CN111146728B - 用于电网激光异物清除装置的高效闭环调焦系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于电网激光异物清除装置的高效闭环调焦系统及方法，该系统自动化程度高，可根据环境情况自动调节衰减片衰减量、可自动识别出成像画面中光斑位置、可根据光斑直径信息自动调焦，降低工系统调试对人员操作的难度，本发明提供的方法减少了调试工作量，适用于批量生产调试阶段，降低产品生产周期，该方法根据异物材料和导线损伤阈值选择合适的激光光斑大小，避免损伤输电线路。

Description

用于电网激光异物清除装置的高效闭环调焦系统及方法
技术领域
本发明涉及一种调焦方法。更具体地，涉及一种用于电网激光异物清除装置的闭环控制的调焦系统及方法。
背景技术
利用激光技术，对高压输电网飘浮的异物，如风筝、塑料等进行清理，具有远距离非接触、安全性强、效费比高等优点。为实现对异物的有效清除，对于一定功率激光需要将光斑调整至适当的大小，光斑过小到靶功率密度过高会对输电导线造成损伤，光斑过大功率密度降低则无法满足清除功率密度要求。
电网激光异物清除系统中常见的调焦方法有准直发射法和非闭环调焦法。准直发射法是将光纤激光器输出的激光束直接通过透镜准直获得平行发射的激光，这种方法只能在有限距离内获得最佳清理效果，而在其他距离效果较差，导致系统灵活性差；此外镜片上的光斑直径较小，导致对镜片的抗损伤阈值较高，镜片极易损坏。非闭环调焦法是预先获取不同距离的激光调焦参数，现场使用时再根据异物距离手动调焦到标定位置，此方法调焦误差大、对操作者要求高，此外极易受环境温度变化和运输振动影响，导致焦点位置漂移，系统可靠性差。本发明采用闭环调焦方法，建立发射镜头调焦位置与光斑信息的闭环控制，实时调节获得满足要求的激光光斑，此外还可依据异物材料选择激光光斑大小。相较于传统方法更加灵活、提升了调焦精度，降低了调焦复杂性和工作量。
闭环调焦方法基于对激光光斑的成像与图像处理，限制闭环调焦方法的难点主要有以下两点，一是对图像传感器分辨率要求较高，需准确分辨出在几百米距离下的毫米级光斑；二是异物清除所需激光强度高，导致图像传感器采集到的光斑亮度饱和，同时环境亮度变化也会导致成像对比度变化，增加了光斑检测难度。针对第一点本发明采用电网激光异物清除系统中自带的成像器作为激光光斑图像采集器，利用成像器的高分辨率可满足激光光斑分辨的需求。第二点本发明中采用衰减片对激光波长进行滤波衰减，可有效降低图像传感器上的激光强度，采用可调节衰减片，根据环境对比度自适应调节衰减量，从而获得准确的光斑信息。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于电网激光异物清除装置的高效闭环调焦方法，解决电网激光异物清除装置对发射激光的调焦准确性，对环境温度变化及运输震动的适应性，降低系统调试标校的人员工作量，提升调焦的灵活性。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
第一方面，本发明提供一种用于电网激光异物清除装置的高效闭环调焦系统，包括清除装置、待处理异物目标以及成像模块；
所述清除装置包括激光发射器、发射镜头、调焦控制模块以及测距模块；
其中，所述激光发射器用于发射激光；
所述发射镜头，用于调整所述发射激光的发散角，使发射激光聚焦；
所述调焦控制模块，用于调整所述发射镜头的位置，改变发射镜头的焦距；
所述测距模块，用于测量所述发射镜头与待清理异物之间的距离。
其中，所述清除装置用于清除所述待处理异物目标；
所述成像模块用于采集所述清除装置发射到所述待处理异物目标表面的激光所形成的光斑信息，并对所述光斑信息进行处理；
所述清除装置还用于根据所述处理后的光斑信息，通过所述调焦控制模块调节所述发射镜头的位置来改变所述发射激光的焦距，并获取最佳调焦参数。
可选地，还包括设置在所述成像模块前的可调衰减片，用于在所述成像模块采集光斑信息之前，对光斑图像激光波长进行滤波衰减。
可选地，所述可调衰减片根据当前环境亮度自适应调节衰减量。
可选地，所述成像模块对光斑信息进行处理包括将采集的图像通过成像模块自动识别光斑位置，将光斑区域依次经过灰度化、二值化、形态学滤波、填充图像获得完整光斑形状，再经边缘提取获得光斑直径信息。。
第二方面，本发明提供一种用于电网激光异物清除装置的高效闭环调焦方法，包括以下步骤：
S1、根据待清理的异物材料确定激光清除功率密度最低阈值，根据输电线路损伤阈值确定激光清除功率密度最高阈值，在所述最低阈值与最高阈值范围内根据发射镜头的焦距以及高斯公式确定初始调焦参数；
S2、测距装置获取清除装置与待清理异物之间的距离，根据所述初始调焦参数控制调焦控制模块将发射镜头移动到初始调焦位置；
S3、开启激光发射器发射低功率激光，调整激光发射器的位置使得所述低功率激光经发射镜头调焦后到达待处理异物表面；
S4、利用成像模块采集所述调焦后的低功率激光在待处理异物表面形成的光斑图像信息；
S5、通过成像模块对采集到的光斑图像进行预处理，获得所述光斑图像中光斑的直径信息；
S6、通过调焦控制模块改变发射镜头的位置来改变通过发射镜头的激光焦距，重复步骤S4-S5，获得调焦参数与光斑直径关系曲线，选取最佳调焦参数并保存；
S7、通过所述最佳调焦参数将所述发射镜头的位置固定在最佳位置，所述激光发射器发射满功率激光，消除待清理异物，存储当前位置与调焦参数。
可选地，该方法还包括，不断改变清除装置与待清理异物之间的距离，重复S2-S6，获取不同距离与最佳调焦参数之间的曲线关系图。
可选地，所述S5中，对采集到的光斑图像进行预处理包括，将采集的图像通过成像模块自动识别光斑位置，将光斑区域依次经过灰度化、二值化、形态学滤波、填充图像获得完整光斑形状，再经边缘提取获得光斑直径信息。
可选地，在成像模块采集光斑图像之前，通过可调衰减片对光斑图像进行光强衰减，所述可调衰减片根据当前环境亮度自适应调节衰减量。
本发明的有益效果如下：
本发明提供一种用于电网激光异物清除装置的高效闭环调焦系统及方法，该系统自动化程度高，可根据环境情况自动调节衰减片衰减量、可自动识别出成像画面中光斑位置、可根据光斑直径信息自动调焦，降低工系统调试对人员操作的难度，本发明提供的方法减少了调试工作量，适用于批量生产调试阶段，降低产品生产周期，可根据异物材料和导线损伤阈值选择合适的激光光斑大小，避免损伤输电线路，可根据使用时光斑的情况闭环控制调焦，避免环境温度和运输适应性导致的光路漂移对调焦的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出本发明用于电网激光异物清除装置的高效闭环调焦方法流程图。
图2示出本发明用于电网激光异物清除装置的高效闭环调焦系统结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
需要说明的是，本发明术语【本发明实施例不对步骤a至e的执行顺序进行限制，例如，可依次执行步骤c、步骤a】
【本发明所有数值指定(例如温度、时间、浓度及重量等，包括其中每一者的范围)通常可是适当以0.1或1.0的增量改变(+)或(-)的近似值。所有数值指定均可理解为前面有术语“约”。】
实施例
如图1示出的一种用于电网激光异物清除装置的高效闭环调焦方法包括以下步骤：
S1、根据待清理的异物材料确定激光清除功率密度最低阈值，根据输电线路损伤阈值确定激光清除功率密度最高阈值，在所述最低阈值与最高阈值范围内根据发射镜头的焦距以及高斯公式确定初始调焦参数，
其中，激光清除功率密度最低阈值应答满足能够对待清理的异物起到清除能力，激光清除功率密度最高阈值应答满足不对输电线路产生损伤；
S2、测距装置获取清除装置与待清理异物之间的距离，根据所述初始调焦参数控制调焦控制模块将发射镜头移动到初始调焦位置；
S3、开启激光发射器发射低功率激光，调整激光发射器的位置使得所述低功率激光经发射镜头调焦后到达待处理异物表面；
S4、利用成像模块采集所述调焦后的低功率激光在待处理异物表面形成的光斑图像信息；
在成像模块采集光斑图像之前，通过可调衰减片对光斑图像进行光强衰减，所述可调衰减片根据当前环境亮度自适应调节衰减量。
S5、通过成像模块对采集到的光斑图像进行预处理，获得所述光斑图像中光斑的直径信息，将采集的图像通过成像模块自动识别光斑位置，将光斑区域依次经过灰度化、二值化、形态学滤波、填充图像获得完整光斑形状，再经边缘提取获得光斑直径信息；
S6、通过调焦控制模块改变发射镜头的位置来改变通过发射镜头的激光焦距，重复步骤S4-S5，获得调焦参数与光斑直径关系曲线，选取最佳调焦参数并保存，不断改变清除装置与待清理异物之间的距离，重复S2-S6，获取不同距离与最佳调焦参数之间的曲线关系图。
S7、通过所述最佳调焦参数将所述发射镜头的位置固定在最佳位置，所述激光发射器发射满功率激光，消除待清理异物，存储当前位置与调焦参数。
本发明所述的方法通过初始参数预估、光斑图像采集处理、调焦参数获取、闭环控制三个步骤实现。
初始参数阶段，首先根据待清理的异物材料确定激光清除功率密度最低阈值，根据输电线路损伤阈值确定激光清除功率密度最高阈值；综合选择激光功率密度从而确定所需到靶光斑直径；由系统参数计算得理论调焦参数，如根据透镜的焦距以及高斯公式初步确定调焦参数。
光斑图像采集处理阶段，在某距离处，先开启低功率激光，根据理论调焦参数进行调焦，利用系统自带成像装置采集目标图像；在成像器前端放置衰减片，根据背景亮度自适应调节衰减量，对激光光强进行衰减，获得合理的激光光斑与背景对比度，得到清晰的图像；通过一系列图像处理算法识别出激光光斑，提取光斑直径信息。
调焦参数获取阶段，改变调焦参数，获得调焦参数与光斑直径关系曲线，提取当前距离下最优到靶光斑直径对应的调焦参数。在不同距离重复上述步骤，获得距离与调焦参数关系曲线。
闭环控制阶段，根据异物距离查找对应调焦参数，开启低功率激光，控制发射镜头移动至调焦位置，采集到靶光斑图像提取光斑直径，确认光斑直径是否满足使用要求；若因环境变化导致光路漂移，则根据光斑直径信息反馈闭环控制发射镜头进行调焦，以获取满足要求的光斑直径。调焦完成后开启满功率激光，实现对异物的有效清除。
如图2示出的一种用于电网激光异物清除装置的高效闭环调焦系统，包括清除装置、待处理异物目标以及成像模块；
所述清除装置包括激光发射器、发射镜头、调焦控制模块以及测距模块；
其中，所述激光发射器用于发射激光；
所述发射镜头，用于调整所述发射激光的发散角，使发射激光聚焦；
所述调焦控制模块，用于调整所述发射镜头的位置，改变发射镜头的焦距；
所述测距模块，用于测量所述发射镜头与待清理异物之间的距离。
其中，所述清除装置用于清除所述待处理异物目标；
所述成像模块用于采集所述清除装置发射到所述待处理异物目标表面的激光所形成的光斑信息，并对所述光斑信息进行处理；
所述清除装置还用于根据所述处理后的光斑信息，通过所述调焦控制模块调节所述发射镜头的位置来改变所述发射激光的焦距，并获取最佳调焦参数。
根据激光器发射器输出光斑直径、激光经过发射镜头初步调焦、通过测距装置测量清除装置与待处理异物目标的距离后综合选择的最优到待处理异物目标的光斑直径，计算得到待处理异物目标距离的初始理论调焦参数。
在某距离下，由测距装置获得清除装置与待处理异物目标的距离，控制调焦控制模块将发射镜头移动至初始理论调焦位置；
开启激光器发射器输出低功率激光，使用系统成像装置采集到待处理异物目标表面的光斑图像。
通过可调衰减片对采集激光光强进行衰减，根据环境亮度自适应调节衰减量，以获得合理对比度图像，以便进行后续的光斑提取，可调衰减片根据当前环境亮度自适应调节衰减量，成像模块获取衰减后的图像，经过图像处理算法识别出光斑位置，获取到光斑形状，提取光斑直径参数，确认是否满足消除异物的直径要求，若因环境引起光路漂移，则通过光斑直径反馈闭环控制调焦控制模块，当光斑形状满足要求时停止调节；
采集的图像通过图像处理自动识别光斑位置，再将光斑区域经过灰度化、二值化、形态学滤波、填充等图像预处理获得完整光斑形状，经边缘提取获得光斑直径信息。
通过调焦控制模块调节发射镜头位置，获得调焦参数与光斑直径关系曲线，根据所需满足消除异物的光斑直径确定调焦参数，反馈给调焦控制模块，通过调焦控制模块将发射镜头移动至指定位置。
输出满功率激光，试验确认异物清除效果，存储当前距离与调焦参数。
在不同距离重复上述步骤，获得不同距离下的调焦参数曲线，完成电网激光异物清除装置调焦标校。
作业时，由测距装置获取待处理异物目标与清除装置间的距离，调用存储的调焦参数，由调焦控制模块控制发射镜头至指定调焦位置，开启光纤激光器直接发射满功率激光清除异物。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (9)

1.一种用于电网激光异物清除装置的高效闭环调焦方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据待清理的异物材料确定激光清除功率密度最低阈值，根据输电线路损伤阈值确定激光清除功率密度最高阈值，在所述最低阈值与最高阈值范围内根据发射镜头的焦距以及高斯公式确定初始调焦参数；
S2、测距装置获取清除装置与待清理异物之间的距离，根据所述初始调焦参数控制调焦控制模块将发射镜头移动到初始调焦位置；
S3、开启激光发射器发射低功率激光，调整激光发射器的位置使得所述低功率激光经发射镜头调焦后到达待处理异物表面；
S4、利用成像模块采集所述调焦后的低功率激光在待处理异物表面形成的光斑图像信息；
S5、通过成像模块对采集到的光斑图像进行预处理，获得所述光斑图像中光斑的直径信息；
S6、通过调焦控制模块改变发射镜头的位置来改变通过发射镜头的激光焦距，重复步骤S4-S5，获得调焦参数与光斑直径关系曲线，选取最佳调焦参数并保存；
S7、通过所述最佳调焦参数将所述发射镜头的位置固定在最佳位置，所述激光发射器发射满功率激光，消除待清理异物，存储当前位置与调焦参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括，不断改变清除装置与待清理异物之间的距离，重复S2-S6，获取不同距离与最佳调焦参数之间的曲线关系图。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S5中，对采集到的光斑图像进行预处理包括将采集的图像通过成像模块自动识别光斑位置，将光斑区域依次经过灰度化、二值化、形态学滤波、填充图像获得完整光斑形状，再经边缘提取获得光斑直径信息。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在成像模块采集光斑图像之前，通过可调衰减片对光斑图像进行光强衰减，所述可调衰减片根据当前环境亮度自适应调节衰减量。
5.一种用于电网激光异物清除装置的高效闭环调焦系统，包括清除装置、待处理异物目标以及成像模块；
所述清除装置包括激光发射器、发射镜头、调焦控制模块以及测距模块；
其中，所述激光发射器用于发射激光；
所述发射镜头，用于调整所述发射激光的发散角，使发射激光聚焦；
所述调焦控制模块，用于调整所述发射镜头的位置，改变发射镜头的焦距；
所述测距模块，用于测量所述发射镜头与待清理异物之间的距离；
其中，所述清除装置用于清除所述待处理异物目标；
所述成像模块用于采集所述清除装置发射到所述待处理异物目标表面的激光所形成的光斑信息，并对所述光斑信息进行处理；
所述清除装置还用于根据所述处理后的光斑信息，通过所述调焦控制模块调节所述发射镜头的位置来改变所述发射激光的焦距，并获取最佳调焦参数。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，还包括设置在所述成像模块前的可调衰减片，用于在所述成像模块采集光斑信息之前，对光斑图像激光波长进行滤波衰减。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述可调衰减片根据当前环境亮度自适应调节衰减量。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述成像模块对光斑信息进行处理包括将采集的图像通过成像模块自动识别光斑位置，将光斑区域依次经过灰度化、二值化、形态学滤波、填充图像获得完整光斑形状，再经边缘提取获得光斑直径信息。
9.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，通过所述测距模块，获取得到不同距离下，距离与最佳调焦参数之间的曲线关系图。
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