CN112719628A - 基于异物透明度的复色激光异物清除装置及方法 - Google Patents

基于异物透明度的复色激光异物清除装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于异物透明度的复色激光异物清除装置及方法，包括复色激光发生装置、复色激光合成缩束装置、云台和激光能量探测器，复色激光发生装置包括多个不同波段的激光发生器，复色激光合成缩束装置将复色激光发生装置发射的不同波段的激光进行单向导通与准直聚焦，形成复色激光束，通过云台控制将复色激光束射向异物，激光能量探测器接收近红外波段的异物反射的反射激光，通过反射激光的能量确定异物的透明度，复色激光合成缩束装置根据异物的透明度调整复色激光束的激光构成和功率，对异物进行切割。所述装置及方法通过判别异物透明度，调整各波长的激光发生器的工作情况和功率大小，达到更高的清理效率。

Description

基于异物透明度的复色激光异物清除装置及方法
技术领域
本发明涉及架空输电线路上异物清除技术领域，更具体地，涉及一种基于异物透明度的复色激光异物清除装置及方法。
背景技术
架空输电线路由于工作环境的复杂性，常常受到塑料薄膜、风筝线等飘浮型异物的缠绕，亦或是树木等的障碍。这些情形往往引发线路的绝缘问题，进而对电网的经济性、安全性、可靠性造成破坏。
在此背景下，激光的远距离切割技术由于其安全性、灵活性，在电网中得到越来越为广泛的应用，已逐步开始替代传统的人工清障手段。现有的激光技术能够射出一束近红外波长或中红外波长的单色激光，定向照射于异物，异物通过充分吸收激光能量而自燃或碳化熔断，最终再通过云台控制完成异物的切割。
然而，在激光异物清障装置的实际使用过程中会遇到不同类型的异物，不同的异物其表面特征不尽相同，尤其颜色特征，决定了其对不同波长的激光能量的具有不一致的吸收作用。通常情况下，树障等深色非透明异物对半导体、光纤激光器产生的短波长激光(主要是近红外波长)以及CO2激光器(主要是中红外波长)产生的长波长激光都能很好的吸收，但是短波长激光器由于其更高的光电转换效率及低成本的聚焦***更受青睐；而塑料薄膜等浅色透明异物对短波长激光呈现较高透射与反射特性，造成激光能量的浪费与切割工作效率低下，往往需要采用长波长激光才可完成切割。传统的激光器不具备对多波长的复色激光同时输出，很难在实际使用中高效低耗地清除每一种异物。
发明内容
本发明提供一种基于异物透明度的复色激光异物清除装置及方法，通过判别异物透明度，调整复色激光的工作情况和功率大小，从而达到更高的清理效率。
根据本发明的一个方面，提供一种基于异物透明度的复色激光异物清除装置，包括复色激光发生装置、复色激光合成缩束装置、云台、激光能量探测器，所述复色激光发生装置包括多个不同波段的激光发生器，所述复色激光合成缩束装置将所述复色激光发生装置发射的不同波段的激光进行单向导通与准直聚焦，形成复色激光束，通过云台控制将复色激光束射向异物，激光能量探测器接收近红外波段的异物反射的反射激光，通过反射激光的能量确定异物的透明度，反射激光的能量越高，异物的透明度越高，所述复色激光合成缩束装置根据异物的透明度调整复色激光束的激光构成和功率，对异物进行切割。
优选地，还包括反射镜，通过反射镜改变由异物反射回来的反射激光的激光光路，使反射激光射入激光能量探测器中。
优选地，还包括冷却***，对复色激光发生装置的激光发生器进行散热。
优选地，所述波段包括近红外波段和中红外波段。
优选地，所述激光能量探测器接收近红外波段的反射激光，通过光电管及放大电路将光信号转变为电压值，电压值相对于电压阈值越高，异物透明度越高；电压值相对于电压阈值越低，异物透明度越低。
优选地，所述激光能量探测器还包括指示灯，通过不同颜色的指示灯区分异物的透明度。
优选地，所述复色激光合成缩束装置在透明度越高时采用中红外波段的激光相对于近红外波段的激光的比例越高。
进一步，优选地，所述复色激光合成缩束装置在透明度越高时与异物之间的距离越小。
根据本发明的另一个方面，提供一种基于异物透明度的复色激光异物清除方法，包括：
通过激光发生器发射不同波段的激光；
将不同波段的激光进行单向导通与准直聚焦，形成复色激光束；
将复色激光束射向异物；
接收近红外波段的异物反射的反射激光，通过反射激光的能量确定异物的透明度，反射激光的能量越高，异物的透明度越高；
根据异物的透明度调整复色激光束的激光构成和功率，对异物进行切割。
上述基于异物透明度的复色激光异物清除装置及方法通过判别异物透明度，调整各波长的激光发生器的工作情况和功率大小，从而使异物高效吸收适宜其特征波段的激光能量，达到更高的清理效率。
附图说明
图1是本发明基于异物透明度的复色激光异物清除装置的示意图；
图2为本发明所述基于异物透明度的复色激光异物清除方法的流程图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例性实施方式。然而，示例性实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例性实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。
此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
需要说明的是，本公开中，用语“包括”、“配置有”、“设置于”用以表示开放式的包括在内的意思，并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。
图1是本发明基于异物透明度的复色激光异物清除装置的示意图，如图1所示，所述复色激光异物清除装置包括复色激光发生装置1、复色激光合成缩束装置2、云台(未示出)、激光能量探测器3，所述复色激光发生装置包括多个不同波段的激光发生器，所述复色激光合成缩束装置将所述复色激光发生装置发射的不同波段的激光进行单向导通与准直聚焦，形成复色激光束，通过云台控制将复色激光束射向异物10，激光能量探测器接收近红外波段的异物反射的反射激光，通过反射激光的能量确定异物的透明度，反射激光的能量越高，异物的透明度越高，所述复色激光合成缩束装置根据异物的透明度调整复色激光束的激光构成和功率，对异物进行切割。
优选地，所述复色激光合成缩束装置在透明度越高时采用中红外波段的激光相对于近红外波段的激光的比例越高。
此外，优选地，所述复色激光合成缩束装置在透明度越高时与异物之间的距离越小。
本发明基于异物透明度的复色激光异物清除装置中，所述复色激光发生装置通过采用激光阵列，可同时发射一定功率的近红外波长激光与中红外波长激光，两者混合形成复色激光，经过光路聚焦准直，产生复色激光束。所述激光能量探测器，通过接收并分析异物表面反射回来的近红外激光的光强度，得到远距离异物的透明度，从调整激光发生装置应发出激光带的复色情况，通过判别异物透明度，调整复色激光发生装置中各波长激光器的工作情况(打开或关闭)和功率大小，从而使异物高效吸收适宜其特征波段的激光能量，达到更高的清理效率。
在一个可选实施例中，还包括反射镜4，通过反射镜改变由异物反射回来的反射激光的激光光路，使反射激光射入激光能量探测器中。
在一个可选实施例中，还包括冷却***，对复色激光发生装置的激光发生器进行散热。
在一个实施例中，所述复色激光合成缩束装置采用二维对称式锥形结构，锥形结构的边缘有溢出光吸收涂层，多次反射后将入射的激光混合均匀，同时将混合后的复色激光束异物的材料形状进行扩展或缩小成扁平化的平行能量光束。
在一个实施例中，所述激光能量探测器接收近红外波段的反射激光，通过光电管及放大电路将光信号转变为电压值，电压值相对于电压阈值越高，异物透明度越高；电压值相对于电压阈值越低，异物透明度越低。
优选地，所述激光能量探测器还包括指示灯，通过不同颜色的指示灯区分异物的透明度。
在本发明的一个优选实施例中，基于异物透明度的复色激光异物清除装置包括复色激光发生装置1、复色激光合成缩束装置2、冷却***、云台、反射镜4和能量探测器3，其中：
所述复色激光发生装置1为多个近红外波段(主要为760nm-1100nm)带状激光发生器11和中红外波段(主要为10um-12um)激光发生器12，用于向复色激光合成缩束装置2发射设定功率复色激光带，例如，复色激光发生装置1为多个半导体和CO2激光发生器；近红外的激光发生器的功率达到单条100W，复色激光发生装置总功率最高可达600W；发射光角度快轴方向30度，慢轴方向10度；每一激光发生器的工作开关受人工控制，以针对不同透明度异物，操作者可根据工程经验或反射激光能量探测装置的透明度指示，调整复色激光带的发生情况及功率大小，从而达到高效率、低功耗的目的。例如，对于清理透明度较低的深色物质如树障，往往只需打开近红外波段带状激光发生器；例如，对于清理透明度较高的浅色物质如塑料薄膜，需要同时打开两种波段的带状激光发生器。
所述复色激光合成缩束装置2对复色激光带进行单向导通与准直聚焦，形成复色激光束，并通过云台控制将复色激光束精准射向异物；所述复色激光合成缩束装置采用二维对称式锥形结构，其波导的斜边角度基于激光的发散角确定，锥形结构的边缘有溢出光吸收涂层，多次反射后将入射的激光混合均匀，同时将混合后的复色激光束异物的材料形状进行扩展或缩小成扁平化的平行能量光束，激光功率密度可达到500W/cm2以上。
所述冷却***是针对半导体激光器的液冷装置，用于工作过程中的快速散热。
所述云台通过转轴的电动二维驱动控制，调整射出的复色激光束的运动路径，用于形成激光路径。
所述反射镜4用于改变由目标物反射回来的激光光路，使反射激光精确射入激光能量探测器中。
所述激光能量探测器3包括指示灯31、能量探头32、数据控制处理***33、滤波、光电管及放大电路，能量探头用于接收由反射镜折射后的反射激光；通过滤波处理，所述激光能量探测器只接收近红外波段的反射激光，通过光电管及放大电路将光信号转变为电压值Vn，数据控制处理***33对电压值进行阈值判断，控制指示灯发出不同指示光，例如，绿灯(指示光为绿色)表示低透明度，红灯(指示光为红色)表示高透明度若电压值Vn高于电压阈值V0，则表示异物透明度较高，点亮红灯；若电压值Vn低于电压阈值V0，则表示异物透明度较低，点亮绿灯；例如，树障等深色异物透明度较低，对近红外激光和中红外激光的反射率都非常低，测得该电压值低于电压阈值V0，点亮绿灯。例如，塑料薄膜等浅色异物透明度较高，对近红外激光的反射率高于深色物质，测得该电压值高于电压阈值V0，点亮红灯；而由于近红外波长的激光发生器具有更高的光电转换效率及低廉的聚焦成本，当绿灯亮时，操作者往往仅采用近红外波长的激光发生器；而近红外波长的激光发生器对于透明物质有着更好的热效应，当红灯亮时，操作者往往同时采用两种波段的复色激光，并调近装置与异物之间的距离以减少中红外波长散射损耗。
优选地，起始工作时刻，仅打开全部近红外激光器，用于异物的初步切割，同时能量探测器对于异物反射近红外激光的探测；每一带状激光发生器(近红外激光器)的工作开关受人工控制，以针对不同透明度异物，操作者可根据工程经验或反射激光能量探测装置的透明度指示，调整复色激光带的发生情况及功率大小，从而达到高效率、低功耗的目的。
上述基于异物透明度的复色激光异物清除装置通过人工控制复色激光发生装置各波长激光器的工作情况和功率大小，能够对不同异物针对性使用适宜异物特征波段的激光，以此提高异物对于激光能量的吸收率；通过反射激光能量探测装置指示异物透明度，尤其在远距离细窄异物不易判别透明度时，方便操作者直接根据透明度判别结果，调整复色激光装置的工作情况。
虽然，上述给出了人工控制的实施例，但是本发明并不限于此，切割激光的功率和波段构成调节可以采用电动控制实现，例如，通过给不同的激光发生器发射工作或不工作的信号，使得发出不同波段的激光，复色激光合成缩束装置与异物的距离也也可以通过电动实现。
图2是本发明所述基于异物透明度的复色激光异物清除方法，其特征在于，包括：
步骤S1，通过激光发生器发射不同波段的激光；
步骤S2，将不同波段的激光进行单向导通与准直聚焦，形成复色激光束；
步骤S3，将复色激光束射向异物；
步骤S4，接收近红外波段的异物反射的反射激光，通过反射激光的能量确定异物的透明度，反射激光的能量越高，异物的透明度越高；
步骤S5，根据异物的透明度调整复色激光束的激光构成和功率，对异物进行切割。
在步骤S1中，所述波段包括近红外波段和中红外波段，也就说所述激光发生器包括近红外激光发生器和中红外激光发生器，优选地，近红外波段在760nm-1100nm范围内，中红外波段在10um-12um范围内，进一步，优选地，近红外激光发生器功率达到单条100W，发射光角度快轴方向30度，慢轴方向10度。
在步骤S2中，还包括：根据异物的材料形状对复色激光束进行扩展或缩小，例如，风筝线就需要极窄的激光光斑线宽，树枝鸟窝就需要较大的激光光斑线宽。
在步骤S4中，所述通过反射激光的能量确定异物的透明度的步骤包括：
将放射激光进行滤波，接收近红外波段的反射激光；
将近红外波段的反射激光转换为电信号(电流值或电压值)；
构建异物透明度和电信号的映射关系，例如，通过光电管将光信号转换成电信号，可以通过实验，确定异物的透明度和电信号之间的映射关系，也可以构建异物透明度和电信号之间的神经网络模型，通过样本训练获得两者之间的映射关系。
优选地，所述通过反射激光的能量确定异物的透明度的步骤还包括：
将将近红外波段的反射激光转换为电压值；
设定电压阈值；
电压值大于电压阈值，异物透明度大；
电压值小于电压阈值，异物透明度小。
在步骤S5中，所述根据异物的透明度调整复色激光束的激光构成和功率的步骤包括：
异物透明度越大时，中红外波段的激光在复色激光束中所占的比例越大。
优选地，异物透明度越大，复色激光束的功率越高。
在本发明的一个优选实施例中，采用基于异物透明度指示的复色激光异物清除装置进行异物清除的方法包括：
将复色激光合成缩束装置的激光出射镜头对准异物，调整云台瞄准异物。打开复色激光发生装置，其在启始工作状态时，半导体条状激光器(近红外波段的激光发生器)处于全工作状态，经过复色激光合成缩束装置的聚焦准直作用，形成高能量激光束；通过云台的方位控制作用，形成激光刀切割路径。
调整反射镜，使通过异物反射回来的激光射向激光能量探测器。
反射激光进入激光能量探测器后，首先经过滤波处理，只探测近红外波段的反射激光。然后通过光电管、放大电路作用，将光信号转变为电压值。若电压值Vn高于电压阈值V0，则表示异物透明度较高，点亮红灯；若电压值Vn低于电压阈值V0，则表示异物透明度较低，点亮绿灯；
绿灯亮，则保持半导体激光器的全工作状态，用于针对深色低透明度异物的高效切割；红灯亮，则同时打开全部co2激光器(中红外波段的激光发生器)，使激光发生装置同时发出两种波长的复色激光，用于针对浅色高透明度异物的高效切割。
本发明基于异物透明度指示的复色激光异物清除装置及方法通过判别异物透明度，调整复色激光发生装置中各波长激光器的工作情况(打开或关闭)和功率大小，从而使异物高效吸收适宜其特征波段的激光能量，达到更高的清理效率。
尽管前面公开的内容示出了本发明的示例性实施例，但是应当注意，在不背离权利要求限定的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的发明实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明的元素可以以个体形式描述或要求，但是也可以设想具有多个元素，除非明确限制为单个元素。

Claims (9)

1.一种基于异物透明度的复色激光异物清除装置，其特征在于，包括复色激光发生装置、复色激光合成缩束装置、云台、激光能量探测器，所述复色激光发生装置包括多个不同波段的激光发生器，所述复色激光合成缩束装置将所述复色激光发生装置发射的不同波段的激光进行单向导通与准直聚焦，形成复色激光束，通过云台控制将复色激光束射向异物，激光能量探测器接收近红外波段的异物反射的反射激光，通过反射激光的能量确定异物的透明度，反射激光的能量越高，异物的透明度越高，所述复色激光合成缩束装置根据异物的透明度调整复色激光束的激光构成和功率，对异物进行切割。
2.根据权利要求1所述的基于异物透明度的复色激光异物清除装置，其特征在于，还包括反射镜，通过反射镜改变由异物反射回来的反射激光的激光光路，使反射激光射入激光能量探测器中。
3.根据权利要求1所述的基于异物透明度的复色激光异物清除装置，其特征在于，还包括冷却***，对复色激光发生装置的激光发生器进行散热。
4.根据权利要求1所述的基于异物透明度的复色激光异物清除装置，其特征在于，所述波段包括近红外波段和中红外波段。
5.根据权利要求1所述的基于异物透明度的复色激光异物清除装置，其特征在于，所述激光能量探测器接收近红外波段的反射激光，通过光电管及放大电路将光信号转变为电压值，电压值相对于电压阈值越高，异物透明度越高；电压值相对于电压阈值越低，异物透明度越低。
6.根据权利要求1所述的基于异物透明度的复色激光异物清除装置，其特征在于，所述激光能量探测器还包括指示灯，通过不同颜色的指示灯区分异物的透明度。
7.根据权利要求2所述的基于异物透明度的复色激光异物清除装置，其特征在于，所述复色激光合成缩束装置在透明度越高时采用中红外波段的激光相对于近红外波段的激光的比例越高。
8.根据权利要求7所述的基于异物透明度的复色激光异物清除装置，其特征在于，所述复色激光合成缩束装置在透明度越高时与异物之间的距离越小。
9.一种基于异物透明度的复色激光异物清除方法，其特征在于，包括：
通过激光发生器发射不同波段的激光；
将不同波段的激光进行单向导通与准直聚焦，形成复色激光束；
将复色激光束射向异物；
接收近红外波段的异物反射的反射激光，通过反射激光的能量确定异物的透明度，反射激光的能量越高，异物的透明度越高；
根据异物的透明度调整复色激光束的激光构成和功率，对异物进行切割。
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