一种基于微波干涉技术的导线舞动幅值监测系统

技术领域

本发明涉及输电线路检测技术领域，具体为一种基于微波干涉技术的导线舞动幅值监测系统。

背景技术

随着社会和经济的发展，越来越多的高电压等级的输电线路逐步在勘察、设计、建造中。而高压输电线路大多处于野外运行，长期经受恶劣条件的考验，多年以来沿海地区深受台风的侵害，台风灾害引起的线路故障已占到跳闸总数的30％以上，很多地区都曾发生因台风灾害，造成断线、闪络、杆塔倒塌等事故，给当地电力部门带来重大经济损失。为了能够准确地对输电线路杆塔及导线进行监测，帮助电力部门尽早发现隐患、排除故障、预警灾害显得至关重要。

目前，常规的形变监测技术主要有：大地测量法、测量机器人技术、GPS 变形监测技术、摄影测量法，测量设备包括倾斜仪、位移计、应变测量计、全站仪、GPS测量等，根据工作模式和测量特点来看，这些测量设备均属于单点形变测量系统，它们是目前应用最为广泛的形变监测手段，但存在以下应用局限性：

(1)组建成本高。逐点测量形变监测系统，在监测大型杆塔时需要密集布设传感器，野外工作量大，造成系统成本高、测量速度慢等问题；

(2)智能化程度低。系统构建比较费时，而且运行过程中检测和修复损坏器件等工作都将耗费较大的时间和成本；

(3)全天候工作能力低。很多传统监测方法，如全站仪属于光学测量仪器，在光线昏暗和雨天不能使用，很难实现全天实时监测；再如GPS监测的条件是要求卫星信号良好、天气条件较好。

日益增长的应用需求推动了形变监测技术向自动化、智能化方向发展。现今已有遥测技术包括：激光挠度仪、高清摄像头以及电磁波精确位移系统。用激光挠度仪来监测结构变形具有精度高(mm级)，同步性好，温漂、时漂小等优点。但激光设备在长距离测量时与测量机器人一样容易受环境干扰，而且目前的激光挠度仪均为点光源产品，进行多点测量时费用极其昂贵，目前还不太适合在长期监测使用。高清摄像头容易受到天气的影响，在光线不好或者雨雪天气下容易受到干扰，很难实现全天实时监测。

为此，我们提出一种基于微波干涉技术的导线舞动幅值监测系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于微波干涉技术的导线舞动幅值监测系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于微波干涉技术的导线舞动幅值监测系统，包括移相器、调制器、发射天线、接收天线、混频器、数字处理器、滤波器和采集器，所述发射天线信号连接以太网络，所述以太网络连接有可调节信号频率频偏的调制器，所述调制器信号连接有可对信号进行混频的混频器，所述混频器信号连接有接收天线，所述混频器信号连接有滤波器，所述滤波器信号连接有可对中频信号进行采集的采集器，所述采集器信号连接有数字处理器，所述调制器信号连接有移相器。

优选的，所述以太网络采用的是宽带网络。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明能够采集目标至电磁波发射点的距离、距离变化率(径向速度)、方位、高度等信息，并在雷达散射图中利用空间多点识别技术将目标点一一提取出来，实现多点监测，测定导线和杆塔在空间内的位置变化，并且对高压输电线杆塔的机械失效进行了分析，物理计算得出的基础参数形成数据库，用微波干涉的形变监测系统对台风区的输电线路杆塔进行带电检测，获得数据传送集控中心，通过比对做出判断，发出预警响应，以便工作人员采取相应措施，确保输电线路的安全运行，具有极大的应用与推广价值，本方案可以实现杆塔状态运行评估及时预警，确保输电线路的安全，减少电网事故的发生，降低电网跳闸率，大大提高电网的可靠运行，解决了我国电网在运行维护方面的技术难题，其经济效益及社会效益巨。

附图说明

图1为本发明形变监测系统接收机示意图；

图2为本发明干涉测量技术原理示意图；

图3为本发明LFMCW信号波形图和雷达成像后的窄脉冲图。

图中：1、移相器；2、调制器；3、发射天线；4、接收天线；5、混频器； 6、数字处理器；7、滤波器；8、采集器。

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。

请参阅图1，图示中的一种基于微波干涉技术的导线舞动幅值监测系统，包括移相器1、调制器2、发射天线3、接收天线4、混频器5、数字处理器6、滤波器7和采集器8，其特征在于：所述发射天线3信号连接以太网络，所述以太网络连接有可调节信号频率频偏的调制器2，所述调制器2信号连接有可对信号进行混频的混频器5，所述混频器5信号连接有接收天线4，所述混频器5信号连接有滤波器7，所述滤波器7信号连接有可对中频信号进行采集的采集器8，所述采集器8信号连接有数字处理器6，所述调制器2信号连接有移相器1。

通过发射天线3发射信号频率f

所述以太网络采用的是宽带网络，可为系统提供超强的脉冲信号，保障系统处理的信号强度。

微波干涉形变监测与传统形变监测方法比较有较突出的优点，如下：

与传统导线舞动幅值及杆塔承力状况形变的监测方法相比，基于微波干涉技术的形变监测系统优势有：

(1)监测距离长。系统发射的信号，具有方向性强、信号稳定等特点，作用距离能够达到数公里，作业人员无需进入探测区域就能够实时连续全天候的监测，监测精度高于其他传统监测方法。

(2)可以实现多点监测。传统的监测导线舞动和杆塔形变的监测技术均为单点监测，且组件成本高。而本项目所采用的基于微波干涉技术的形变遥测技术是用雷达作为传感器，雷达发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率(径向速度)、方位、高度等信息，并在雷达散射图中利用空间多点识别技术将目标点一一提取出来，实现多点监测，测定导线和杆塔在空间内的位置变化。

(3)不受气象环境限制。很多传统监测方法，如全站仪属于光学测量仪器，在光线昏暗和雨天不能使用，很难实现全天实时监测；再如GPS监测的条件是要求卫星信号良好、天气条件较好。而本项目则是雷达发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，通过精密相位干涉技术测量回波的相位变化来换算成导线位移及杆塔的结构形变量，不受气象环境的影响，且测量精度高。

(4)实时连续全天候的监测。本项目在研究中，设计低相噪、高稳定度的信号源，设计宽带信号发射和接收机，并且设计提高系统高低温、湿热、淋雨、盐雾等环境适应性，提高电路和软件的稳健性，实现长时间(以年计) 的无人值守持续工作。

(5)组件成本低。逐点测量形变监测系统，在监测大型杆塔时需要密集布设传感器，野外工作量大，本项目研制一套导线舞动及杆塔形变遥测系统，包括远程管理终端、至少一个雷达传感器和至少一个形变检测器，利用杆塔多观测点同时提取与形变测量技术，实现多点测量，达到监测导线舞动和杆塔形变的目的。

因此，基于微波干涉技术的重点杆塔形变及导线舞动健康监测具有重要理论和巨大的实用价值。有必要深入开展相关的研究，为输电线路安全运行提供有力手段。

如图3所示，对于杆塔上的多观测点识别，可以让监测系统发射超宽带电磁波信号的方式并通过脉冲压缩技术实现对杆塔上的多散射点进行空间区分。根据本项目的使用场景优选线性调频连续波信号(LFMCW)作为发射波形，其脉冲压缩原理如下：

电磁波频率随时间线性变化的信号波形，监测系统接收到信号后进行混频、滤波和采样处理，提取每一个频率点上回波的振幅和相位，相当于系统在频域上提取了目标的幅频响应，最后通过逆傅里叶变换即可重构出了目标的响应，可以发现原本持续时间较长的波形已经被压缩成一个很窄的脉冲，因此能够较好地分辨相隔很近的目标。

相位干涉测量方法使用两幅或多幅合成孔径图像，这些图像对应于不同时刻对相同检测区域的重复观测，根据系统接收到的回波的相位差反演生成目标形变图，该形变图表示了目标在系统视线方向的位移大小，信息处理软件可以根据目标的相对视角和先验信息估计出目标的真实形变(位移)大小。

如图2所示当系统第一次发射和接收电磁波，可确定目标相对于系统的距离r

在得到相位差后，即可推算出目标的位移量r

高稳定度的宽带电磁波信号源设计技术

基于微波干涉技术的形变监测系统测量目标的舞动及形变量是通过获得回波信号的相位变化差值来反演出形变量。系统相位噪声和工作频率偏差将直接造成形变测量误差增大，因此降低系统相位噪声和提高频率稳定度是形变监测系统获得高精度形变测量结果的基础。如早期研究者采用了矢量网络分析仪作为系统核心，但由于矢量网络分析仪的带宽大，自然其相位噪声比专门设计的信号源大一个数量级，另外矢量网络分析仪不是仅针对差分干涉测量应用设计的，其频率稳定度也无法得到保证。所以针对差分干涉应用设计专用的高稳定度的信号源尤为重要。

基于微波干涉技术的导线舞动及杆塔形变量反演技术

使用形变监测系统能够同时测量导线及杆塔上的多个位置的位移量，但是由于测量的目标形变并非是目标的真实形变，而是其形变在电磁波束方向上的投影，所以需要研究如何通过系统测量的目标形变量计算出杆塔及导线的真实形变量。

去掉各点目标形变量的直流量：

1)通过长时间的数据观测，去除掉各点目标形变量的直流量。

2)构建杆塔形变模型，并拟合杆塔真实形变量；

根据杆塔的受力模型，构建杆塔的形变模型，由此可以知道输电杆塔上各点形变量之间的关系。使用形变监测系统测量的各点目标的形变量数据就能够拟合出杆塔的真实形变量。

例如，假设杆塔可以看做是单端固定的悬臂梁模型，那么根据悬臂梁模型的各点形变量之间的关系

H为塔体高度，h为观测位置高度，F为受力，E为弹性模量，I为截面惯性矩

由此可知，在该模型下只要能够得到杆塔上一个目标点的形变量就能够拟合出整个杆塔的形变量。

由于真实杆塔的模型更为复杂，所以想要得到更为精确的杆塔形变量则需要构建更为精确的杆塔形变模型。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。