專利名稱：實(shí)時(shí)雷擊定位系統(tǒng)及定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及雷擊定位，特別是一種用于現(xiàn)有高壓輸電線網(wǎng)的基于光纖復(fù)合架空地線的實(shí)時(shí)雷擊定位系統(tǒng)及定位方法。他是利用雷擊導(dǎo)致光纖復(fù)合架空地線中傳輸激光的偏振態(tài)發(fā)生變化的原理對(duì)雷擊輸電線路事件實(shí)現(xiàn)較為精確的實(shí)時(shí)定位。
背景技術(shù)：
電力行業(yè)作為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱，每年由于雷擊災(zāi)害無法及時(shí)定位修理而給國(guó)家造成巨額經(jīng)濟(jì)損失，如何準(zhǔn)確迅速定位雷擊一直是各個(gè)國(guó)家的研究熱點(diǎn)。雷電放電會(huì)產(chǎn)生光、聲音和電磁波，目前實(shí)用化的雷擊故障定位大都采用測(cè)定放電輻射的電磁波，傳統(tǒng)的雷擊定位技術(shù)主要用于氣象學(xué)。判斷落雷地點(diǎn)一般有以下兩種方法1、定向定位。定向定位要利用兩個(gè)和兩個(gè)以上探測(cè)站以正交環(huán)形磁場(chǎng)天線同時(shí)測(cè)定落雷點(diǎn)與探測(cè)站連線的方位角，兩個(gè)探測(cè)站獲得兩個(gè)方位角，用球面三角交會(huì)確定落雷點(diǎn)，由于利用磁場(chǎng)天線，常稱為磁場(chǎng)定向定位；2、時(shí)差定位。時(shí)差定位是通過監(jiān)測(cè)落雷點(diǎn)電磁波信號(hào)峰值到達(dá)探測(cè)站相對(duì)時(shí)間差，在球面上建立雙曲線，3個(gè)探測(cè)站能產(chǎn)生兩條雙曲線，其交點(diǎn)即為落雷點(diǎn)位置。
以上兩種傳統(tǒng)雷擊定位方法的定位精度約為1000m，對(duì)于高壓輸電線的雷擊定位都具有針對(duì)性不強(qiáng)，且精度與響應(yīng)速度都無法達(dá)到要求的缺點(diǎn)，電力領(lǐng)域需要針對(duì)輸電線路的雷擊定位的新技術(shù)。
技術(shù)內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種基于光纖復(fù)合架空地線的實(shí)時(shí)雷擊定位系統(tǒng)及定位方法，該系統(tǒng)的定位精度應(yīng)能夠達(dá)到500m，能更加準(zhǔn)確迅速地對(duì)雷擊輸電線的位置進(jìn)行遠(yuǎn)程測(cè)定，要有效降低定位系統(tǒng)的建立成本。
本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想是通過檢測(cè)雷擊處光波的偏振態(tài)變化來捕捉雷擊輸電線事件，解決表征光波偏振態(tài)的4個(gè)斯托克斯參數(shù)的高速實(shí)時(shí)檢測(cè)的問題，解決光波偏振態(tài)的信號(hào)處理與分析的問題，通過4通道同時(shí)捕捉光波的4個(gè)斯托克斯參數(shù)的變化并通過特殊的算法來得出雷擊處光波偏振態(tài)的變化的dβ=(dS1dt)2+(dS2dt)2+(dS3dt)2,]]>其中S1、S2、S3分別為偏振光的斯托克斯參數(shù)以時(shí)間t為變量的函數(shù)，該算法能夠大幅度提高系統(tǒng)對(duì)于雷擊事件判斷的準(zhǔn)確度以及對(duì)于雷擊定位的精度。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種用于高壓輸電線網(wǎng)的基于光纖復(fù)合架空地線的實(shí)時(shí)雷擊定位系統(tǒng)，其特征在于包括一套光電接收系統(tǒng)及信號(hào)處理系統(tǒng)，該光電接收系統(tǒng)及信號(hào)處理系統(tǒng)的輸出端接所述的光纖復(fù)合架空地線的第一光纖的近端，該光電接收系統(tǒng)及信號(hào)處理系統(tǒng)的輸入端接光纖復(fù)合架空地線的第二光纖的近端，所述的第一光纖和第二光纖的遠(yuǎn)端串連一延遲光纖，所述的光電接收系統(tǒng)及信號(hào)處理系統(tǒng)按信號(hào)的傳輸過程為序的構(gòu)成依次是第二光纖、分束器，該分束器的四個(gè)輸出端分接四個(gè)組件，每個(gè)組件由四分之一波片、檢偏器和光電檢測(cè)器串連而成，四個(gè)光電檢測(cè)器的輸出端接到一采集系統(tǒng)的輸入端，該采集系統(tǒng)的輸出端接計(jì)算機(jī)的輸入端，該計(jì)算機(jī)的一個(gè)輸出端接所述的采集系統(tǒng)的第五輸入端，所述的計(jì)算機(jī)的第二輸出端接激光電源的控制端，該激光電源接激光器供給電源，該激光器輸出的激光經(jīng)起偏器接所述的第一光纖的近端。
所述的四組四分之一波片和檢偏器的角度組合分別為(0°，45°)、(0°，135°)、(0°，0°)和(45°，45°)。
利用本發(fā)明所述的實(shí)時(shí)雷擊定位系統(tǒng)檢測(cè)雷擊地點(diǎn)的定位方法，其特征在于包括下列步驟①平時(shí)，啟動(dòng)所述的實(shí)時(shí)雷擊定位系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，由激光器)發(fā)出的激光經(jīng)起偏器產(chǎn)生一個(gè)線偏振光經(jīng)第一光纖、延遲光纖、第二光纖、分束器，分成四束激光分別經(jīng)所述的四個(gè)組件而被四個(gè)光電檢測(cè)器接收后經(jīng)采集系統(tǒng)輸入計(jì)算機(jī)，記錄激光全程傳輸?shù)臅r(shí)間為T0秒，并存入計(jì)算機(jī)；②雷擊時(shí)，所述的光纖復(fù)合架空地線雷擊處的激光偏振態(tài)發(fā)生變化，偏振光的斯托克斯參數(shù)也發(fā)生變化，計(jì)算機(jī)將采集到第一光纖和第二光纖產(chǎn)生的兩個(gè)偏振態(tài)變化的信號(hào)的時(shí)間差為Td秒，則雷擊處至實(shí)時(shí)雷擊定位系統(tǒng)的距離為L(zhǎng)0＝(T0-Td)V0/2式中V0為激光在光纖中的傳輸速度，V0＝2.081×108(m/s)。
同現(xiàn)有的基于氣象學(xué)的雷擊定位技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下技術(shù)特點(diǎn)1.檢測(cè)媒介為現(xiàn)有電網(wǎng)中的光纖復(fù)合架空地線，只需在現(xiàn)有電網(wǎng)上進(jìn)行改造即可實(shí)現(xiàn)雷擊的實(shí)時(shí)精確定位，對(duì)雷擊輸電線事件定位的針對(duì)性強(qiáng)，且降低了定位系統(tǒng)的建立成本。
2.采用多通道(4通道)同時(shí)測(cè)量表征偏振光偏振態(tài)的4個(gè)斯托克斯參數(shù)，與常規(guī)偏振態(tài)測(cè)量相比，不涉及到檢偏器的轉(zhuǎn)動(dòng)以及1/4波片的插入、轉(zhuǎn)動(dòng)等機(jī)械運(yùn)動(dòng)，從而較大幅度的提高了檢測(cè)速度與精度。
3.采用綜合考慮偏振光的4個(gè)斯托克斯參數(shù)變化的方法來確定雷擊造成光波偏振態(tài)的變化，排除了光波由于在非保偏光纖中傳輸以及外界干擾所帶來的傳輸光波偏振態(tài)的隨機(jī)變化對(duì)于定位測(cè)量所造成的影響。
4、經(jīng)試用表明，本發(fā)明還具有響應(yīng)快、精度高、對(duì)高壓輸電線路系統(tǒng)的針對(duì)性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明基于光纖復(fù)合架空地線的實(shí)時(shí)雷擊定位系統(tǒng)的安裝設(shè)置原理圖。
圖2是本發(fā)明的光電接收與信息處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是信號(hào)處理算法中所涉及到的表征偏振態(tài)變化的dβ的示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
先請(qǐng)參閱圖1和圖2，由圖可見，本發(fā)明用于高壓輸電線網(wǎng)的基于光纖復(fù)合架空地線的實(shí)時(shí)雷擊定位系統(tǒng)，包括一套光電接收系統(tǒng)及信號(hào)處理系統(tǒng)1，該光電接收系統(tǒng)及信號(hào)處理系統(tǒng)1的輸出端接所述的光纖復(fù)合架空地線2的第一光纖3的近端，該光電接收系統(tǒng)及信號(hào)處理系統(tǒng)1的輸入端接光纖復(fù)合架空地線2的第二光纖4的近端，所述的第一光纖3和第二光纖4的遠(yuǎn)端串連一延遲光纖6，所述的光電接收系統(tǒng)及信號(hào)處理系統(tǒng)1按信號(hào)的傳輸過程為序的構(gòu)成依次是第二光纖4、分束器11，該分束器11的四個(gè)輸出端分接四個(gè)組件，每個(gè)組件由四分之一波片12、檢偏器13和光電檢測(cè)器14串連而成，四個(gè)光電檢測(cè)器14的輸出端接到一采集系統(tǒng)15的輸入端，該采集系統(tǒng)15的輸出端接計(jì)算機(jī)16的輸入端，該計(jì)算機(jī)16的一個(gè)輸出端接所述的采集系統(tǒng)15的第五輸入端，所述的計(jì)算機(jī)16的第二輸出端接激光電源17的控制端，該激光電源17接激光器18供給電源，該激光器18輸出的激光經(jīng)起偏器19接所述的第一光纖3的近端。
本發(fā)明的工作過程是從光電接收系統(tǒng)及信號(hào)處理系統(tǒng)1中發(fā)出的完全偏振光經(jīng)耦合進(jìn)入光纖復(fù)合架空地線2中的第一光纖3，在光纖復(fù)合架空地線2的另一端經(jīng)延遲光纖6后沿光纖復(fù)合架空地線中的第二光纖4返回，當(dāng)雷擊5發(fā)生在光纖復(fù)合架空地線2上后，由于法拉第效應(yīng)，兩根光纖中的光波在雷擊處會(huì)同時(shí)發(fā)生偏振態(tài)變動(dòng)7，測(cè)量出兩處偏振態(tài)變動(dòng)7之間的時(shí)間差Td，即可通過公式L0＝(T0-Td)v0/2得到雷擊點(diǎn)與測(cè)量點(diǎn)處的距離L0，其中v0為激光在光纖中的傳輸速度2.081×108(m/s)，T0為激光從入射端到受光端所需總的時(shí)長(zhǎng)，該值可通過在入射端發(fā)送一個(gè)激光脈沖隨后在受光端測(cè)量預(yù)先得到。通過延遲光纖6后返回的激光重新耦合進(jìn)入雷擊定位系統(tǒng)1對(duì)返回的激光信號(hào)進(jìn)行處理后將結(jié)果輸入電腦。圖中的光纖復(fù)合架空地線2通過接地裝置8實(shí)現(xiàn)對(duì)地導(dǎo)通。
光電接收與信號(hào)處理系統(tǒng)1原理如圖2所示，被測(cè)光波通過1/4功率分束器11后等分為4束，對(duì)4束光波用4個(gè)通道同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，從而達(dá)到高速測(cè)量光波偏振態(tài)實(shí)現(xiàn)對(duì)雷擊信號(hào)的判斷。激光器18發(fā)出的光束經(jīng)過起偏器19變?yōu)橥耆竦木€偏振光耦合進(jìn)入光纖復(fù)合架空地線中的第一光纖3，在光纖復(fù)合架空地線的另一端經(jīng)延遲光纖6后沿光纖復(fù)合架空地線中的第二光纖4返回，光束經(jīng)過1/4功率分束器11后被等分為4束后分別經(jīng)過4組不同角度的四分之一波片12與檢偏器13的組合，4組四分之一波片12與檢偏器13角度組合分別為(0°，45°)、(0°，135°)、(0°，0°)、(45°，45°)，之后被4個(gè)光電探測(cè)器14接收，分別得出光波的4個(gè)斯托克斯參數(shù)為 式中I為光電探測(cè)器探測(cè)到的光波的能量值。其中S0、S1、S2、S3為無量綱的量。
光電探測(cè)器14將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后將模擬電信號(hào)傳入信號(hào)處理與采集系統(tǒng)15，處理好的信號(hào)被傳入計(jì)算機(jī)16，通過公式dβ=(dS1dt)2+(dS2dt)2+(dS3dt)2]]>求出表征雷擊引起的光波偏振態(tài)變化7的dβ23，測(cè)得兩個(gè)dβ之間的時(shí)間差Td進(jìn)而最后得出雷擊點(diǎn)與測(cè)量點(diǎn)之間的距離，計(jì)算機(jī)16同時(shí)發(fā)出指令控制信號(hào)處理與采集系統(tǒng)15以及激光器電源17，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的全自動(dòng)工作。信號(hào)處理算法中所取的表征偏振態(tài)變化的dβ如圖3所示。
本發(fā)明用于高壓輸電線網(wǎng)的基于光纖復(fù)合架空地線的實(shí)時(shí)雷擊定位系統(tǒng)的定位精度能夠達(dá)到500m，能更加準(zhǔn)確迅速地對(duì)雷擊輸電線的位置進(jìn)行遠(yuǎn)程測(cè)定，并且充分利用了現(xiàn)有電網(wǎng)中的光纖復(fù)合架空地線，從而有效降低了定位系統(tǒng)的建立成本。該項(xiàng)目的實(shí)施不但填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的空白，而且能夠推動(dòng)現(xiàn)代光電子產(chǎn)業(yè)在傳統(tǒng)電力行業(yè)之中的應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種用于高壓輸電線網(wǎng)的基于光纖復(fù)合架空地線的實(shí)時(shí)雷擊定位系統(tǒng)，其特征在于包括一套光電接收系統(tǒng)及信號(hào)處理系統(tǒng)(1)，該光電接收系統(tǒng)及信號(hào)處理系統(tǒng)(1)的輸出端接所述的光纖復(fù)合架空地線(2)的第一光纖(3)的近端，該光電接收系統(tǒng)及信號(hào)處理系統(tǒng)(1)的輸入端接光纖復(fù)合架空地線(2)的第二光纖(4)的近端，所述的第一光纖(3)和第二光纖(4)的遠(yuǎn)端串連一延遲光纖(6)，所述的光電接收系統(tǒng)及信號(hào)處理系統(tǒng)(1)按信號(hào)的傳輸過程為序的構(gòu)成依次是第二光纖(4)、分束器(11)，該分束器(11)的四個(gè)輸出端分接四個(gè)組件，每個(gè)組件由四分之一波片(12)、檢偏器(13)和光電檢測(cè)器(14)串連而成，四個(gè)光電檢測(cè)器(14)的輸出端接到一采集系統(tǒng)(15)的輸入端，該采集系統(tǒng)(15)的輸出端接計(jì)算機(jī)(16)的輸入端，該計(jì)算機(jī)(16)的一個(gè)輸出端接所述的采集系統(tǒng)(15)的第五輸入端，所述的計(jì)算機(jī)(16)的第二輸出端接激光電源(17)的控制端，該激光電源(17)接激光器(18)供給電源，該激光器(18)輸出的激光經(jīng)起偏器(19)接所述的第一光纖(3)的近端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)時(shí)雷擊定位系統(tǒng)，其特征在于所述的四組四分之一波片(12)和檢偏器(13)的角度組合分別為(0°，45°)、(0°，135°)、(0°，0°)和(45°，45°)。
3.利用權(quán)利要求1所述的實(shí)時(shí)雷擊定位系統(tǒng)檢測(cè)雷擊地點(diǎn)的定位方法，其特征在于包括下列步驟①平時(shí)，啟動(dòng)所述的實(shí)時(shí)雷擊定位系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)(16)發(fā)出控制信號(hào)，由激光器(18)發(fā)出的激光經(jīng)起偏器(19)產(chǎn)生一個(gè)線偏振光經(jīng)第一光纖(3)、延遲光纖(6)、第二光纖(4)、分束器(11)，分成四束激光分別經(jīng)所述的四個(gè)組件而被四個(gè)光電檢測(cè)器(14)接收后經(jīng)采集系統(tǒng)(15)輸入計(jì)算機(jī)(16)，記錄激光全程傳輸?shù)臅r(shí)間為T0秒，并存入計(jì)算機(jī)(16)；②雷擊時(shí)，所述的光纖復(fù)合架空地線(2)雷擊處的激光偏振態(tài)發(fā)生變化，偏振光的斯托克斯參數(shù)也發(fā)生變化，計(jì)算機(jī)(16)將采集到第一光纖(3)和第二光纖(4)產(chǎn)生的兩個(gè)偏振態(tài)變化的信號(hào)的時(shí)間差為Td秒，則雷擊處至實(shí)時(shí)雷擊定位系統(tǒng)的距離為L(zhǎng)0＝(T0-Td)V0/2式中V0為激光在光纖中的傳輸速度，V0＝2.081×108(m/s)。
全文摘要
一種用于高壓輸電線網(wǎng)的基于光纖復(fù)合架空地線的實(shí)時(shí)雷擊定位系統(tǒng)及定位方法。本發(fā)明裝置由激光器、分光鏡、1/4波片、起偏器、光電二極管、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理軟件所組成。本發(fā)明通過高速測(cè)量由雷擊造成的光波偏振態(tài)的變化來實(shí)現(xiàn)雷擊輸電線路的甄別與定位，有效降低了外界以及系統(tǒng)內(nèi)部的干擾，提高了系統(tǒng)的定位精度；本發(fā)明具有響應(yīng)快、精度高、對(duì)高壓輸電線路系統(tǒng)的針對(duì)性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01D5/353GK1987526SQ20061014748
公開日2007年6月27日 申請(qǐng)日期2006年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月19日
發(fā)明者覃兆宇, 程兆谷, 張志平 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所