CN214100225U - 电缆上结冰的激光除冰装置 - Google Patents

Abstract

各种电缆上结冰的激光除冰方法及野外工作装置。同时采用大功率连续1微米光纤激光器和多个2‑3微米脉冲激光器，1微米连续激光提供融冰的激光功率但不至于引起电缆保护蒙皮破坏，2‑3微米激光脉冲在1微米连续激光融冰产生的水层及冰表面层中产生强烈爆破和声脉冲，爆裂破冰。2‑3微米脉冲激光同步异步控制确保除冰效率并避免对电缆保护蒙皮的损伤。

Description

电缆上结冰的激光除冰装置

技术领域

电缆上结冰的激光除冰的野外除冰装置。同时采用大功率1微米连续光纤激光器和多个 2-3微米脉冲激光器，除冰时控制多个2-3微米激光脉冲的同步/异步及其他激光参数，避免对电缆保护蒙皮的损伤。

技术背景

寒冷雨雪天气可能造成电缆，包括高压电缆，各种城市电缆，及通讯电缆及光缆上严重的结冰/挂雪挂冰，导致灾难性的供电/通讯中断，给国民经济及其他正常社会活动造成及其严重破坏。

传统的除冰方式是由施工人员上高压线或通信基站通过铁器等敲打来实现除冰。需要施工人员在高空作业，施工人员的安全风险高，对电缆造成机械损伤的风险高。同时难以对电缆的悬空部分进行除冰。效率低下。

电缆的除冰需在野外对于架空的电缆及/或电缆塔架进行，电缆上结冰的形态，厚度各异，尤其以圆滑坚硬透明程度高的冰难以清除。在许多情况下，工作人员或设备难以抵近电缆作业。有的电缆具有保护蒙皮，在除冰时要求不能损伤电缆的保护蒙皮。

激光除冰最大优点是可以“超距离”工作，即在地面上对悬空的电缆进行“隔空”除冰。采用CO2激光器进行破冰的优点在于水对其吸收系数较高故可被水/冰有效吸收，但同时，它对于电缆除冰这一特定应用，10.6微米激光也更易对电缆的塑料蒙皮产生破坏。此外，大功率CO2激光器根本不能满足野外应用对激光器效率、激光器体积重量限制及野外生存能力的要求。1微米脉冲固体激光器的野外工作性能较强。但是水及冰对1微米波长吸收系数小，大功率的1微米激光非常可能在完成除冰之前，或在临近除冰完成之时，对电缆/光缆的保护蒙皮造成不能接受的严重破坏。

发明专利申请“激光除冰系统及方法”(申请号2018103548340)公示了输电电缆结冰的激光除冰的方法。但其公示的技术实际上主要是关于除冰系统的控制方法如跟踪瞄准定位等。对激光除冰本身，其公示内容仅为对冰层厚度进行监测(但并无如何测定冰厚的实质内容)，然后以此控制激光功率，避免对电缆保护蒙皮的破坏。该专利申请对如何用激光除冰本身并无任何讨论。

本申请人团队曾在2018年12月提交了“多样式大功率激光破冰系统”的发明专利申请(申请号2018116060617)，公示了采用多种大功率激光器，包括光纤激光器及1微米和0.53微米等固体激光器实现各种破冰目的，激光器相互之间分立工作采用不同的激光参数实现不同的破冰目的。研发团队在后续不断的研发过程中，针对电缆结冰的除冰的应用，进一步提出本申请新技术装置。

发明内容

电缆上结冰的清除，主要困难在于野外环境，电缆高空悬挂，结冰的形态/冰的密度厚度千差万别，除冰时要求不能对电缆蒙皮造成破坏。

采用激光进行电缆除冰，采用的激光器必须能适合野外环境工作，激光源的效率高，一定输出功率下体积重量可以接受，野外生存性强；尤其是对于千差万别的结冰形态/密度/厚度的结冰都能有效清除而不对电缆蒙皮造成破坏。因此采用的激光除冰方法就受到严格的限制，并非简单的激光功率足够就能解决问题，而必须开发特定的技术及装置，保证除冰对激光参数具有宽的工作窗口，在该窗口内，可以确保对冰的有效清除，同时不破坏电缆蒙皮。

为此，本申请公示采用脉冲的2-3微米激光器与1微米的连续光纤激光器同时除冰的独特技术装置。脉冲的2-3微米激光器用于除冰的优点主要在于，水/冰对2-3微米波长的吸收比对1.06微米的波长高出3个数量级以上，尤其是对3微米的吸收又比对2微米的吸收高出 1个以上的数量级。2-3微米激光脉冲打到水中或冰面上，能在水或冰的浅表层内，因强烈的对激光能量的吸收而产生强烈的爆裂，并产生强烈的激光致声声波冲击，这个爆裂/冲击加上激光局部加热导致的冰中的应力，可以导致冰体的开裂/爆裂。尤其对于电缆上的结冰，相对冰体积不大，令局部的结冰产生爆裂相对较易，爆裂后冰体可以自行掉落。这种通过对冰的爆裂实现除冰，显然比通过令冰体融化/汽化来除冰，需要的外部能量会低得多。因此对激光的能量要求可相应降低，从而降低了对装置的要求，特别是降低了对电缆蒙皮破坏的风险。水/冰对2-3微米激光的强烈吸收，也可有效的对电缆蒙皮起到“挡光”保护作用。缺点是2- 3微米脉冲激光器的功率输出较低。单个脉冲激光器，即单个激光晶体(2微米的Ho：YAG， 3微米的Er：YAG)/泵浦灯/谐振腔(以下简称为激光头)通常可以输出每个脉冲1-5J能量，脉冲宽度200至800微秒，每秒1-30个脉冲的脉冲重复频率。一个车载平台可以容纳下几十个2-3微米激光头及其分立的或共同的供电电源。足够多的2-3微米激光头的同步工作，可以在电缆结冰目标点上获得足够高的激光脉冲峰值功率密度，对多数冰况实现较可靠的电缆上结冰的爆裂。但从破冰/除冰需要的总激光功率及除冰效率上来考虑，2-3微米脉冲激光器在激光总功率上还是欠缺较多。所以，本发明的技术方案是同时再采用一个1微米连续激光输出的光纤激光器作为提供除冰融冰所需激光功率的激光源，它可以输出连续激光功率高达几千至几万瓦，在同类激光输出功率情况下，成本最低，体积重量最小，适用于野外工作。尤其在电缆结冰的外层带雪，冰体或冰面的洁净度较低，冰体呈低透明度的雾状时，或对于塔架上的结冰，其冰层较厚，冰后面并无易被激光能量破坏的塑料蒙皮等情况，高功率的1微米连续激光器可以大大提高除冰的效率及可靠性。同时采用2-3微米脉冲激光与高功率1微米连续激光，可以大大加快除冰速度，满足各种冰况下的除冰要求，并有效避免对电缆蒙皮的损坏。

在接近除冰结束之时，电缆上剩余冰层厚度对2-3微米激光的强烈吸收，已可能无法继续有效的对电缆蒙皮起到“挡光”保护作用。本申请公示装置采用多个激光器脉冲的同步/异步技术以保持2-3微米激光的总平均功率，有效调整脉冲峰值功率的方法达到有效除冰同时不破坏电缆蒙皮的目的。

对于较薄的结冰，在除冰初始时采用的1微米连续激光功率，就可以设定为在整个除冰过程中，都不会导致电缆蒙皮破坏。对于较厚的结冰，在除冰初始时可以选择较高的1微米连续激光功率，然后在除冰过程中，装置按预定程序分步或逐渐调降1微米连续激光的功率，确保不导致电缆蒙皮破坏。具体数据取决于电缆参数，蒙皮本身参数及材料，除冰装置与电缆除冰点距离等。

2-3微米激光脉冲形状可以通过控制泵浦电流波形的方式进行控制以实现最佳的除冰效果。脉冲形状包括并不限于前陡后缓，前缓后陡，基本矩形，三角形等。

激光器安装于车载平台上的跟踪瞄准平台上。跟踪瞄准可采用图像自动方法或手动方法。

1微米连续光纤激光器及多个2-3微米脉冲激光器可以安装在各自的平台上，或5-6个2- 3微米脉冲激光器可以为一组安装在一个平台上，1微米光纤连续激光器平台为对准主平台，其他平台中有一个为跟踪主平台，具有对从目标点反射的1微米连续激光反射信号的跟踪功能；在对准主平台瞄准目标点发射1微米激光情况下，跟踪主平台能沿对准主平台发射光轴线扫描，锁定目标点的1微米激光反射，其他跟踪平台能根据其与跟踪主平台的固定位置关系，及车载平台的姿态信息，自动对准目标点。

本发明电缆结冰激光除冰装置的优点：

1、同时采用1微米连续光纤激光器与2-3微米脉冲固体激光器。高效的光纤连续激光器提供基本的破冰/融冰能量，对水具有高吸收效率的2-3微米脉冲激光在水/冰中产生爆裂及强烈声波冲击破冰。相关激光器适于野外环境。

2、多台2-3微米脉冲激光器同步/异步脉冲控制可以有效控制激光脉冲的峰值功率，保持平均功率，在有效破冰时，避免对电缆蒙皮产生破坏。

附图说明

图1电缆上结冰的激光除冰装置组成框图

图2三台2-3微米脉冲激光器不同脉冲时序下，目标点激光功率示意图

具体实施方式

电缆上结冰的激光除冰的野外除冰装置。野外除冰装置为一个车载平台。下面结合附图 1进行具体描述。激光除冰装置包括1微米连续光纤激光器011，及多个2-3微米脉冲固体激光器012及013两种不同的激光器，012及013可以代表一个或多个激光器，图中012及013 为两个作为示意。其中，连续光纤激光器011的最大连续输出功率可达万瓦以上，波长1微米。多个2-3微米脉冲激光器012及013包括Ho：YAG的波长2微米脉冲激光器，和/或 Er：YAG的波长3微米脉冲激光器，通常每个激光器可以输出每个脉冲1-5J能量，脉冲宽度 200至800微秒，每秒1-30个脉冲的稳定激光输出。激光器的头前部可以带有或不带有发射光束准直镜。

1微米波长连续光纤激光器011安装在瞄准主平台021上，2-3微米脉冲激光器012及 013分别安装在跟踪平台022及023上，其中022为主跟踪平台，023为付跟踪平台。瞄准主平台021能通过图像自动跟踪或目视瞄准(未示出)将1微米激光束015对准电缆001上结冰目标点002，发射1微米连续激光015，2-3微米脉冲激光器012及013发射的激光脉冲分别为016及017。根据具体冰况与工作距离，1微米激光束功率能控制在一个特定的功率水平，然后在除冰启动后按预定程序/时间分步或逐渐递减；2-3微米脉冲激光发射头平台022及023可以手动对准目标点002，或主跟踪平台022上具有能对1微米连续激光发射信号的接收跟踪(未示出)，可以通过接收目标点反射的1微米激光信号进行自动跟踪，付跟踪平台023 能根据其与主跟踪平台022的布放几何信息及车载平台的姿态信息，自动对准目标点002。

2-3微米脉冲激光器的脉冲形状可以控制选择以优化破冰效果。脉冲形状包括前陡后缓，前缓后陡，基本矩形，三角形等。

在除冰起始时，多个2-3微米脉冲激光器脉冲能同步发射，在目标点它们的激光脉冲峰值功率相互叠加。激光脉冲波形如图2(A)所示。图2(A)中050示意表示了5个2-3微米脉冲激光器的情况，每个激光脉冲的波形为同宽度的矩形。叠加后的激光脉冲在冰面上被1微米激光导致的融化水层或冰表面层中产生强烈的爆破及声波冲击，达到破裂和融化清除电缆上结冰的目的。随着电缆上结冰的被部分清除，装置能根据预定程序控制，按时间分步将不同台激光器的脉冲移出同步状态，异步时间至少为一个脉冲宽度时间，移出的异步脉冲之间可以相互同步或异步。图2(B)示意了3个激光器的发射脉冲054，055被移出了原来的同步状态，含有2个激光器脉冲的053未被推迟，此时在目标点的脉冲功率波形。其中一个激光器的脉冲054被推迟了一个脉冲宽度+T的时间，含有另两个激光器脉冲的055被推迟了2个脉冲宽度+2T的时间，055中含有的两个激光器的脉冲相互保持同步。相邻脉冲间如 053与054间不相互重叠连接，相邻脉冲间的间隔时间选用为小于激光脉冲导致的局部加热产生的温度梯度热平衡或热弛豫时间，约为20微秒左右。即脉冲间的间隔不让前个激光脉冲导至的加热冷却。相邻脉冲间不重叠可保证分立的激光脉冲引起有效的一个接一个的冲击爆裂波。显然，这一多个2-3微米脉冲激光器的同步/异步技术，在电缆除冰应用中，可以在保持2-3微米脉冲激光的总平均功率情况下，有效的调节目标点上的激光脉冲峰值功率密度，在保证冲击爆冰的前提下，避免对电缆蒙皮的损坏。实际使用中，异步的方式可以程序控制。各个激光器的脉冲形状或脉冲宽度可以相同，也可以不同。

对于较薄的结冰，在除冰初始时采用的1微米连续激光功率就可以设定为在整个除冰过程中，都不会导致电缆蒙皮破坏。对于较厚的结冰，在除冰初始时可以选择较高的1微米连续激光功率，然后在除冰过程中，装置能按预定程序分步或逐渐调降1微米连续激光的功率，确保不会导致电缆蒙皮破坏。具体数据取决于电缆参数，蒙皮本身参数及材料，除冰装置与电缆除冰点距离等。

030为各个激光器及跟踪瞄准平台的供电及控制。车载平台未示出。

监测目标点002对1微米连续激光015的反射信号或目视确定结冰清除时刻，自动或手动将破冰移至下一个目标点。

整个装置安装于车载平台(未示出)或直升机平台上，便于野外作业。

手动或自动跟踪系统可以配置具有可见光指示光束。

采用图像瞄准跟踪时，控制软件若在图像中发现目标电缆/塔架外的其他建筑/物体时，提供警告信号或自动锁定激光器，使之不能发射激光输出以确保安全；需人工介入后才能启动激光发射。

1微米光纤连续激光器及多个2-3微米脉冲激光器可以安装在各自的平台上，或5-6个 2-3微米脉冲激光器可以为一组安装在一个平台上，光纤连续激光器平台为对准主平台，其他平台中有一个为跟踪主平台，具有对目标点1微米连续激光反射信号的跟踪功能；在对准主平台瞄准目标点发射1微米连续激光情况下，跟踪主平台能沿对准主平台发射光轴线扫描锁定目标点的1微米连续激光反射信号，自动对准目标；其他跟踪平台根据其与跟踪主平台的固定位置关系，及车载平台的姿态信息，自动对准目标点。

Claims (5)

1.电缆上结冰的激光除冰车载装置，其特征为：(1)包括至少一个1微米连续光纤激光器及多个2-3微米脉冲激光器；(2)1微米连续光纤激光器及多个2-3微米脉冲激光器安装在各自的平台上，或5-6个2-3微米脉冲激光器为一组安装在一个平台上；(3)1微米连续激光束功率水平可控，2-3微米的脉冲形状以及多个2-3微米脉冲激光器发射脉冲的同步/异步可控；(4)整个装置安装于车载平台或直升机平台上，便于野外作业。

2.根据权利要求1所述的电缆上结冰的激光除冰车载装置，其特征为：多个2-3微米脉冲激光器包括Ho：YAG的2微米脉冲激光器，Er：YAG的3微米脉冲激光器；单个激光器的激光脉冲能量1-5J，脉冲宽度200至800微秒，每秒1-30个脉冲的重复频率；激光脉冲形状可控。

3.根据权利要求1所述的电缆上结冰的激光除冰车载装置，其特征为：1微米连续激光束功率水平可控，在启动后能按预定程序/时间分步或逐渐递减。

4.根据权利要求1所述的电缆上结冰的激光除冰车载装置，其特征为：多个2-3微米脉冲激光器发射脉冲的同步/异步可控，(1)能控制多个2-3微米脉冲激光器脉冲同步发射，在目标点它们的激光脉冲峰值功率相互叠加；(2)能按程序控制，分步将几台激光器的脉冲移出同步状态，异步时间至少为一个脉冲宽度时间，移出的异步脉冲之间可以相互同步或异步；(3)前后异步脉冲之间能不相联，但间隔时间小于20微秒。

5.根据权利要求1所述的电缆上结冰的激光除冰车载装置，其特征为：1微米连续光纤激光器及多个2-3微米脉冲激光器安装在各自的平台上，或5-6个2-3微米脉冲激光器为一组安装在一个平台上，(1)1微米连续光纤激光器平台为对准主平台；其他平台中有一个为跟踪主平台，具有对目标点1微米激光反射信号的跟踪功能；(2)装置配备图像瞄准跟踪；(3)具有可见光指示光束。

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