本发明涉及输电线路测量技术领域，尤其涉及一种架空输电线路导地线覆冰测量系统及方法。
背景技术：
随着国家电网的大力发展，当前架空输电线路作为电网的重要组成部分，已经遍布全国各地。随着气候的不断变化，除了在我国北部地区会出现严重的冰冻雨雪天气外，我国南部地区近年来也遭受了严重的冰冻雨雪凝冻灾害。当架空输电线路遭受冰冻雨雪凝冻灾害后，容易出现线路跳闸、断线和倒塔等事故，给全国各地的电力系统的安全稳定运行和电力供应带来极大的影响和威胁。输电线路覆冰现象在输变电系统中十分普遍,覆冰会引起导线舞动、杆塔倾斜倒塌、断线及绝缘子闪络等问题，给生产和生活带来极大的不便，同时也造成了巨大的经济损失。我国地域广阔，地形复杂,是遭受覆冰灾害最严重的国家之一。
对架空输电线路进行覆冰状态的检测可以准确、详实的记录覆冰过程，在严重覆冰灾害发生前调度电网负荷，启动融冰设备，有效避免灾害的发生，具有重要意义。线路覆冰冰层的厚度很难直接得到，一般都采用间接测量方法，通过厚度和其它量的关系间接得到。检测方法一般包括多种：例如，用千分尺、米尺等量器具测量冰层的特征尺寸；或者，称取一段导线上的覆冰质量，折算出单位长度导线上的覆冰质量，再用设计时所用计算公式算出导线的平均等价覆冰厚度；或者，线路覆冰后，导线上的荷重产生一个增量，这个增量即为覆冰的质量，与冰样称重检测相似，可以按公式折算成线路设计冰质厚度；或者，导线倾角弧垂法；或者，在杆塔等设备上安装视频装置，拍摄导线上的覆冰图像,通过图像处理技术，获取覆冰导线的特征尺寸，然后通过模型计算，最终得到等效覆冰厚度；或者，例如光纤传感器、电阻电容检测、激光测量等仪器检测方式。
然而，当前的覆冰测量方式大多需要操作人员携带测量仪器爬塔测量，较为繁琐复杂，且较为危险；另外，间接测量的方式也使得覆冰测量的结果不够准确。
技术实现要素：
本发明的实施例提供一种架空输电线路导地线覆冰测量系统及方法，以解决当前的覆冰测量方式大多需要操作人员携带测量仪器爬塔测量，较为繁琐复杂，且较为危险，且现有各种间接测量的方式也使得覆冰测量的结果不够准确的问题。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种架空输电线路导地线覆冰测量系统，包括：多旋翼飞行装置、飞行装置控制器、地面监控装置；所述多旋翼飞行装置下端连接有电磁波测量装置；所述多旋翼飞行装置、飞行装置控制器、地面监控装置两两无线通信连接；所述电磁波测量装置与所述地面监控装置和飞行装置控制器分别通信连接；
所述飞行装置控制器，用于向多旋翼飞行装置发送飞行控制指令，以使得多旋翼飞行装置飞行至覆冰后的架空输电线路导地线处；
所述飞行装置控制器，还用于向电磁波测量装置发送测量指令；
所述电磁波测量装置，用于向覆冰后的架空输电线路导地线发射电磁波信号，并接收覆冰后的架空输电线路导地线的电磁波反射信号；根据所述电磁波反射信号和电磁波信号形成中频处理信号，并将所述中频处理信号发送至所述地面监控装置；
所述地面监控装置，用于根据所述中频处理信号，确定架空输电线路导地线覆冰厚度。
具体的，所述电磁波测量装置包括控制器电路、发射天线和接收天线；所述控制器电路包括信号收发模块和中频信号处理模块；所述信号收发模块包括压控振荡器、第一带通滤波器、功分器、第一放大器、第二放大器、第三放大器、第二带通滤波器以及低噪声放大器；所述中频信号处理模块包括混频器、低通滤波器和中频处理电路；
所述压控振荡器、第一带通滤波器、功分器和第一放大器依次串接后，所述第一放大器的输出端连接所述发射天线；
所述压控振荡器、第一带通滤波器、功分器和第二放大器依次串接后，所述第二放大器的输出端连接所述混频器的一输入端；
所述接收天线与所述低噪声放大器、第二带通滤波器和第三放大器依次串接后，所述第三放大器的输出端连接所述混频器的另一输入端；
所述混频器的输出端、所述低通滤波器和中频处理电路依次串接。
另外，所述电磁波测量装置，具体用于：
向所述压控振荡器输入预设的调制电压，以通过压控振荡器产生线性调频信号；
将所述线性调频信号输入到第一带通滤波器，进行滤波处理，并输入到所述功分器；
通过所述功分器形成第一部分信号和第二部分信号，所述第一部分信号经过第一放大器放大处理后，经过所述发射天线向外发射，形成电磁波信号；
通过所述接收天线接收所述电磁波反射信号，经过低噪声放大器、第二带通滤波器和第三放大器依次处理后，与所述第二部分信号输入到混频器，并通过所述混频器进行混频处理，再通过所述低通滤波器进行低通滤波处理，再通过所述中频处理电路形成中频处理信号。
另外，所述地面监控装置，具体用于：
根据所述中频处理信号，获知发射天线发射电磁波信号到接收天线接收电磁波反射信号的信号传播时长；
根据公式：
一种架空输电线路导地线覆冰测量方法，应用于上述的架空输电线路导地线覆冰测量系统，所述方法包括：
飞行装置控制器向多旋翼飞行装置发送飞行控制指令，以使得多旋翼飞行装置飞行至覆冰后的架空输电线路导地线处；
所述飞行装置控制器向电磁波测量装置发送测量指令；
所述电磁波测量装置向覆冰后的架空输电线路导地线发射电磁波信号，并接收覆冰后的架空输电线路导地线的电磁波反射信号；根据所述电磁波反射信号和电磁波信号形成中频处理信号，并将所述中频处理信号发送至所述地面监控装置；
所述地面监控装置根据所述中频处理信号，确定架空输电线路导地线覆冰厚度。
具体的，所述电磁波测量装置包括控制器电路、发射天线和接收天线；所述控制器电路包括信号收发模块和中频信号处理模块；所述信号收发模块包括压控振荡器、第一带通滤波器、功分器、第一放大器、第二放大器、第三放大器、第二带通滤波器以及低噪声放大器；所述中频信号处理模块包括混频器、低通滤波器和中频处理电路；
所述压控振荡器、第一带通滤波器、功分器和第一放大器依次串接后，所述第一放大器的输出端连接所述发射天线；
所述压控振荡器、第一带通滤波器、功分器和第二放大器依次串接后，所述第二放大器的输出端连接所述混频器的一输入端；
所述接收天线与所述低噪声放大器、第二带通滤波器和第三放大器依次串接后，所述第三放大器的输出端连接所述混频器的另一输入端；
所述混频器的输出端、所述低通滤波器和中频处理电路依次串接。
具体的，所述电磁波测量装置向覆冰后的架空输电线路导地线发射电磁波信号，包括：
向所述压控振荡器输入预设的调制电压，以通过压控振荡器产生线性调频信号；
将所述线性调频信号输入到第一带通滤波器，进行滤波处理，并输入到所述功分器；
通过所述功分器形成第一部分信号和第二部分信号，所述第一部分信号经过第一放大器放大处理后，经过所述发射天线向外发射，形成电磁波信号。
具体的，接收覆冰后的架空输电线路导地线的电磁波反射信号；根据所述电磁波反射信号和电磁波信号形成中频处理信号，包括：
通过所述接收天线接收所述电磁波反射信号，经过低噪声放大器、第二带通滤波器和第三放大器依次处理后，与所述第二部分信号输入到混频器，并通过所述混频器进行混频处理，再通过所述低通滤波器进行低通滤波处理，再通过所述中频处理电路形成中频处理信号。
具体的，所述根据所述中频处理信号，确定架空输电线路导地线覆冰厚度，包括：
根据所述中频处理信号，获知发射天线发射电磁波信号到接收天线接收电磁波反射信号的信号传播时长；
根据公式：
本发明实施例提供的一种架空输电线路导地线覆冰测量系统及方法，通过飞行装置控制器向多旋翼飞行装置发送飞行控制指令，以使得多旋翼飞行装置飞行至覆冰后的架空输电线路导地线处；之后飞行装置控制器向电磁波测量装置发送测量指令；从而电磁波测量装置向覆冰后的架空输电线路导地线发射电磁波信号，并接收覆冰后的架空输电线路导地线的电磁波反射信号；根据所述电磁波反射信号和电磁波信号形成中频处理信号，并将所述中频处理信号发送至所述地面监控装置；从而地面监控装置根据所述中频处理信号，确定架空输电线路导地线覆冰厚度。可见，通过本发明可以实现远程电磁波探测输电线路导地线覆冰测量，而无需操作人员亲自爬塔进行测量，同时采用电磁波探测的结果更为准确，避免了当前的覆冰测量方式大多需要操作人员携带测量仪器爬塔测量，较为繁琐复杂，较为危险，且间接测量的方式也使得覆冰测量的结果不够准确的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种架空输电线路导地线覆冰测量系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的电磁波测量装置的结构示意图；
图3为本发明实施例中的测量环境示意图；
图4为本发明实施例中的多旋翼飞行装置的结构示意图；
图5为本发明实施例中的发射天线涉及的微分结构示意图；
图6为本发明实施例中的接收天线的采样原理示意图；
图7为本发明实施例提供的一种架空输电线路导地线覆冰测量方法的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供一种架空输电线路导地线覆冰测量系统10，包括：多旋翼飞行装置11、飞行装置控制器12、地面监控装置13；所述多旋翼飞行装置11下端连接有电磁波测量装置14；所述多旋翼飞行装置11、飞行装置控制器12、地面监控装置13两两无线通信连接；所述电磁波测量装置14与所述地面监控装置13和飞行装置控制器12分别通信连接。
该飞行装置控制器12用于向多旋翼飞行装置11发送飞行控制指令，以使得多旋翼飞行装置11飞行至覆冰后的架空输电线路导地线20处。
该飞行装置控制器12还用于向电磁波测量装置14发送测量指令。
该电磁波测量装置14用于向覆冰后的架空输电线路导地线20发射电磁波信号，并接收覆冰后的架空输电线路导地线20的电磁波反射信号；根据所述电磁波反射信号和电磁波信号形成中频处理信号，并将所述中频处理信号发送至地面监控装置13。
该地面监控装置13用于根据所述中频处理信号，确定架空输电线路导地线覆冰厚度。
具体的，如图2所示，所述电磁波测量装置14包括控制器电路31、发射天线32和接收天线33；所述控制器电路31包括信号收发模块301和中频信号处理模块302；所述信号收发模块301包括压控振荡器303、第一带通滤波器304、功分器305、第一放大器306、第二放大器307、第三放大器308、第二带通滤波器309以及低噪声放大器310；所述中频信号处理模块302包括混频器311、低通滤波器312和中频处理电路313。
所述压控振荡器303、第一带通滤波器304、功分器305和第一放大器306依次串接后，所述第一放大器307的输出端连接所述发射天线32。
所述压控振荡器303、第一带通滤波器304、功分器305和第二放大器307依次串接后，所述第二放大器307的输出端连接所述混频器311的一输入端。
所述接收天线33与所述低噪声放大器310、第二带通滤波器309和第三放大器308依次串接后，所述第三放大器308的输出端连接所述混频器311的另一输入端；
所述混频器311的输出端、所述低通滤波器312和中频处理电路313依次串接。
另外，所述电磁波测量装置14，具体用于：
向所述压控振荡器303输入预设的调制电压，以通过压控振荡器303产生线性调频信号。其中，调制电压的斜率决定了线性调频信号的调频率，而调制电压的电平值的范围决定了线性调频信号的带宽。
将所述线性调频信号输入到第一带通滤波器304，进行滤波处理，并输入到所述功分器305。
通过所述功分器305形成第一部分信号和第二部分信号，所述第一部分信号经过第一放大器306放大处理后，经过所述发射天线32向外发射，形成电磁波信号。
通过所述接收天线33接收覆冰后的架空输电线路导地线20的电磁波反射信号，经过低噪声放大器310、第二带通滤波器309和第三放大器308依次处理后，与所述第二部分信号输入到混频器311，并通过所述混频器311进行混频处理，再通过所述低通滤波器312进行低通滤波处理，再通过所述中频处理电路313形成中频处理信号。
另外，在接收天线33接收覆冰后的架空输电线路导地线20的电磁波反射信号时，需要进行fir(finiteimpulseresponse，有限长单位冲激响应)滤波、背景消除、自动增益以及偏移处理。fir滤波是指在时间域对电磁波反射信号进行fir滤波，去除装置工作频带外的干扰信号。背景消除是指采用平均法、滑动平均法等去除由于多旋翼飞行装置干扰引起的固定杂波信号，提取导地线返回的电磁波反射信号的有用信息。自动增益是指目标电磁波反射信号微弱，通过自动增益处理提高电磁波反射信号幅度；偏移处理是指通过偏移处理，使导地线及其覆冰的电磁波反射信号自动归位到其真实空间位置上。
另外，对于上述控制器电路31要求其系统功耗小、体积小、重量轻、产生的时基信号和各类控制信号稳定。一般利用现场可编程门阵列(field-programmablegatearray，简称fpga)进行轻量化和低功耗的设计。
另外，所述地面监控装置13，具体用于：
根据所述中频处理信号，获知发射天线32发射电磁波信号(可采用60°至90°的波束角向外发射高频电磁波信号)到接收天线33接收电磁波反射信号的信号传播时长。
根据公式：
具体的，该公式
假设收发天线间距为d，架空输电线路导地线覆冰厚度为h，如图3所示，则接收到电磁波反射信号的时间为：
其中，v为电磁波在覆冰介质中的传播速度：
式中，c为电磁波在真空中的传播速度；ε为覆冰介质的相对介电常数。
由于，通常情况下d＜＜h(d远远小于h)，可忽略d，则获得目标深度计算公式：
此处，值得说明的是，如图4所示，该多旋翼飞行装置11可以包括多个共轴旋翼结构110、机身结构112、起落架结构113；该共轴旋翼结构110的数量可以为4个、6个或8个(在图4中以6个为例)，这样，多旋翼飞行装置11可以实现垂直起降、悬停和原位转向等高难度动作。所述共轴旋翼结构110连接所述机身结构112，所述机身结构112连接所述起落架结构113。进一步的，所述机身结构112包括一飞行器平台结构(图4中未示出)；所述飞行器平台结构上还连接有电磁波测量装置14(图4中未示出)。该多旋翼飞行装置11可通过机载控制计算机、姿态传感器系统、位置传感器等组成实现。其中机载控制计算机可以采用stm32系统处理器；姿态传感器系统主要可以采用惯性测量元件和电子罗盘；位置传感器可以采用全球定位系统gps(globalpositionsystem)和高度传感器声纳组成；飞行装置控制器可以由伺服控制系统组成，伺服控制系统可以由rc(radiocontroller，无线控制器)遥控器、接收机和伺服舵机等组成。
另外，该发射天线32可以采用功率毫微秒脉冲信号发射机技术，对于毫微秒脉冲信号产生，可以采用如阶跃恢复二极管(srd，superfastrecoverydiode)器件、可控硅整流器件(scr，siliconcontrolledrectifier)及场效应管(fet，fieldeffecttransistor)等特种元器件，设计出微分结构(如图5所示)和marx级联结构等电路结构，提高毫微秒脉冲发射机输出脉冲幅度。
另外，该接收天线33可以采用高灵敏度接收机技术，即可以采用等效取样方式重建电磁波反射信号。等效取样是一种变换取样，利用了接收信号的周期性特点或准周期重复特点，在每个周期内仅进行一次或若干次取样，经过信号的多个重复的周期之后，获得能够重建信号一个周期内波形的所有样本。接收天线33的采样原理如图6所示。
本发明实施例提供的一种架空输电线路导地线覆冰测量系统，通过飞行装置控制器向多旋翼飞行装置发送飞行控制指令，以使得多旋翼飞行装置飞行至覆冰后的架空输电线路导地线处；之后飞行装置控制器向电磁波测量装置发送测量指令；从而电磁波测量装置向覆冰后的架空输电线路导地线发射电磁波信号，并接收覆冰后的架空输电线路导地线的电磁波反射信号；根据所述电磁波反射信号和电磁波信号形成中频处理信号，并将所述中频处理信号发送至所述地面监控装置；从而地面监控装置根据所述中频处理信号，确定架空输电线路导地线覆冰厚度。可见，通过本发明可以实现远程电磁波探测输电线路导地线覆冰测量，而无需操作人员亲自爬塔进行测量，同时采用电磁波探测的结果更为准确，避免了当前的覆冰测量方式大多需要操作人员携带测量仪器爬塔测量，较为繁琐复杂，较为危险，且间接测量的方式也使得覆冰测量的结果不够准确的问题。
对应于上述图1和图2所示的架空输电线路导地线覆冰测量系统的具体实施方式，如图7所示，本发明实施例还提供一种架空输电线路导地线覆冰测量方法，应用于上述的架空输电线路导地线覆冰测量系统，所述方法包括：
步骤401、飞行装置控制器向多旋翼飞行装置发送飞行控制指令，以使得多旋翼飞行装置飞行至覆冰后的架空输电线路导地线处。
步骤402、所述飞行装置控制器向电磁波测量装置发送测量指令。
步骤403、所述电磁波测量装置向覆冰后的架空输电线路导地线发射电磁波信号，并接收覆冰后的架空输电线路导地线的电磁波反射信号；根据所述电磁波反射信号和电磁波信号形成中频处理信号，并将所述中频处理信号发送至所述地面监控装置。
步骤404、所述地面监控装置根据所述中频处理信号，确定架空输电线路导地线覆冰厚度。
具体的，上述步骤403中的，所述电磁波测量装置向覆冰后的架空输电线路导地线发射电磁波信号，可采用如下方式实现：
向所述压控振荡器输入预设的调制电压，以通过压控振荡器产生线性调频信号。
将所述线性调频信号输入到第一带通滤波器，进行滤波处理，并输入到所述功分器。
通过所述功分器形成第一部分信号和第二部分信号，所述第一部分信号经过第一放大器放大处理后，经过所述发射天线向外发射，形成电磁波信号。
具体的，上述步骤403中的，接收覆冰后的架空输电线路导地线的电磁波反射信号；根据所述电磁波反射信号和电磁波信号形成中频处理信号，可采用如下方式实现：
通过所述接收天线接收所述电磁波反射信号，经过低噪声放大器、第二带通滤波器和第三放大器依次处理后，与所述第二部分信号输入到混频器，并通过所述混频器进行混频处理，再通过所述低通滤波器进行低通滤波处理，再通过所述中频处理电路形成中频处理信号。
具体的，所述步骤404中的根据所述中频处理信号，确定架空输电线路导地线覆冰厚度，可以采用如下方式实现：
根据所述中频处理信号，获知发射天线发射电磁波信号到接收天线接收电磁波反射信号的信号传播时长。
根据公式：
本发明实施例提供的一种架空输电线路导地线覆冰测量系方法，通过飞行装置控制器向多旋翼飞行装置发送飞行控制指令，以使得多旋翼飞行装置飞行至覆冰后的架空输电线路导地线处；之后飞行装置控制器向电磁波测量装置发送测量指令；从而电磁波测量装置向覆冰后的架空输电线路导地线发射电磁波信号，并接收覆冰后的架空输电线路导地线的电磁波反射信号；根据所述电磁波反射信号和电磁波信号形成中频处理信号，并将所述中频处理信号发送至所述地面监控装置；从而地面监控装置根据所述中频处理信号，确定架空输电线路导地线覆冰厚度。可见，通过本发明可以实现远程电磁波探测输电线路导地线覆冰测量，而无需操作人员亲自爬塔进行测量，同时采用电磁波探测的结果更为准确，避免了当前的覆冰测量方式大多需要操作人员携带测量仪器爬塔测量，较为繁琐复杂，较为危险，且间接测量的方式也使得覆冰测量的结果不够准确的问题。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。