輸電線路山火雷達(dá)實(shí)時監(jiān)測技術(shù)及應(yīng)用研究

李 江，曹永興, 朱 軍,羅東輝

(1.四川省資陽市公安局,四川 資陽 641300；2.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

輸電線路因其運(yùn)行的長期性和跨越區(qū)域的廣泛性，而容易遭到外力破壞，山火就是其中的重要因素之一[1-3]。輸電線路山火災(zāi)害的特點(diǎn)主要包括其發(fā)生隨機(jī)性、突然性以及可以快速造成極大的損失。及時監(jiān)測到山火并進(jìn)行實(shí)時預(yù)警，是輸電線路預(yù)防山火災(zāi)害的迫切需求。

針對輸電線路山火災(zāi)害監(jiān)測，近年來出現(xiàn)了無人機(jī)巡航、衛(wèi)星遙感、火災(zāi)探測器探測以及圖像類在線監(jiān)測等新型山火監(jiān)測技術(shù)的研究和應(yīng)用[4-6]，然而受限于技術(shù)形式和沿線環(huán)境的影響，傳統(tǒng)監(jiān)測方法在山火趨勢預(yù)判、火災(zāi)判定準(zhǔn)確度以及小范圍、初期火情的預(yù)警問題上仍存在一定的問題。

相較而言，基于熱能多譜監(jiān)測雷達(dá)的輸電線路山火監(jiān)測技術(shù)，無需人工實(shí)時監(jiān)測，減少了人力成本[7-10]；和紅外技術(shù)相比，探測范圍更廣，并且降低了誤報率，而且探測精度和探測實(shí)時性更強(qiáng)，更利于對火災(zāi)初起的發(fā)現(xiàn)以及火勢發(fā)展趨勢的預(yù)判。

因此，根據(jù)山火特征情況，結(jié)合國家電網(wǎng)GIS信息平臺查詢獲取輸電走廊周邊地形地貌數(shù)據(jù)，設(shè)計研發(fā)基于Ka波段小型雷達(dá)的輸電線路山火監(jiān)測系統(tǒng)，探究其工程應(yīng)用技術(shù)，并在實(shí)際工程中進(jìn)行試點(diǎn)安裝與實(shí)測。

1 山火雷達(dá)回波識別

雷達(dá)對物體的探測主要依托物體反射的雷達(dá)回波變化情況?；鹧娴慕M成含有極多電子、離子以及中性粒子，與周圍常規(guī)物體的雷達(dá)回波存在顯著差異。而且火災(zāi)煙塵的物理特性也與周圍物質(zhì)不同，會對雷達(dá)回波造成一定影響。因此，基于雷達(dá)探測可以實(shí)現(xiàn)對山火情況的探測。

基于山火回波以及輸電線路周邊物體特性，選擇毫米波雷達(dá)用于山火探測系統(tǒng)研發(fā)，為了驗(yàn)證毫米波雷達(dá)對山火煙塵監(jiān)測的有效性，開展了山火雷達(dá)回波識別試驗(yàn)。

首先，架設(shè)16G和24G毫米波雷達(dá)采集地物雜波；接著，分兩次點(diǎn)燃柴火堆并采集數(shù)據(jù)；最后，滅火后繼續(xù)采集數(shù)據(jù)。圖1所示為點(diǎn)火前試驗(yàn)場地及采集到的背景雷達(dá)回波；圖2所示為點(diǎn)火后采集的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)波動情況。

圖1 試驗(yàn)現(xiàn)場照片及點(diǎn)火前雷達(dá)回波

圖2 火焰煙塵照片及點(diǎn)火后雷達(dá)回波

分析雷達(dá)回波數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，雷達(dá)回波相對于地物雜波擾動范圍有20%～30%的增幅。同時，在柴火堆鄰近距離單元的雷達(dá)回波和地物雜波相比，也有一定的擾動范圍增幅現(xiàn)象，說明火焰燃燒過程中產(chǎn)生的煙塵隨風(fēng)有小范圍移動，可以作為山火識別的一個判別依據(jù)。

1.1 預(yù)測評估的核心思路

針對現(xiàn)有技術(shù)對山火趨勢預(yù)測評估能力不足以及誤報率較高等問題，提出一種結(jié)合國網(wǎng)GIS信息平臺、小型雷達(dá)與線路傳感器的山火發(fā)展趨勢預(yù)測方法。該方法在復(fù)雜的環(huán)境中，利用由廣域到近區(qū)的火情數(shù)據(jù)較準(zhǔn)確地進(jìn)行山火發(fā)展趨勢預(yù)測，保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行，包括以下幾個步驟：

1)結(jié)合輸電線路走廊情況，進(jìn)行小型雷達(dá)及微氣象傳感器的布置及安裝；

2)從國網(wǎng)GIS信息平臺查詢山火周邊輸電走廊地形地貌數(shù)據(jù)；

3)設(shè)置一個時間間隔Δt，以時間間隔為單位實(shí)時提取氣象數(shù)據(jù)，傳回后緩存入數(shù)據(jù)庫；

4)分析小型雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)，利用小型雷達(dá)進(jìn)行實(shí)時火情監(jiān)測；

5)結(jié)合山火發(fā)展趨勢模擬算法進(jìn)行走廊周邊山火趨勢預(yù)測；

6)將小型雷達(dá)廣域氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)對山火下階段的發(fā)展趨勢進(jìn)行輔助決策。

所設(shè)計的輸電線路山火發(fā)展趨勢預(yù)測流程如圖3所示。

圖3 輸電線路山火發(fā)展趨勢預(yù)測流程

1.2 主要參數(shù)指標(biāo)

基于山火回波尺度較小、回波較弱、回波整體一般不會移動(以擴(kuò)散形式發(fā)展)、接地、垂直高度一般小于4.5 km等特性，選定了如表1所示的系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo)。

表1 主要參數(shù)指標(biāo)

1.3 監(jiān)測系統(tǒng)組成

整機(jī)固定式雷達(dá)由天線裝置和終端工控機(jī)等組成。其中天線裝置主要由反射體、攝像機(jī)、俯仰箱以及支臂和基座等。圖4為天線裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)采用的攝像裝置示意圖。

圖4 雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)采用的天線裝置

圖5 雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)采用的攝像裝置

2 山火雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)的工程應(yīng)用

2.1 工程選址及準(zhǔn)備

山火雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)選址可優(yōu)先考慮以下3個方面：1)重要輸電通道熱能多譜山火監(jiān)測預(yù)警雷達(dá)(Ka波段)應(yīng)考慮山火頻發(fā)區(qū)域，雷達(dá)所選站點(diǎn)與重點(diǎn)關(guān)注線路的直線距離不超過10 km。2)選址應(yīng)避開洪水、泥石流、山體滑坡以及地質(zhì)斷裂結(jié)構(gòu)等不利因素較多的地區(qū)。3)選擇遮蔽角以及凈空條件適宜地區(qū)，避免遮擋監(jiān)測視角。在工程安裝地址初步確定后，需對該地進(jìn)行實(shí)地測量并繪制環(huán)境平面圖。

2.2 試點(diǎn)工程試驗(yàn)案例

基于上述研究及結(jié)果，設(shè)計建造了熱能多譜毫米波雷達(dá)裝置并進(jìn)行了試點(diǎn)工程實(shí)測試驗(yàn)，圖6為雷達(dá)監(jiān)測裝置。

圖6 雷達(dá)監(jiān)測裝置現(xiàn)場安裝運(yùn)行

設(shè)備建設(shè)安裝完成后，于晚間20:37—21:30進(jìn)行了人工放火毫米波雷達(dá)監(jiān)測試驗(yàn)。試驗(yàn)前期，對山火雷達(dá)整機(jī)進(jìn)行組裝，20:20山火雷達(dá)開機(jī)后，實(shí)時顯示軟件正常運(yùn)行，并能捕捉周邊地物情況，說明山火雷達(dá)整機(jī)系統(tǒng)工作正常，滿足預(yù)期效果，圖7為系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測界面。

火點(diǎn)試驗(yàn)預(yù)設(shè)地點(diǎn)距離山火雷達(dá)1～1.5 km，方位為315°左右(雷達(dá)正北方向?yàn)?°)，點(diǎn)火前雷達(dá)監(jiān)測結(jié)果如圖7(b)所示。其中，20:23為雷達(dá)剛開啟階段，還沒有進(jìn)行點(diǎn)火。因此，圖7(b)中方位315°、1 km左右的回波強(qiáng)度較小，此為雷達(dá)噪聲，其余回波均為地物回波，探測無預(yù)警發(fā)出。

圖7 雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測界面

1)2°仰角火點(diǎn)監(jiān)測試驗(yàn)

圖8(a)和(b)所示分別為20:42:16和20:44:30雷達(dá)監(jiān)測人工點(diǎn)火試驗(yàn)階段結(jié)果，雷達(dá)天線仰角為2°。因此，圖8中方位315°、1 km左右出現(xiàn)了回波，面積為2.0 m2左右(共有6個有效監(jiān)測點(diǎn))且強(qiáng)度值大于20 dBZ回波區(qū)域，其他回波面積和大小保持不變。因此，新增的回波疑似為火點(diǎn)回波。

圖8 2°仰角火點(diǎn)監(jiān)測結(jié)果

2)5°仰角火點(diǎn)監(jiān)測試驗(yàn)

圖9(a)和(b)所示分別為20:45:18和20:51:28雷達(dá)監(jiān)測人工點(diǎn)火試驗(yàn)階段結(jié)果，雷達(dá)天線仰角為5°。因此，圖9中方位315°、1 km左右出現(xiàn)了較強(qiáng)的回波區(qū)域，回波面積約為2.7 m2(共有9個有效監(jiān)測點(diǎn))，其他回波面積和大小保持不變，為疑似火點(diǎn)?；夭ㄝ^強(qiáng)主要是由于天線仰角變高，探測到的煙塵顆粒造成。

圖9 5°仰角火點(diǎn)監(jiān)測結(jié)果

3)8°仰角火點(diǎn)監(jiān)測試驗(yàn)

圖10所示為20:53:40雷達(dá)監(jiān)測人工點(diǎn)火試驗(yàn)階段結(jié)果，雷達(dá)天線仰角為8°。因此，圖10中方位315°、1 km左右，由于仰角增大、探測高度增加、由火勢擴(kuò)散等因素造成的影響減小，高強(qiáng)度回波區(qū)域消失。

圖10 8°仰角20:53:40時火點(diǎn)監(jiān)測結(jié)果

試驗(yàn)過程中紅外相機(jī)通過與雷達(dá)天氣的綁定，并隨天線一起轉(zhuǎn)動。相機(jī)能準(zhǔn)確地進(jìn)行火點(diǎn)預(yù)警。

3 結(jié) 語

通過相機(jī)的紅外功能可以準(zhǔn)確地判別火點(diǎn)及其大致發(fā)生的方位，但無法獲取火點(diǎn)的面積和距離。毫米波雷達(dá)在確定方位的情況下，結(jié)合識別算法，能有效地監(jiān)測疑似火點(diǎn)發(fā)生的具體方位和距離(根據(jù)雷達(dá)位置能得出具體的地理位置)以及火點(diǎn)發(fā)生的面積。

因此，聯(lián)合紅外相機(jī)和毫米波山火雷達(dá)，能有效準(zhǔn)確識別、監(jiān)測及預(yù)警火點(diǎn)，同時通過毫米波雷達(dá)顯示的回波可得到火點(diǎn)較為準(zhǔn)確的面積、距離和地理位置，可以對火點(diǎn)發(fā)生全過程進(jìn)行有效的監(jiān)測。