【激光对射】：高压线激光防外力破坏监测预警系统

系统设计

高压线防外破激光监测指向仪是滕州市飞天激光自动化技术有限公司针对当前我国高压线路受外力破坏非常严重的现象而研发的能对高压输电线路可能或将要发生的外力破坏事件实现现场警示阻止和预报警的新型电力防护设备。系统能自动计算外物体接近高压线的位置距离，根据不同高压级别线路设定的安全距离参数来确定其危险程度,实现分档报警。产品同时具有铁塔倾斜报警、撞击报警等功能。采用GSM通讯方式，太阳能供电，可远距离实现对高压线路长期点位和临时点位的监控，并提供与视频监控联动的接口，可以将激光探测与视频监控两者结合使用，当激光探测到超高物体时迅速启动现场视频监控，提高监控效能。 

系统说明

（一）系统实现原理

系统利用激光检测高压线磁场强度的变化值和激光往返目标传输所需时间来确定外物体与高压线的位置距离，按照预先设定的几级安全距离参数值，实时在线预警高压线路附近的施工状况，超越基本警戒值或其它预设值时系统可自动对超高作业行为实时抓拍照片或录像，即时自动播放语音提示信息或固定录音警示劝其离开，并以短信的方式将告警信息发送至线路维护单位相关负责人和领导手机上，同时也可通过接通报警电话实时语音喊话，及时制止危险作业。

根据相对位置距离计算分析，能对高压线下的树木生长状态进行长期监控，实现超高报警；根据传感器探测实现铁塔倾斜报警、撞击报警。报警时，系统主机自动发送报警短信息或拨打报警电话到设定好的用户手机号码，并启动现场网络摄像机进行监控，能将现场视频和图片传输到后台或用户手机客户端。

系统组成

 系统包含激光测距单元、报警控制主机、高速智能球形网络摄像机、3G工业路由器、高声响喇叭、现场警示灯、太阳能电池板、振动传感器、后台计算机或管理员手机、配套的电脑客户端软件等。

1） 激光监测器

激光监测器是靠激光为检测媒介进行实时监测，以一道不可见激光束为监测基准线。光源受激光腔的滤波效应，其光束细、功率密度高、光线叠加幅度稳定且在时间上和空间上周期一致，不仅可以长期工作而且可以提高测试精度。

激光监测分脉冲测量法和相位测量法；其中脉冲测量法是利用激光脉冲在大气中传播的时间差实现距离的测量，它适合测距量程较远的应用场合。

相位测量法是测量激光脉冲在目标物之间往返过程中产生的相位变化，经过换算得出被测目标的距离，目前这种测量方法适合测距精度要求较高的场合。其基本原理如图：

设调制频率为f，调制波形如上图，波长为λ=，式中c是光束。由图可知，激光脉冲从A点到B点的相移φ可表示为：

φ=2mπ+△φ=2π(m+△m)

式中m是零或正整数，△m是小数，△m=△φ/2π。AB两点之间的距离L为：L=ct=cφ/(2πf)= φ(m+△m)

式中，标示光由A点传到B点所需的时间。如果测得光波相移φ表达式中的整数m和小数△m，就可以由上式确定出被测距离L。

我公司研发的高压线路防外力破坏激光监测器内的激光监测单元部分将脉冲测量和相位测量两种方法的优点相结合，达到了测试精度高且监测量程远的应用要求。测量脉冲经倍频、发射、接收、放大、整形、鉴频等一系列硬件电路处理送入内部逻辑运算单元并结合软件程序分析，对防护区域实现高精度不间断监控。调试人员通过“手动测量”按钮设定目标距离，激光测距单元即以此目标距离为监测标准，在塔杆之间若有物体超越或遮挡激光监测线，测距单元会自动分析并计算出相对位置距离并启动报警。 

在需要监控的高压线路一端铁塔上安装固定好高压线路防外力破坏激光监测器及其它辅助设备。其内部激光测距单元发出的激光射线水平对准两塔之间输电线弧垂下5米（110KV）、6米（220KV）、9米（500KV）位置。当管理人员或监控室通过手机向报警控制主机发布“布防”指令后系统进入工作状态，一旦发生物体接近高压线5米（110KV）、6米（220KV）、9米（500KV）警戒距离值时触发报警（用户可以根据现场实际情况自行设定初始值或其它档位值），现场高音喇叭发出声响警报“高压危险，注意安全”的语音提示，主机同时将报警信息通过 GSM 无线网络发送给相关管理人员，管理人员可以直接进行远程喊话提示，或与电力110实现联网处置。对与视频监控联动的，自动触发图像抓拍、视频采集，通过无线3G/GPRS/WCDMA/EVDO网络向监控中心在线传输现场实时图像、视频。系统同时设定物体越过初始警戒值后进一步靠近高压线时的多档报警值，便于管理人员评估外物体高危动作风险，采取紧急操作措施。

不同等级输电线路报警距离设置参考值：

激光监测单元模块化设计，水平检测角度范围10°，垂直检测角度范围15°。按照500米检测距离，左右检测范围10米计算，得出激光监测单元的转动角度范围为1.14588°，因此水平10°的可旋转范围完全满足使用需求。 

∠e=Arctana(CD/AD)=Arctana(5/500)=0.57294°

2*∠e = 0.57294°= 1.14588°

激光监测单元技术指标：

2） 报警控制主机 

 报警控制主机采用GSM最新的无线移动通讯网络及相关的数字处理技术。

·用户可通过GSM短信息进行远程布防/撤防；

·主机具有报警恢复短信或电话提醒功能；

·自动向5组手机号码发送短信息告警；

·自动拨打5组手机或固定电话告警，启动现场监听及对讲；

·通过短信息查询主机的系统状态，报警事件；

·通过短信息查询防区布防/撤防状态；

·支持电源检测报警，防止蓄意破坏电源系统及电源故障检测；

·GSM网络全无线传输报警，不怕剪线；

·通过ROHS/CE/FCC等多项认证，符合3C安全标准和GB12663-2001国家标准；

3）高速智能球形网络摄像机

a）、产品介绍

系统配备高速智能球形网络摄像机，是集网络远程监控功能、视频服务器功能和高清智能球功能为一体的新型网络智能球形摄像机。智能球除具有预置点、扫描等基础功能外，还基于无线网控制，可实现图像压缩并能通过3G网络传输给系统后台。智能球内置云台，精密电机驱动，设备反应灵敏、运转平稳，在任何情况下，实现图像无抖动。 

b）、产品性能

·内置视频服务器

·使用高性能处理芯片及平台，性能可靠、稳定。

·采用H.265高压缩比算法，更大节省了网络传输带宽和存储空间。

·支持动态调整编码参数，支持 TCP/IP、PPPoE、DHCP、UDP、MCAST、FTP、

SNMP 等协议；支持 ONVIF、CGI、PSIA 等开放互联协议。

·支持三码流传输，可根据不同的应用环境选择使用主码流、子码流或第三码流。

·支持基于 NAS 的远程集中存储，存储数据安全且存储速度快。

·支持并可自动识别 Pelco-P、Pelco-D 及私有厂家协议。

c）、产品功能

·扫描功能

智能球支持自动扫描、垂直扫描、帧扫描、随机扫描、巡航扫描、花样扫描和全景扫描等扫描方式。

·预置点功能

智能球支持多个预置点的设置，每个预置点包含云台水平位置、垂直位置、

镜头变倍等参数信息，您可通过控制键盘、NVR 或客户端等方式设置和调用预置点。

·预置点视频冻结

该功能开启后，在调用预置点时，当智能球到达目标预置点方位之前，视频图像将停留在调用预置点之前的状态。

·录像及抓图功能 智能球支持录像及抓图功能。

·守望功能

当智能球开启守望功能，且一段时间内没有控制信号到来时，如果有预设的自动运行动作，智能球将自动执行该动作。

·比例变倍自动调整

智能球比例变倍时，水平和垂直方位的速度将自动随着变倍倍率变化而变化。当倍率增大时，智能球移动速度自动变慢；当倍率减小时，智能球移动速度自动变快。比例变倍可确保获得较好的物体跟踪效果。

·背光补偿或宽动态功能

当打开背光补偿功能时，在强光背景下，智能球将自动调节较暗的目标，使目标画面清晰可见。当打开宽动态时，智能球自动平衡监控画面中最亮和最暗部分的画面，以便看到更多监控画面细节。

·智能运动跟踪功能

智能球能自动检测场景中的运动目标，并能自动调整焦距和位置使目标始终以预定尺寸处于视野的中心，得到目标的完整信息，是一种主动的监控方式，增强了智能球的实际应用。

·事件功能

智能球支持普通事件及 Smart 事件，普通事件包含移动侦测、遮挡报警、视频丢失、报警输入/输出和异常报警；Smart 事件包含音频异常侦测、人脸侦测、越界侦测、区域入侵侦测、进入/离开区域侦测、徘徊侦测、人员聚集侦测、快速移动侦测、停车侦测、物品遗留侦测及物品拿取侦测。

·掉电记忆

智能球缺省支持掉电记忆功能，即在掉电前某个位置经停留满选定的时间后，智能球重新上电后即可恢复到掉电前的位置。

·3D 定位功能

开启 3D 定位后，可以使用鼠标选取智能球画面的任意部位。智能球将自动变倍转动，对该部位进行准确定位监控。

d）、技术指标

4）3G工业路由器

3G路由器是完成图片和视频传输的核心部分，是互联网络的枢纽。高性能的32位嵌入式处理器，内嵌完备的TCP/IP协议栈，工业级全网无线模块，支持TD-LTE/FDDLTE/WCDMA/ TD-SCDMA/EVDO/EDGE/GPRS/GSM/CDMA等多种网络制式；支持动态域名解析及DNS代理；防火墙技术，保证了数据的传输安全；支持自动在线检测，实时动态刷新网络状态，保持链路畅通，具有定时上下线功能，节省用户流量。工业级设计标准，超强的防潮、防雷、防电磁干扰能力。产品如下图所示：

5）电源系统

电源系统包括太阳能单晶硅电池板、免维护硅能胶体蓄电池、电源管理电路等。

高压线防外力破坏激光检测器整个系统采用太阳能供电方式，系统通过电脑芯片对蓄电池的端电压、放电电流、环境温度等涉及蓄电池容量的参数进行采样，通过专用控制模型计算，实现符合蓄电池特性的放电率、温度补偿修正、高效、高准确率的控制。

电源系统具有短路、过载、独特的防反接保护；以上保护均不损坏任何部件，不烧保险。

a）、太阳能单晶硅电池板

太阳能电池板选用大功率单晶硅板，其转换效率高，工作温度范围宽；电池板采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，因此其坚固耐用，使用寿命一般可达15年，最高可达25年。参考实物如下图所示：

b）、免维护硅能胶体蓄电池     

本系统中所用到的是免维护硅能胶体蓄电池，硅能胶体蓄电池是对液态电解质的普通铅酸蓄电池的改进，其性能优于阀控密封铅酸蓄电池，硅能胶体蓄电池具有使用性能稳定，可靠性高，使用寿命长，对环境温度的适应能力（高、低温）强，承受长时间放电能力、循环放电能力、深度放电及大电流放电能力强，有过充电及过放电自我保护等优点。 

胶体电池采用凝胶状电解质，内部无游离液体存在，在同等体积下电解质容量大，热容量大，热消散能力强，能避免一般蓄电池易产生热失控现象；电解质浓度低，对极板的腐蚀作用弱；浓度均匀，不存在电解液分层现象。使用耐腐蚀性好的特殊铅钙合金制成的板栅，把自放电控制在最小。 系统配备12V/38AH容量硅能胶体蓄电池，系统正常工作不报警的状态下电池满容量情况下按照80%的放电深度计算，理论可允许供整个系统不间断运行大于150小时；即电池充满电，仅电池自主供电的情况下系统可正常运行至少6天。

电源管理电路

电源管理电路采用了串联式PWM充电主电路，使充电回路的电压损失较使用二极管的充电电路降低近一半，充电效率较非PWM高3%-6%；过放恢复的提升充电，正常的直充，浮充自动控制方式使系统由更长的使用寿命；同时具有高精度温度补偿；蓄电池充满、过放自动关断、恢复等全功能保护措施。所有控制全部采用工业级芯片，能在寒冷、高温、潮湿环境运行自如。同时使用了晶振定时控制，定时控制精确。利用Flash存储器记录各工作控制点，使控制点数字化，消除了能使控制点出现误差降低准确性、可靠性的因素。

6）控制系统

调试时“自动运行/手动模式”按钮需设置在“手动模式”；按“左移”或“右移”按钮通过目镜观察对准测量目标，按“手动测量/显示唤醒”按钮，测距单元完成一次测距；按“报警值设定”按钮将测量到的距离值减10米(消除系统误差)设定为报警参考值，自动运行后系统将每次测量得到的距离值与设定值作比较，并判断是否有报警出现。“手动模式”时通过“左移”或“右移”按钮找到左边界位置，按“左-设定”可把此时的位置设为左边界，找到右边界位置按“右-设定”可把此时位置设置为右边界，系统自动保存计算并将左右边界内的空间10等分作为扫描预置点，每个点位持续检测2S后转入下一点。A1、A2以10米间距为例，每个检测点之间的距离则为1米，实测500米处有效激光光斑宽度为1.2米，所以整个扫描过程并不会存在检测盲区。

旋转检测由步进电机及减速机构完成，重复定位精度小于0.05°，转动快速且稳定。

7）报警设备

系统支持现场声光报警、提示音报警及电话对讲等功能，报警时系统启动现场声光报警器，并拨打报警电话，用户可接听后实现远程对讲。现场声光报警器如下图： 

现场报警灯选用红色工业报警指示灯，报警时具有旋转频闪效果，夜间在500米外可清晰看到报警光源；声音响度＞120dB。

语音提示器参考实物如下图： 

单个语音提示器额定功率为100W，音量大，音质纯净，传音距离远。

配置清单

安装与接线

整个系统贯穿模块化一体设计思路，设备和太阳能电池板分开安装，接线非常简单。采取直接或间接固定于线塔角钢的方式实现安装，安装时激光检测器镜头水平正对前方，安装人员打开设备后盖，透过激光监测器目镜观看远方测量目标物并移动调整设备整体方向或角度，确保目镜内的“十字准星”瞄准远方目标物将设备紧固即可（一般选择对面另一座塔杆为目标参照物）。

设备固定后将随机附带的GSM网络天线和3G路由器延长天线接到设备指定位置，然后将设备和太阳能电池板之间自带的MC4二通光伏电线连接器对接接线完成。

山东飞天激光光电科技有限公司成立于2009年9月1日，公司专注于激光光电探测技术的研发，以周界入侵报警产品为主导，同步开展智能交通和工业自控类产品的研发和制造，正初步形成以产品开发，解决方案，和平台服务全价值链业务格局，公司以“高”“精”“尖”产品为主，不断为石油石化管线分输加压站，油库罐区，高铁变电所，地铁停车场，机场停机坪，监狱围墙，看守所内保，电力变电所，边防哨所警戒等高端周界防范领域提供强力支撑，为道路交通保驾护航，还为广阔的民用光电市场提供优质产品，致力于成为激光周界安防行业综合解决方案提供商和服务商。

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