的实时雷击定位系统，其特征在于包括一套光电接收系统及信号处理系统(1)，该光电接收系统及信号处理系统(1)的输出端接所述的光纤复合架空地线(2)的第一光纤(3)的近端，该光电接收系统及信号处理系统(1)的输入端接光纤复合架空地线(2)的第二光纤(4)的近端，所述的第一光纤(3)和第二光纤(4)的远端串连一延迟光纤(6)，所述的光电接收系统及信号处理系统(1)按信号的传输过程为序的构成依次是第二光纤(4)、分束器(11)，该分束器(11)的四个输出端分接四个组件，每个组件由四分之一波片(12)、检偏器(13)和光电检测器(14)串连而成，四个光电检测器(14)的输出端接到一采集系统(15)的输入端，该采集系统(15)的输出端接计算机(16)的输入端，该计算机(16)的一个输出端接所述的采集系统(15)的第五输入端，所述的计算机(16)的第二输出端接激光电源(17)的控制端，该激光电源(17)接激光器(18)供给电源，该激光器(18)输出的激光经起偏器(19)接所述的第一光纤(3)的近端。
2.根据权利要求1所述的实时雷击定位系统，其特征在于所述的四组四分之一波片(12)和检偏器(13)的角度组合分别为(0°，45°)、(0°，135°)、(0°，0°)和(45°，45°)。
3.利用权利要求1所述的实时雷击定位系统检测雷击地点的定位方法，其特征在于包括下列步骤①平时，启动所述的实时雷击定位系统，计算机(16)发出控制信号，由激光器(18)发出的激光经起偏器(19)产生一个线偏振光经第一光纤(3)、延迟光纤(6)、第二光纤(4)、分束器(11)，分成四束激光分别经所述的四个组件而被四个光电检测器(14)接收后经采集系统(15)输入计算机(16)，记录激光全程传输的时间为T0秒，并存入计算机(16)；②雷击时，所述的光纤复合架空地线(2)雷击处的激光偏振态发生变化，偏振光的斯托克斯参数也发生变化，计算机(16)将采集到第一光纤(3)和第二光纤(4)产生的两个偏振态变化的信号的时间差为Td秒，则雷击处至实时雷击定位系统的距离为L0＝(T0-Td)V0/2式中V0为激光在光纤中的传输速度，V0＝2.081×108(m/s)。
全文摘要
一种用于高压输电线网的基于光纤复合架空地线的实时雷击定位系统及定位方法。本发明装置由激光器、分光镜、1/4波片、起偏器、光电二极管、数据采集处理系统、数据处理软件所组成。本发明通过高速测量由雷击造成的光波偏振态的变化来实现雷击输电线路的甄别与定位，有效降低了外界以及系统内部的干扰，提高了系统的定位精度；本发明具有响应快、精度高、对高压输电线路系统的针对性强、成本低等优点。
文档编号G01D5/353GK1987526SQ20061014748
公开日2007年6月27日 申请日期2006年12月19日 优先权日2006年12月19日
发明者覃兆宇, 程兆谷, 张志平 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所