一种输电线路山火监测的激光雷达系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力系统输电线路在线监测领域，特别涉及一种输电线路山火监测的激光雷达系统及方法。
【背景技术】
[0002]在我国高压输电线路大部分分布在郊外，输电走廊的征地愈来愈不容易，相当一部分输电走廊直接穿山越岭，那些地方林木茂盛，地形地貌、气候条件极易引发山火，轻则引起局部线路跳闸，重则引起大面积停电事故。所以对输电线路进行山火监测对输电线路供电可靠性有着极为重要的意义。目前对输电线路周围山火监测的方法主要有卫星遥感地面热点法、图像识别法、分布式终端监测法等几种方案，其中卫星遥感地面热点法不仅受卫星过境时间的限制，难以实现全天候监测，而且云层对监测结果有较大的影响；图像识别法的精度则依赖于非常高的采样频率和拍摄质量，只有非常高的采样频率和拍摄质量才能为后续的山火特征识别提供必要的信息来源，且受电源和通讯的制约存在一定的局限性；分布式终端监测法由于监测的范围太小，对于输电线路远距离的山火难以实现早起预警。随着激光雷达技术的成熟，且已经应用到了多个领域取得非常好的效果，基于激光雷达技术的山火监测的研究还处于初级阶段，有许多地方还需要改进。目前已有机构对激光雷达技术应用于山火监测的研究，但只限于发现山火并预警，没有对此时山火蔓延趋势进行研究，但一般易发生山火的地方多是人烟稀少的山区，那里树木众多，交通不便，当发生山火时，消防人员赶到现场，第一时间并不能准确的判断山火的蔓延的方向和蔓延的速度，这就不能把山火可能引发严重事故的可能性降到最低。为了解决上述问题，本专利设计了一套既能实现山火监测又能实现判断山火蔓延趋势的系统及方法。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供了一种输电线路山火监测的激光雷达系统及方法。
[0004]为了解决上述的技术问题，本发明采用的技术方案是:
一种输电线路山火监测的激光雷达系统，包括:激光雷达装置、光电转换及传输装置、计算机，
所述的激光雷达装置包括保护套、水平设置的激光套筒、竖直设置的空心支柱，所述空心支柱上端连接并延伸至激光套筒内，下端与保护套转动连接，所述保护套内由下而上依次设置有激光发射器、扩束镜、呈一定角度设置的分光镜，所述保护套的侧壁沿分光镜的反射光线方向设置有出光口；所述分光镜的透射光线部分沿空心支柱内腔射入激光套筒内；所述激光套筒内设置有牛顿望远镜，所述牛顿望远镜的前端设置有将激光反射至激光套筒外的反光镜，后端设置有第一光学探测器7和连接有光纤的第一光纤调整架；
所述光电转换及传输装置包括通过电路依次连接第一光学探测器的第一光子计数器和第一数据采集器、具有两个通道的Fabry-Perot标准具，所述Fabry-Perot标准具的一个通道将来自分光镜的反射光线经第二耦合透镜传输至第三光学探测器输入端，所述第三光学探测器的输出端通过电路依次连接第三光子计数器、第三数据采集器，所述Fabry-Perot标准具的另一个通道通过第二光纤调整架将来自光纤的散射光线经第一耦合透镜传输至第二光学探测器输入端，所述第二光学探测器输出端通过电路依次连接第二光子计数器、第二数据采集器；
所述计算机通过电路连接第一数据采集器、第二数据采集器和第三数据采集器。
[0005]进一步地，所激光发射器、扩束镜、第一准直镜安装时依次上下平行；
进一步地，所述分光镜与水平面夹角为145度，透过率与反射率的比为7:3。
[0006]进一步地，所述第二光纤调整架、第二准直镜、Fabry-Perot标准具、第一親合透镜、第二耦合透镜、第二光学探测器、第二光子计数器、第二数据采集器、第三光学探测器、第三光子计数器、第三数据采集器、第一光子计数器、第一数据采集器均安装在恒温箱内，由于温度对Fabry-Perot标准具的结果产生影响，通过调节恒温箱的温度一方面减小温度对标准具的影响，使风速的反演算更简单，也能使设备工作在最佳工作温度上。
[0007]进一步地，所述空心支柱的转动角度为360度。
[0008]一种基于所述激光雷达系统的输电线路山火监测的方法，包括步骤:
1)系统安装好后，启动设备，激光雷达装置转动扫描；
2)当发生山火时，激光雷达装置发出的激光脉冲束打在烟雾气溶胶上产生散射，散射的激光信号通过激光雷达装置，经牛顿望远镜反射后，一部分被第一光学探测器7所接受，另一部分进入光纤；
3)第一光学探测器接受的散射激光信号通过第一光子计数器将激光信号转化为电信号再发送给第一数据采集器，第一数据采集器再发送给计算机处理，计算机(27)处理反射光信号和判断是否有山火发生；
4)另外一部分进入光纤的散射光信号，经过第二准直镜与分光镜反射的参考光信号分别通过Fabry-Perot标准具的两个通道产生多普勒频移，再分别通过各自耦合透镜、光学探测器、光子计数器、数据采集器将光信号变为电信号后，通过数据采集器送给计算机，计算机根据F-P单边缘检测技术，通过边缘技术得到多普勒频移量，再由多普勒原理反演出此时的风速，从而可以掌握山火蔓延的趋势。
[0009]所述激光雷达装置中的激光发射器发出来的激光依次垂直通过扩束镜、第一准直镜，再透过分光镜投射到反光镜上，经反光镜全反射出去；通过分光镜反射的激光作为参考光通过Fabry-Perot标准具第二通道再准直通过第二耦合透镜再被第三光学探测器接受；
所述激光雷达装置接受到的外界反射光信号经过光纤和第二准直镜通过Fabry-Perot标准具的第一通道再经过第一耦合透镜被第二光学探测器接受。
[0010]相比现有技术，本发明的有益效果:
1、不仅能有效的实现对山火监测，而且能实现判断山火蔓延趋势。这为山火发生时，消防人员根据山火蔓延趋势及时灭火提供重要指导。
[0011]2、一部分散射光通过光纤的传输可以不用将第二准直镜、Fabry-Perot标准具、第一和第二耦合透镜、第二和第三光学探测器安装在激光套筒内，减轻杆塔负荷重量。
[0012]3、对森林火灾等的监测亦有很强的启示性作用，应用前景广阔，具有很强的市场推广价值。
【附图说明】
[0013]图1为本发明一种输电线路山火监测的激光雷达系统结构及原理示意图。
[0014]图2为本发明的现场安装示意图。
[0015]图中示出:1_牛顿望远镜，2-反光镜，3-反射光信号，4-激光信号，5-激光套筒，6-烟雾，7-第一光学探测器，8-分光镜，9-第一准直镜，10-扩束镜，11-激光发射器，12-第一光纤调整架，13-光纤，14-第二光纤调整架，15-第二准直镜，16-第一耦合透镜，17-Fabry-Perot标准具，18-第二耦合透镜，19-第三光学探测器，20-第三光子计数器，21-第三数据采集器，22-第二光子计数器，23-第二数据采集器，24-第二光学探测器，25-第一光子计数器，26-第一数据采集器，27-计算机，28-保护套，29-恒温箱，30-供电模块，31-输电铁塔，32-空心支柱。
【具体实施方式】
[0016]下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0017]实施例一
一种输电线路山火监测的激光雷达系统，包括:激光雷达装置、光电转换及传输装置、计算机27，
所述的激光雷达装置包括保护套28、水平设置的激光套筒5、竖直设置的空心支柱32，所述空心支柱32上端连接并延伸至激光套筒5内，下端与保护套28转动连接，其转动角度为360度；所述保护套28内由下而上依次设置有激光发射器11、扩束镜10、呈一定角度设置的分光镜8，所述分光镜8与水平面夹角为145度，透过率与反射率的比为7:3 ;所述保护套28的侧壁沿分光镜8的反射光线方向设置有出光口，本实施例采用的激光器为Nd:YAG脉冲激光器，波长为355nm，脉宽为1ns ;所述分光镜8的透射光线部分沿空心支柱32内腔射入激光套筒5内；所述激光套筒5内设置有牛顿望远镜1，所述牛顿望远镜I直径为250mm,所述牛顿望远镜I的前端设置有将激光反射至激光套筒5外的反光镜2，后端设置有第一光学探测器7和连接有光纤13的第一光纤调整架12 ;
所述光电转换及传输装置包括通过电路依次连接第一光学探测器7的第一光子计数器25和第一数据采集器26、具有两个通道的Fabry-Perot标准具17，所述Fabry-Per