基于激光雷達(dá)技術(shù)的輸電線路山火監(jiān)測方法

陳錫陽，楊 挺，尹創(chuàng)榮，沈秀斌，謝從珍，戴 棟，張 敏

(1．廣東電網(wǎng)公司東莞供電局，廣東東莞523000;2．華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東 廣州510640)

假設(shè)氣溶膠后向散射系數(shù)與消光系數(shù)之比取50，則有:

1 引言

近年來，受氣候日益反常的影響、森林火險等級和次數(shù)的較大攀升，山火引發(fā)輸電線路跳閘事故日益突出，嚴(yán)重影響到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，越來越受到電網(wǎng)運(yùn)行部門及科研工作者的關(guān)注、重視［1－2］。

為有效應(yīng)對山火引發(fā)的大規(guī)模輸電線路跳閘事故，目前，輸電線路山火監(jiān)測預(yù)警方法主要有圖像識別法、衛(wèi)星遙感地面熱點(diǎn)法以及分布終端監(jiān)測法等。這些方法已在各大電網(wǎng)上得到實(shí)際應(yīng)用，初步實(shí)現(xiàn)了山火監(jiān)測，取得了一定的預(yù)警效果。但受各方面條件的限制及方案本身的局限性，仍存在許多問題，其中圖像識別法監(jiān)測受視頻監(jiān)測設(shè)備性能和監(jiān)測范圍的限制;衛(wèi)星遙感地面熱點(diǎn)法受大氣條件的影響，存在較大的誤差、監(jiān)測精度較低等缺點(diǎn);而分布式終端監(jiān)測法存在監(jiān)測范圍較窄、運(yùn)行維護(hù)成本較高等缺點(diǎn)［3］。

隨著激光技術(shù)、信號探測技術(shù)和數(shù)據(jù)采集及控制技術(shù)的發(fā)展，激光雷達(dá)在探測高度、空間分辨率、時間上的連續(xù)監(jiān)測和測量精度方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，與其他方法相比，激光雷達(dá)檢測參數(shù)更多，目前，激光雷達(dá)廣泛應(yīng)用到激光傳輸、全球氣候預(yù)測、氣溶膠輻射以及大氣環(huán)境監(jiān)測等研究領(lǐng)域［4－6］。激光雷達(dá)在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用為輸電線路的山火監(jiān)測與預(yù)警提供新的強(qiáng)有力手段。

2 激光雷達(dá)技術(shù)探測山火原理

山火發(fā)生過程中伴隨著大量煙霧，其中煙霧粒徑的大小可間接判斷燃燒物質(zhì)的種類;煙霧的濃度可判斷燃燒物質(zhì)的燃燒程度;煙霧的走向會隨著風(fēng)向的變化而變化，可以判斷火勢蔓延趨勢以及蔓延的速度;煙霧的體積可以判斷山火的燃燒范圍等［7］，因此根據(jù)煙霧的特征可以判斷山火的燃燒特征。

激光雷達(dá)煙霧探測的基礎(chǔ)是激光束與煙霧顆粒、大氣分子之間相互作用，使激光雷達(dá)繼續(xù)向前傳播的能量和回波信號的能量或性質(zhì)發(fā)生改變［8］。在輸電線路通道區(qū)域發(fā)生山火時，物質(zhì)的燃燒會伴隨著大量煙霧，采用激光雷達(dá)技術(shù)探測山火的基本思想是根據(jù)山火煙霧顆粒對激光的散射作用，并通過激光雷達(dá)接收煙霧顆粒與激光束相互作用后散射回來的激光信號，通過光電倍增管將光信號轉(zhuǎn)換為電信號［9］，最后經(jīng)過安裝于計(jì)算機(jī)中的EV_LIDAR Explor軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將接收到的信息顯示于EV_LIDAR Explor軟件窗口中，根據(jù)波形圖中出現(xiàn)脈沖波形的位置信息，獲取山火煙霧顆粒的濃度和引發(fā)山火的準(zhǔn)確位置等信息，從而達(dá)到監(jiān)測山火的目的。

圖1 激光雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)原理圖

如圖1所示，為激光雷達(dá)的原理圖。激光器發(fā)出一束波長為λ0，寬度為τ的脈沖，經(jīng)準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直后射入大氣，光脈沖在通過煙霧顆粒時受到散射和衰減，其后向散射光被接受面積為A(z)的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)接收，距離為z處的后向散射信號功率的激光雷達(dá)的方程為:

其中，P(z)為接收到的功率;z是觀測點(diǎn)距離;P0為激光發(fā)射功率;c是光速;τ是脈寬;β(z)是后向散射系數(shù);α(z)是消光系數(shù);A(z)是接收機(jī)有效面積。

其中，β(z)和 α(z)是未知數(shù)。根據(jù) Fernald法［10－12］，在雷達(dá)方程中將空氣分子散射和氣溶膠散射分開來考慮。a表示煙霧氣溶膠，m表示大氣分子:

激光雷達(dá)方程提供了回波信號與被探測物的光學(xué)性質(zhì)之間的函數(shù)關(guān)系，因此可以根據(jù)激光雷達(dá)探測到的回波信號，通過求解激光雷達(dá)方程來獲得有關(guān)的氣溶膠信息。由式2可知，激光雷達(dá)的方程有四個未知量:分子和氣溶膠粒子后向散射系數(shù)βm(z)、βa(z)以及消光系數(shù)αm(z)、αa(z)。由于大氣分子的散射比較穩(wěn)定，其散射系數(shù)和消光系數(shù)可以通過標(biāo)準(zhǔn)的大氣模型數(shù)據(jù)獲得。激光雷達(dá)方程中，關(guān)于氣溶膠的兩個系數(shù)βa(z)、αa(z)，可根據(jù)Fernald法計(jì)算得到。

設(shè):

據(jù)以上兩式可知，S2已知，S1的值需要假設(shè)。在實(shí)際應(yīng)用中，在532 nm至1064 nm波長上，S1通常取40～50之間的數(shù)，這樣便可計(jì)算得到氣溶膠散射的散射系數(shù)βa(z)和消光系數(shù)αa(z)。在Mie散射模型中，散射系數(shù)βa(z)和消光系數(shù)αa(z)分別為(用來探測煙霧氣溶膠的激光器波長，取λ=532 nm):

假設(shè)氣溶膠后向散射系數(shù)與消光系數(shù)之比取50，則有:

通過激光雷達(dá)方程中的解散射系數(shù)βa(z)和消光系數(shù)αa(z)反演出氣溶膠的相關(guān)信息。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為驗(yàn)證激光雷達(dá)系統(tǒng)能夠有效對輸電線路周圍引發(fā)的山火進(jìn)行監(jiān)測，下面通過對距離監(jiān)測裝置560 m、460 m、360 m、260 m處的模擬山火煙霧進(jìn)行監(jiān)測，以驗(yàn)證激光雷達(dá)系統(tǒng)可用于輸電線路走廊上山火的監(jiān)測。?

3．1 實(shí)驗(yàn)場地

圖2為進(jìn)行激光雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測煙霧的實(shí)驗(yàn)場地。實(shí)驗(yàn)過程中，在距離監(jiān)測點(diǎn)560 m處點(diǎn)燃木材模擬山火，并以100 m為步長向點(diǎn)火處靠近，對點(diǎn)火處的煙霧進(jìn)行監(jiān)測。

圖2 實(shí)驗(yàn)場地

3．2 實(shí)驗(yàn)平臺

圖3 為已完成組裝的整套激光雷達(dá)系統(tǒng)，主要由激光雷達(dá)、電動機(jī)、主機(jī)、工控箱、顯示器、發(fā)電機(jī)組成。其中激光雷達(dá)包括激光套筒、激光發(fā)射器、濾光鏡、光學(xué)接收器、光電倍增管、光子計(jì)數(shù)器組成;電動機(jī)是由控制激光套筒水平和垂直方向轉(zhuǎn)動的兩個電動機(jī)構(gòu)成，目的在于使激光雷達(dá)系統(tǒng)能夠在水平方向?qū)崿F(xiàn)360°以及垂直方向?qū)崿F(xiàn)90°的掃描。

圖3 激光雷達(dá)系統(tǒng)

3．3 結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)中，為了避免激光打到障礙物，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選取較為筆直的道路作為實(shí)驗(yàn)場地，如圖2所示，通過燃燒木材產(chǎn)生大量煙霧模擬山火。首先，在距離激光雷達(dá)監(jiān)測點(diǎn)560 m處點(diǎn)燃木材，打開安裝于計(jì)算機(jī)中的EV_LIDAR Master軟件，設(shè)置好激光套筒在水平及垂直方向掃描的范圍，并通過兩個電動機(jī)控制激光雷達(dá)系統(tǒng)3D掃描;并實(shí)時將工控箱采集到的數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)，通過EV_LIDAR Explor軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，實(shí)時將監(jiān)測范圍內(nèi)的煙霧信息顯示于EV_LIDAR Explor軟件的窗口中。

如圖4～7所示，因激光源發(fā)出的激光速度極快，導(dǎo)致工控箱不能及時采集到距離監(jiān)測點(diǎn)30 m范圍內(nèi)的精確煙霧信息，所以該系統(tǒng)將距離監(jiān)測點(diǎn)30 m的范圍視為盲區(qū)，但不影響監(jiān)測距離監(jiān)測點(diǎn)30 m以外范圍的煙霧信息。如圖4所示，在距離監(jiān)測點(diǎn)約為560 m處出現(xiàn)一個振幅較大的脈沖波形，表明在該處有大量的煙霧存在，使得發(fā)射出去的激光被大量的散射回來，在實(shí)際輸電線路中可根據(jù)監(jiān)測到明顯的脈沖波形來推斷該處具有山火存在。

以步長為100 m向點(diǎn)火處靠近，通過激光雷達(dá)在水平和垂直方向掃描，監(jiān)測到在距離監(jiān)測點(diǎn)460 m處有一個幅值脈沖波形，如圖5所示，說明發(fā)射出去的激光在通過此處時被大量的散射回來，反映了在此處有大量的煙霧存在。同樣以步長為100 m向點(diǎn)火處靠近，如圖6、7所示，分別為在距離監(jiān)測點(diǎn)360 m、260 m處的實(shí)驗(yàn)結(jié)果波形圖，分別在距離監(jiān)測點(diǎn)360 m、260 m處有一個振幅較大脈沖波形，可知在距離監(jiān)測點(diǎn)處360 m、260 m處分別有大量煙霧存在。

圖4 距監(jiān)測點(diǎn)560 m處煙霧信息

圖5 距監(jiān)測點(diǎn)460 m處煙霧信息

圖6 距監(jiān)測點(diǎn)360 m處煙霧信息

圖7 距監(jiān)測點(diǎn)260 m處煙霧信息

以上4組實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了采用激光雷達(dá)技術(shù)監(jiān)測輸電線路周邊山火的有效性和可行性。通過上述4組實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，激光雷達(dá)系統(tǒng)可有效地、較大范圍地監(jiān)測輸電線路周邊引發(fā)山火，為輸電線路的安全運(yùn)行和維護(hù)提供及時有效的決策信息，進(jìn)而提高整個輸電網(wǎng)絡(luò)的供電可靠性，降低輸電通道的事故發(fā)生率。

4 結(jié)論

首先分析了現(xiàn)有山火監(jiān)測方案存在的問題，闡述了基于激光雷達(dá)技術(shù)監(jiān)測山火煙霧的原理，介紹了整套實(shí)驗(yàn)裝置的構(gòu)成，并通過做實(shí)驗(yàn)得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，說明了激光雷達(dá)用于監(jiān)測輸電線路周邊的山火具有一定的可行性和有效性。通過計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果波形顯示于EV_LIDAR Explor軟件窗口，通過波形分析可知，該監(jiān)測裝置可較寬范圍、較高精度地對輸電線路通道上引發(fā)的山火進(jìn)行監(jiān)測及預(yù)警。根據(jù)以上研究得出以下結(jié)論:

(1)通過理論分析，說明了目前用于環(huán)境監(jiān)測的激光雷達(dá)系統(tǒng)可以用于輸電線路周圍引發(fā)的山火。

(2)通過實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了激光雷達(dá)系統(tǒng)監(jiān)測輸電線路周圍引發(fā)的山火具有一定的可行性和有效性。

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