CN112690270A - 基于毫米波雷达的高压输电线路杆塔探鸟驱鸟系统及方法 - Google Patents
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Abstract
基于毫米波雷达的高压输电线路杆塔探鸟驱鸟系统及方法，系统包括用于探测是否有鸟类进入检测区域以及当前距离的毫米波雷达探测模块，毫米波雷达探测模块将采集到的数据发送给中心控制模块，中心控制模块发送指令控制声波警示模块以及灯光警示模块打开，将进入监测区域的鸟类驱离。探鸟驱鸟方法包括采样、距离估计、速度估计、获取距离‑多普勒热力图、分别在距离向和多普勒向上进行CFAR检测，获取目标详细的距离和多普勒信息输出至中心控制模块。中心控制模块去除噪声和抑制干扰之后对鸟类是否入侵做出判断。本发明的驱鸟方式友好，系统能够全天候工作，安装方便，对环境适应性强。
Description
技术领域
本发明属于毫米波雷达领域，具体涉及一种基于毫米波雷达的高压输电线路杆塔探鸟驱鸟系统及方法。
背景技术
远程高压输电已经广泛应用，电力系统输电线路的杆塔多架设在空旷的地方。由于杆塔的牢固性和稳定性，鸟类在繁殖季节喜欢在铁塔上筑巢，搭建鸟类自己活动的场所。但其筑巢使用树枝、枯藤、废棉线，甚至还有铁丝，材料的下落可能短接几片瓷瓶，从而引起线路跳闸；鸟觅食后喜欢落在铁塔中线横担上，歇息时大量排放粪便，会污染瓷瓶，降低瓷瓶串外绝缘强度，而引起线路跳闸。尤其是近年来人类生态意识的提高，使得鸟的数量和种类激增，导致由于鸟类活动引起的电力输电线路故障频繁增加。有关统计结果表明，近年来线路鸟害故障数已达总故障数的10％，仅次于雷电故障。目前，国内采用防鸟罩、鸟刺等驱鸟防鸟措施均能起到一定的作用，但也存在有效距离过短、鸟类易产生适应性等缺陷。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中高压输电线路杆塔驱鸟效果不佳的问题，提供一种基于毫米波雷达的高压输电线路杆塔探鸟驱鸟系统及方法，借助毫米波雷达能够全天候工作、安装方便、对环境适应性强的特点，为高压输电的安全稳定可靠运行提供保障。
为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
一种基于毫米波雷达的高压输电线路杆塔探鸟驱鸟系统，包括用于探测是否有鸟类进入检测区域以及当前距离的毫米波雷达探测模块，毫米波雷达探测模块将采集到的数据发送给中心控制模块，中心控制模块发送指令控制声波警示模块以及灯光警示模块打开，将进入监测区域的鸟类驱离。
作为本发明一种基于毫米波雷达的高压输电线路杆塔探鸟驱鸟系统的优选方案，所述的毫米波雷达探测模块发射周期性的宽带调频脉冲，其频率在脉冲期间线性增加。
作为本发明一种基于毫米波雷达的高压输电线路杆塔探鸟驱鸟系统的优选方案，所述的毫米波雷达探测模块根据距离信息和多普勒信息进行探测。
作为本发明一种基于毫米波雷达的高压输电线路杆塔探鸟驱鸟系统的优选方案，所述的声波警示模块发出的声波包括超声波、高仿枪声或猛禽叫声；所述的灯光警示模块发出灯光包括恒强光、频闪强光或者有色强光。
作为本发明一种基于毫米波雷达的高压输电线路杆塔探鸟驱鸟系统的优选方案，由太阳能供电模块进行供电，太阳能供电模块包括蓄电池以及对蓄电池进行供电的太阳能板，中心控制模块能够控制蓄电池的充电与放电状态，维持低功耗运行。
作为本发明一种基于毫米波雷达的高压输电线路杆塔探鸟驱鸟系统的优选方案，中心控制模块通过远程通信模块无线连接远程监测控制模块，远程监测控制模块能够采集发送给中心控制模块的数据，并且能够远程发送控制指令。
作为本发明一种基于毫米波雷达的高压输电线路杆塔探鸟驱鸟系统的优选方案，所述的远程通信模块采用4G通信模块或者5G通信模块。
作为本发明一种基于毫米波雷达的高压输电线路杆塔探鸟驱鸟系统的优选方案，所述的中心控制模块连接摄像头模块，摄像头模块用于对检测区域现场拍照印证。
本发明还提供一种基于毫米波雷达的高压输电线路杆塔探鸟驱鸟方法，包括以下步骤：
-采样：对原始数据去斜滤波后进行采样；
-距离估计：对采样数据进行FFT得到目标的对应中频信号，由下式获得距离信息：
其中，k为调频调制常数，fIF为中频信号，c为光速；
-速度估计：在距离FFT数据上进行chirp向FFT获得多普勒信息；
-获取距离-多普勒热力图：根据距离信息和多普勒信息构造距离-多普勒热力图；
-分别在距离向和多普勒向上进行CFAR检测：先在距离向上进行一维CFAR检测，初步获取目标信息，再在多普勒向上进行CA-CFAR检测；
-毫米波雷达探测模块的串口输出距离、多普勒和信噪比数据信息至中心控制模块，中心控制模块去除噪声和抑制干扰之后对鸟类是否入侵做出判断。
相较于现有技术，本发明具有如下的有益效果：通过毫米波雷达对电力系统高压输电线路杆塔以及周围的鸟类入侵进行探测和驱赶，毫米波雷达探测模块探测到鸟类入侵监测区域时，通过中心控制模块启动声波或者灯光等警示模块，突然性的改变鸟类当前环境，引起其警觉，进而达到驱鸟的目的，该驱鸟方式比较友好。雷达探测系统实时探测其监测环境，只有确认发现目标时才会启动声波或者灯光系统，降低噪音污染。本发明能够全天候工作，安装方便，对环境适应性强。本发明能够为高压输电的安全、稳定、可靠运行提供保障。
附图说明
图1本发明基于毫米波雷达的高压输电线路杆塔探鸟驱鸟系统的结构框图；
图2本发明毫米波雷达的检测原理示意图；
图3本发明中心控制模块的处理流程图；
附图中：101-远程监测控制模块；102-毫米波雷达探测模块；103-远程通信模块；104-声波警示模块；105-灯光警示模块；106-中心控制模块；107-太阳能供电模块。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
针对高压输电线路杆塔的驱鸟需求，目前采用光学摄像头成像手段进行探测，但是光学传感器价格昂贵，容易受外部环境(如光照、温度等)影响，造成检测效果下降。与之相比，毫米波雷达体积小、易于安装且空间分辨率高，穿透烟、雾、灰尘和雨雪的能力强，不易受到干扰。在环境稳健性方面比其他传感器优异很多，具备较好的成像能力，能够全天候工作，兼具距离精度高、角度分辨率高及虚警率低等优点，毫米波雷达应用于高压输电线路杆塔探鸟驱鸟场景，具有独特的优势。驱鸟可以采用声波或者灯光对接近鸟类进行警示，利用鸟类对强光的不适性；声波警示模块会发出不同频率的超声波，频率范围在人的听觉范围以外，人一般不会有所感知。但鸟类的听觉能力对声音却非常敏感，是人类近10倍，驱鸟的原理主要是营造一个超声波的环境，使鸟在该区域感到不适，达到让其主动离开的目的。
本发明提出一种基于毫米波雷达的高压输电线路杆塔探鸟驱鸟系统，包括用于探测是否有鸟类进入检测区域以及当前距离的毫米波雷达探测模块102，毫米波雷达探测模块102将采集到的数据发送给中心控制模块106，中心控制模块106发送指令控制声波警示模块104以及灯光警示模块105打开，将进入监测区域的鸟类驱离。该探鸟驱鸟系统由太阳能供电模块107为整个系统提供电源，该模块包括太阳能板、蓄电池及充放电控制模块，在中心控制模块106的控制下工作；根据毫米波雷达探测模块102探测到的鸟入侵信息；由中心控制模块106协调各个模块工作，确定是否需要启动摄像头完成图像采集，以及是否启动声波警示模块104和灯光警示模块105以及启动的数量；最后对数据进行汇总，根据设定是否需要上传数据，如果需要，打开远程通信模块103进行数据上传；同时本探鸟驱鸟系统能够接收远程监测控制模块101的指令，在远程指令的模式下进行工作或者参数设置。
远程监测控制模块101收集和处理由探鸟驱鸟系统上传的数据，做出分析和判断；工作人员也可通过远程监测端下发指令，对探鸟驱鸟系统进行参数、运行方式、远程调试等设置。
毫米波雷达探测模块102在进行探鸟时，调频连续波雷达发射周期性的宽带调频脉冲，其频率在脉冲期间线性增加，获取检测区域的高精度鸟类入侵信息。工作过程包括：
(1)采样：通过一个发射天线和两个接收天线系统对原始数据去斜滤波后进行采样工作；
(2)距离估计：通过对混频器的输出进行AD采样，并对采样数据做FFT来得到目标的对应中频信号，由公式(1)即可获得距离信息。
其中k为调频调制常数(k＝B/T)，fIF为中频信号，c为光速。
(3)速度估计：在距离FFT数据的基础上，进行速度FFT(Capon方法)获得速度对重加窗后的数据进行一维FFT变换，可以由此计算目标速度；
(4)构造R-D图：根据完成距离测量和速度信息测量，得到距离-多普勒热力图。
(5)基于此二维数据，先在距离向上进行一维CFAR检测，初步获取目标信息，再在多普勒向上进行CA-CFAR检测，可以有效避免背景噪声、杂波和干扰变化影响的检测阈值，并且使自动检测在均匀背景中具有恒定的虚警概率，得到目标详细的距离和多普勒信息。
最后由毫米波雷达探测模块的串口输出距离、多普勒和信噪比数据信息，中心控制模块通过算法去除杂波、抑制干扰后，判断鸟类活动的有无。
通过远程通信模块103把毫米波雷达探测模块102的探鸟数据、高清摄像头的抓拍数据以及系统参数等进行远程上传；或者接收远程监测控制模块101下发的指令，访问和控制探鸟驱鸟系统。
声波警示模块104由中心控制模块106启动声波警示，声波包括超声波、模拟老鹰、猛禽等动物声音，实现对鸟类的驱赶。
灯光警示模块105由中心控制模块106启动灯光警示，灯光包括恒强光、频闪强光以及有色强光，提示鸟类此区域的危险性，对鸟类起到警示作用。
中心控制模块106作为系统的控制核心，负责协调和控制整个驱鸟探鸟系统稳定可靠运行，主要完成以下工作：
(1)完成对毫米波雷达探测模块102输出的距离、多普勒和信噪比信息的分析和处理，通过算法去除噪声和抑制干扰，如雨、雪、电力传输线的晃动等干扰，做出最终判断鸟类的有无信息；
(2)系统的低功耗运行：根据蓄电池的电量存储情况、阳光是否充足、鸟数目的多少、夜间还是白天等情况启动驱鸟的模块的数量、确定是否拍照以及开启远程数据上传等工作，维持系统低功耗可靠运行；
(3)远程检测控制：根据远程监测控制模块101的控制指令，控制整个系统依据指令运行，如参数设定、运行方式控制、是否调试模式或者在线运行等；
(4)开启摄像头抓拍：根据系统设定或者远程下发的指令鸟类活动场景抓拍。毫米波雷达探测模块102在探测到鸟类活动时，依据系统设定启动高清摄像头模块对雷达探测区域进行拍照，并在照片上生成时间信息，以便于进一步的分析时间和鸟的种类的关系。
太阳能供电模块107包括蓄电池以及对蓄电池进行供电的太阳能板，系统由蓄电池进行供电，利用太阳能板充电。通过中心控制模块106进行管理，根据蓄电池当前的电量信息以及天气情况进行判断进行自动充电，防止蓄电池过充和过放，保证系统稳定运行。
本发明能够对高压输电线路杆塔及周围的鸟类活动情况进行探测和驱赶，防止鸟类在被探测区域活动或者筑巢。本发明的探鸟驱鸟系统主要通过毫米波雷达对高压输电线路杆塔及周围区域进行全天候的监测，获得鸟类活动高精度的距离、方位等信息，同时可利用高清摄像头抓拍鸟类活动的情况，由中心控制模块106根据实际需求以及环境情况作出判断，启动声波、灯光等鸟类警示信号驱赶鸟类，以保证高压输电线路的安全可靠运行。系统采用灵活的运行方式进行工作，可以单独依据设定的参数根据环境情况全自动运行，也可根据工作人员下发的指令进行远程实时控制。满足在高压输电线路杆塔及周围的鸟类进行探测和驱赶的实际场景应用需求，为毫米波雷达在探鸟驱鸟场景中的广泛应用提供基础。
参见图2，毫米波雷达探测模块102通过九个步骤完成飞鸟入侵可靠检测：
步骤201：原始数据输入，通过去斜滤波后的数据输入系统；
步骤202：对斜滤波以后的中频信号进行AD正交采样，将模拟信号转换为数字信号，本发明采用1发射天线和1接收天线硬件电路进行采样；
步骤203：对解调后的原始回波信号按照线性调频连续波chirp周期进行一维FFT变换，根据距离和频率的对应关系获得相应的距离向信息，完成距离测量；
步骤204：对步骤203获得的距离FFT信息，进行chirp向FFT获得多普勒信息；
步骤205：结合距离信息和多普勒信息，初步获得目标的距离和多普勒二维信息；
步骤206：一维CFAR检测方式在距离方向和多普勒向进行搜索检测，获得目标的距离信息和多普勒信息二维数据；
步骤207：基于206步骤的二维数据，进行CFAR检测，初步获取目标信息，再在方位向上进行CFAR检测，得到距离多普勒热力图；
步骤208：毫米波雷达探测模块102的串口输出距离、多普勒和信噪比数据信息至上位机，中心控制模块106根据收到信息对鸟类的入侵行为作出正确判断。
参见图3，在系统启动后开始系统初始化，完成雷达探测模块和摄像头模块的启动；系统中心控制模块106根据雷达探测模块输出的数据进行解析，判端系统监测范围内是否有鸟类活动，如果检测到飞鸟入侵，根据监测环境启动声波、者灯光警示模块或者同时启动，根据系统设定利用高清摄像头进行抓拍；继续监测鸟类活动的同时，进行数据汇总，包括雷达探测数据、摄像头数据以及系统的运行参数等，根据设定或者远程监测端指令启动远程通信模块进行数据上传；同时远程监测控制模块101也可以下发指令，系统重新启动初始化后依据下发指令进行工作，下发指令可以确定其工作方式、修改系统参数、在线调试与运行等功能。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域技术人员应当理解，所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明权利要求所保护的范围内。
Claims (9)
1.一种基于毫米波雷达的高压输电线路杆塔探鸟驱鸟系统，其特征在于：包括用于探测是否有鸟类进入检测区域以及当前距离的毫米波雷达探测模块(102)，毫米波雷达探测模块(102)将采集到的数据发送给中心控制模块(106)，中心控制模块(106)发送指令控制声波警示模块(104)以及灯光警示模块(105)打开，将进入监测区域的鸟类驱离。
2.根据要求1所述基于毫米波雷达的高压输电线路杆塔探鸟驱鸟系统，其特征在于：所述的毫米波雷达探测模块(102)发射周期性的宽带调频脉冲，其频率在脉冲期间线性增加。
3.根据要求2所述基于毫米波雷达的高压输电线路杆塔探鸟驱鸟系统，其特征在于：所述的毫米波雷达探测模块(102)根据距离信息和多普勒信息进行探测。
4.根据要求1所述基于毫米波雷达的高压输电线路杆塔探鸟驱鸟系统，其特征在于：
所述的声波警示模块(104)发出的声波包括超声波、高仿枪声或猛禽叫声；
所述的灯光警示模块(105)发出灯光包括恒强光、频闪强光或者有色强光。
5.根据要求1所述基于毫米波雷达的高压输电线路杆塔探鸟驱鸟系统，其特征在于：由太阳能供电模块(107)进行供电，太阳能供电模块(107)包括蓄电池以及对蓄电池进行供电的太阳能板，中心控制模块(106)能够控制蓄电池的充电与放电状态，维持低功耗运行。
6.根据要求1所述基于毫米波雷达的高压输电线路杆塔探鸟驱鸟系统，其特征在于：中心控制模块(106)通过远程通信模块(103)无线连接远程监测控制模块(101)，远程监测控制模块(101)能够采集发送给中心控制模块(106)的数据，并且能够远程发送控制指令。
7.根据要求6所述基于毫米波雷达的高压输电线路杆塔探鸟驱鸟系统，其特征在于：所述的远程通信模块(103)采用4G通信模块或者5G通信模块。
8.根据要求1所述基于毫米波雷达的高压输电线路杆塔探鸟驱鸟系统，其特征在于：所述的中心控制模块(106)连接摄像头模块，摄像头模块用于对检测区域现场拍照印证。
9.一种基于毫米波雷达的高压输电线路杆塔探鸟驱鸟方法，其特征在于，包括以下步骤：
-采样：对原始数据去斜滤波后进行采样；
-距离估计：对采样数据进行FFT得到目标的对应中频信号，由下式获得距离信息：
其中，k为调频调制常数，fIF为中频信号，c为光速；
-速度估计：在距离FFT数据上进行chirp向FFT获得多普勒信息；
-获取距离-多普勒热力图：根据距离信息和多普勒信息构造距离-多普勒热力图；
-分别在距离向和多普勒向上进行CFAR检测：先在距离向上进行一维CFAR检测，初步获取目标信息，再在多普勒向上进行CA-CFAR检测；
-毫米波雷达探测模块(102)的串口输出距离、多普勒和信噪比数据信息至中心控制模块(106)，中心控制模块(106)去除噪声和抑制干扰之后对鸟类是否入侵做出判断。
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