一种配网不停电作业毫米波距离监测装置及其监测方法与流程

1.本发明涉及毫米波雷达技术领域，具体而言，涉及一种配网不停电作业毫米波距离监测装置及其监测方法。

背景技术：

2.针对架空线路的不停电作业是指由现场操作人员乘坐绝缘绝缘斗的绝缘斗在空中运动到架空线路附近,对架空的通电线缆进行维修等作业。其特点为作业过程中无需停电，不影响用户的供电可靠性，且作业时间灵活，可实现全天候方式作业。
3.在架空线作业过程中，作业人员穿戴绝缘防护用具后，随绝缘斗上升至合适高度，随后使用绝缘杆对作业区域附近的带电体开展带电作业。在绝缘杆作业法中，绝缘杆为相地之间主绝缘，绝缘防护用具为辅助绝缘。依据国家标准gb/t18857-2019《配电线路带电作业技术导则》规定，在配电线路上采用绝缘杆作业法时，问人体与带电体的最小安全距离(不包括人体活动范围)应符合表1的规定，即在3000m海拔高度内，10kv作业中最小安全距离应不小于0.4m；1000m海拔高度内，20kv作业中最小安全距离应不小于0.5m。
4.目前，在现有实际作业过程中都是在地面上配备专门的观察指挥人员，通过人力肉眼观测和判断作业人员及其乘用绝缘斗运动的位置区域，无法实时准确掌握具体不停电作业位置的区域范围，更无法判断操作人员上肢与带电体的距离，从而无法保证作业人员及其乘用绝缘斗处于安全区域内，使不停电作业存在安全隐患。

技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种配网不停电作业毫米波距离监测装置及其监测方法，解决了现有技术中无法准确判断操作人员上肢与带电体距离的问题。
6.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种配网不停电作业毫米波距离监测装置，可拆卸安装于三相线缆上，包括壳体，设于所述壳体内部的控制板、供电模块和收发天线，所述控制板包括依次相连的混频器、低通滤波器、ad采样模块和处理器，及与所述混频器相连的波形发生器，和与所述处理器相连的通信模块，所述收发天线包括发射天线阵列和接收天线阵列，所述发射天线阵列与波形发生器相连，所述接收天线阵列与混频器相连，所述收发天线用于向目标发射毫米波，并接收目标反射回波，所述供电模块与控制板相连，用于供电，所述通信模块连接有报警器，用于响应报警通知。
7.作为优选方案，所述目标包括设于人体双臂和头部的目标a、b和c，所述目标a、b和c采用不同反射率材料制成。
8.作为优选方案，所述监测装置与三相线缆之间的连接方式为卡扣式、缠绕式或夹持式。
9.本发明还提供了一种如上任一项所述的配网不停电作业毫米波距离监测装置的监测方法，包括如下步骤：利用绝缘操作杆将监测装置安装于三相线缆上，并调整监测装置处于水平状态；向三相线缆下方发射线性调频连续毫米波，并实时接收反射回波，所述反射
回波包括人体回波信号、绝缘斗回波信号和环境回波信号；对所述反射回波进行预处理，并从中分离出人体回波信号；根据所述人体回波信号的波形特征，计算出目标距离和对应的回波方向角；根据所述目标距离和对应的回波方向角，获得目标与三相线缆之间的最短距离，若所述最短距离小于安全距离，则输出报警通知。
10.作为优选方案，所述对所述反射回波进行预处理，包括：采用混频器对所述反射回波进行混频，并经低通滤波器处理后获得中频信号；将所述中频信号进行ad采样，并进行逆傅里叶变换，获得时域信号；对所述时域信号依次进行数字滤波处理、空间多径干扰消除和空间噪声处理。
11.作为优选方案，所述从中分离出人体回波信号，包括：根据所述环境回波信号的波形特征，选取第一门限值；根据所述第一门限值，滤除处理后的反射回波在零频处的分量，获得一次处理频谱；将所述一次处理频谱拓展到二维平面，对所述二维平面的参考窗内所有参考点进行排序，选择其中第k个值周围m个点的平均值作为第二门限值；根据所述第二门限值滤除绝缘斗回波信号分量，获得二次处理频谱，即人体回波信号。
12.作为优选方案，所述回波方向角的计算过程，包括:设接收天线阵列的两根天线接收到的人体回波信号分别为μ1和μ2，两者相位差为φ，回波方向角为θ，则
[0013][0014][0015][0016]
上式中，δ为信号μ1和μ2的差通道，∑为信号μ1和μ2的和通道，j为系数，φ为信号μ1和μ2的相位差，d为两根天线的间距，λ为雷达信号波长，θ为回波方向角；
[0017]
所述目标距离的计算过程，包括：
[0018][0019]
上式中，r为目标距离，c为光速，tr为延迟时间。
[0020]
作为优选方案，所述获得目标与三相线缆之间的最短距离，包括：
[0021]di
＝risinθ,i＝1l n
[0022]dmin
＝min(di)
[0023]
上式中，di为第i个目标与三相线缆的竖直距离，ri为接收天线与第i个目标的距离，θ为回波方向角，n为目标的数量，dmin为目标与三相线缆之间的最短距离。
[0024]
作为优选方案，所述目标a、b和c的反射率大小为ra＞rb＞rc，在所述分离出人体回波信号之后，还包括：对所述人体回波信号的各目标进行分类识别，具体为：基于密度聚类算法对所述人体回波信号的帧数据进行聚类，输出聚类结果；计算聚类结果每一类的反射
峰值，将反射峰值最大的类判定为目标a，反射峰值居中的类判定为目标b，反射峰值最小的类判定为目标c。
[0025]
作为优选方案，还包括：获取反射回波延迟后的差拍信号频率，计算各类目标的移动速度并记录；根据预设安全速度和安全距离，确定所述移动速度和目标与三相线缆之间最短距离的超限次数，用于规范人员操作行为。
[0026]
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：根据环境回波信号和绝缘斗回波信号的波形特性，选取第一门限值和第二门限值，准确分离出人体回波信号，再采用密度聚类算法对人体回波信号进行分类识别，能够识别并判断出人体双臂和头部是否处于安全距离线之外，而且可以通过记录移动速度和目标距离的超限次数，规范人员操作行为。
附图说明
[0027]
参照附图来说明本发明的公开内容。应当了解，附图仅仅用于说明目的，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。在附图中，相同的附图标记用于指代相同的部件。其中：
[0028]
图1为本发明实施例配网不停电作业毫米波距离监测装置的实施环境图；
[0029]
图2为图1的局部放大示意图；
[0030]
图3为本发明实施例配网不停电作业毫米波距离监测装置的结构示意图。
具体实施方式
[0031]
容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。
[0032]
根据本发明的一实施方式结合图1至3示出。一种配网不停电作业毫米波距离监测装置，可拆卸安装于三相线缆上，包括壳体，设于壳体内部的控制板、供电模块和收发天线，控制板包括依次相连的混频器、低通滤波器、ad采样模块和处理器，及与混频器相连的波形发生器，和与处理器相连的通信模块，收发天线包括发射天线阵列和接收天线阵列，发射天线阵列与波形发生器相连，接收天线阵列与混频器相连，收发天线用于向目标发射毫米波，并接收目标反射回波，供电模块与控制板相连，用于供电，通信模块连接有报警器或显示器，用于响应报警通知。具体的，该监测装置通过蓝牙、wifi等无线方式与报警器或显示器通信连接。
[0033]
本发明实施例中，上述目标包括设于人体双臂和头部的目标a、b和c，目标a、b和c采用不同反射率材料制成，例如，铜铁铝镍等金属板。因此在反射回波的频谱图上呈现的峰值不同，便于将各类目标区分开来。该监测装置与三相线缆之间的连接方式为卡扣式、缠绕式或夹持式，便于将该装置固定在不同附件上。
[0034]
本发明还提供了一种如上任一项的配网不停电作业毫米波距离监测装置的监测方法，包括如下步骤：
[0035]
(1)利用绝缘操作杆将监测装置安装于三相线缆上，并调整监测装置处于水平状态。具体的，可以在监测装置上安装陀螺仪和旋转电机，开始监测时，控制板根据陀螺仪的角度信号驱动旋转电机运动，自动调节监测装置至水平状态，操作便捷。
[0036]
(2)向三相线缆下方发射线性调频连续毫米波，并实时接收反射回波，反射回波包括人体回波信号、绝缘斗回波信号和环境回波信号。
[0037]
(3)对反射回波进行预处理，并从中分离出人体回波信号。
[0038]
其中，对反射回波进行预处理，包括：
[0039]
a.采用混频器对反射回波进行混频，并经低通滤波器处理后获得中频信号。
[0040]
b.将中频信号进行ad采样，并进行逆傅里叶变换，获得时域信号。
[0041]
c.对时域信号依次进行数字滤波处理、空间多径干扰消除和空间噪声处理。
[0042]
本发明实施例中，从中分离出人体回波信号，包括：
[0043]
a.根据环境回波信号的波形特征，选取第一门限值。
[0044]
b.根据第一门限值，滤除处理后的反射回波在零频处的分量，获得一次处理频谱。
[0045]
c.将一次处理频谱拓展到二维平面，对二维平面的参考窗内所有参考点进行排序，选择其中第k个值周围m个点的平均值作为第二门限值，该k值与绝缘斗的波形特性(如功率水平或功率谱密度)相关。该方式可以保证门限取值的准确性和稳定性，最终提高了目标检测的能力。
[0046]
d.根据第二门限值滤除绝缘斗回波信号分量，获得二次处理频谱，即人体回波信号。
[0047]
设目标a、b和c的反射率大小为ra＞rb＞rc，则在分离出人体回波信号之后，还包括：对人体回波信号的各目标进行分类识别，具体为：基于密度聚类算法对人体回波信号的帧数据进行聚类，输出聚类结果；计算聚类结果每一类的反射峰值，将反射峰值最大的类判定为目标a，反射峰值居中的类判定为目标b，反射峰值最小的类判定为目标c。
[0048]
密度聚类算法的步骤包括：1、如果人体回波信号中一个帧数据点x的ε邻域包含多余的m个对象，则创建一个以x作为核心对象的新簇；2、寻并合并核心对象直接密度可达的对象；3、没有新点可以更新簇的时候，算法结束。
[0049]
(4)根据人体回波信号的波形特征，计算出目标距离和对应的回波方向角。
[0050]
具体的，回波方向角的计算过程，包括:设接收天线阵列的两根天线接收到的人体回波信号分别为μ1和μ2，两者相位差为φ，回波方向角为θ，则
[0051][0052][0053][0054]
上式中，δ为信号μ1和μ2的差通道，∑为信号μ1和μ2的和通道，j为系数，φ为信号μ1和μ2的相位差，d为两根天线的间距，λ为雷达信号波长，θ为回波方向角；
[0055]
目标距离的计算过程，包括：
[0056][0057]
上式中，r为目标距离，c为光速，tr为延迟时间。
[0058]
获得目标与三相线缆之间的最短距离，包括：
[0059]di
＝risinθ,i＝1l n
[0060]dmin
＝min(di)
[0061]
上式中，di为第i个目标与三相线缆的竖直距离，ri为接收天线与第i个目标的距离，θ为回波方向角，n为目标的数量，dmin为目标与三相线缆之间的最短距离。
[0062]
(5)根据目标距离和对应的回波方向角，获得目标与三相线缆之间的最短距离，若最短距离小于安全距离，则输出报警通知。
[0063]
本发明实施例中，该监测方法还包括：获取反射回波延迟后的差拍信号频率，计算各类目标的移动速度并记录；根据预设安全速度和安全距离，确定移动速度和目标与三相线缆之间最短距离的超限次数，用于规范人员操作行为。例如，操作员在一次作业过程中触发报警10次，事后查看记录发现该操作员的左臂超过安全距离8次，右臂超过安全距离2次，且左臂的移动速度超过预设安全速度25次，则可以分析出该操作员的左臂由于动作过快频繁触发报警，建议后续作业时降低手臂的运动速度，规范作业行为，提高不停电作业的安全性，具有较高实践培训的价值。
[0064]
综上所述，本发明的有益效果包括：根据环境回波信号和绝缘斗回波信号的波形特性，选取第一门限值和第二门限值，准确分离出人体回波信号，再采用密度聚类算法对人体回波信号进行分类识别，能够识别并判断出人体双臂和头部是否处于安全距离线之外，该监测方法能够保证较低虚警概率和漏检概率，而且可以通过记录移动速度和目标距离的超限次数，规范人员操作行为。
[0065]
本发明的技术范围不仅仅局限于上述说明中的内容，本领域技术人员可以在不脱离本发明技术思想的前提下，对上述实施例进行多种变形和修改，而这些变形和修改均应当属于本发明的保护范围内。

技术特征：

1.一种配网不停电作业毫米波距离监测装置，可拆卸安装于三相线缆上，其特征在于，包括壳体，设于所述壳体内部的控制板、供电模块和收发天线，所述控制板包括依次相连的混频器、低通滤波器、ad采样模块和处理器，及与所述混频器相连的波形发生器，和与所述处理器相连的通信模块，所述收发天线包括发射天线阵列和接收天线阵列，所述发射天线阵列与波形发生器相连，所述接收天线阵列与混频器相连，所述收发天线用于向目标发射毫米波，并接收目标反射回波，所述供电模块与控制板相连，用于供电，所述通信模块连接有报警器，用于响应报警通知。2.根据权利要求1所述的配网不停电作业毫米波距离监测装置，其特征在于，所述目标包括设于人体双臂和头部的目标a、b和c，所述目标a、b和c采用不同反射率材料制成。3.根据权利要求1所述的配网不停电作业毫米波距离监测装置，其特征在于，所述监测装置与三相线缆之间的连接方式为卡扣式、缠绕式或夹持式。4.一种如根据权利要求1至3任一项所述的配网不停电作业毫米波距离监测装置的监测方法，其特征在于，包括如下步骤：利用绝缘操作杆将监测装置安装于三相线缆上，并调整监测装置处于水平状态；向三相线缆下方发射线性调频连续毫米波，并实时接收反射回波，所述反射回波包括人体回波信号、绝缘斗回波信号和环境回波信号；对所述反射回波进行预处理，并从中分离出人体回波信号；根据所述人体回波信号的波形特征，计算出目标距离和对应的回波方向角；根据所述目标距离和对应的回波方向角，获得目标与三相线缆之间的最短距离，若所述最短距离小于安全距离，则输出报警通知。5.根据权利要求4所述的配网不停电作业毫米波距离监测装置的监测方法，其特征在于，所述对所述反射回波进行预处理，包括：采用混频器对所述反射回波进行混频，并经低通滤波器处理后获得中频信号；将所述中频信号进行ad采样，并进行逆傅里叶变换，获得时域信号；对所述时域信号依次进行数字滤波处理、空间多径干扰消除和空间噪声处理。6.根据权利要求4所述的配网不停电作业毫米波距离监测装置的监测方法，其特征在于，所述从中分离出人体回波信号，包括：根据所述环境回波信号的波形特征，选取第一门限值；根据所述第一门限值，滤除处理后的反射回波在零频处的分量，获得一次处理频谱；将所述一次处理频谱拓展到二维平面，对所述二维平面的参考窗内所有参考点进行排序，选择其中第k个值周围m个点的平均值作为第二门限值；根据所述第二门限值滤除绝缘斗回波信号分量，获得二次处理频谱，即人体回波信号。7.根据权利要求4所述的配网不停电作业毫米波距离监测装置的监测方法，其特征在于，所述回波方向角的计算过程，包括:设接收天线阵列的两根天线接收到的人体回波信号分别为μ1和μ2，两者相位差为φ，回波方向角为θ，则
上式中，δ为信号μ1和μ2的差通道，∑为信号μ1和μ2的和通道，j为系数，φ为信号μ1和μ2的相位差，d为两根天线的间距，λ为雷达信号波长，θ为回波方向角；所述目标距离的计算过程，包括：上式中，r为目标距离，c为光速，tr为延迟时间。8.根据权利要求7所述的配网不停电作业毫米波距离监测装置的监测方法，其特征在于，所述获得目标与三相线缆之间的最短距离，包括：d
i
＝r
i
sinθ,i＝1l nd
min
＝min(d
i
)上式中，di为第i个目标与三相线缆的竖直距离，ri为接收天线与第i个目标的距离，θ为回波方向角，n为目标的数量，dmin为目标与三相线缆之间的最短距离。9.根据权利要求4所述的配网不停电作业毫米波距离监测装置的监测方法，其特征在于，所述目标a、b和c的反射率大小为r
a
＞r
b
＞r
c
，在所述分离出人体回波信号之后，还包括：对所述人体回波信号的各目标进行分类识别，具体为：基于密度聚类算法对所述人体回波信号的帧数据进行聚类，输出聚类结果；计算聚类结果每一类的反射峰值，将反射峰值最大的类判定为目标a，反射峰值居中的类判定为目标b，反射峰值最小的类判定为目标c。10.根据权利要求4所述的配网不停电作业毫米波距离监测装置的监测方法，其特征在于，还包括：获取反射回波延迟后的差拍信号频率，计算各类目标的移动速度并记录；根据预设安全速度和安全距离，确定所述移动速度和目标与三相线缆之间最短距离的超限次数，用于规范人员操作行为。

技术总结

本发明提出了一种配网不停电作业毫米波距离监测装置及其监测方法，该装置包括壳体，设于壳体内部的控制板、供电模块和收发天线，控制板包括依次相连的混频器、低通滤波器、AD采样模块和处理器，及与混频器相连的波形发生器，和与处理器相连的通信模块，收发天线包括发射天线阵列和接收天线阵列，发射天线阵列与波形发生器相连，接收天线阵列与混频器相连，收发天线用于向目标发射毫米波，并接收目标反射回波，供电模块与控制板相连，用于供电，通信模块连接有报警器，用于响应报警通知。本发明能够识别并判断出人体双臂和头部是否处于安全距离线之外，而且可以通过记录移动速度和目标距离的超限次数，规范人员操作行为。规范人员操作行为。规范人员操作行为。