一种基于雷达散射截面的高压架空线路检测方法及系统

1.本发明涉及输变电工程电磁兼容技术领域，并且更具体地，涉及一种基于雷达散射截面的高压架空线路检测方法及系统。


背景技术：

2.高压架空线路及其支撑塔是直升机和其他低空飞行飞机的主要安全隐患。为了防止这些事故，需要研发小尺寸、低成本的毫米波防撞雷达系统。雷达系统对导线的识别需要配相应的雷达检测算法，这些算法利用w段频率下分布式目标和电力线的极化反向散射统计信息。为了检查这种算法的性能，需要深入了解具有不同结构参数(如导线股线排列和股线直径)的电力线的散射行为。
3.有关电力线雷达散射截面(rcs)分析评估目前仅有简单的模型。例如长光滑圆柱体模型，该模型仅在微波频率(x波段及以下)下有效。还有基于几何光学(go)近似的模型。go模型能够考虑电力线周期性结构的影响。利用这个模型能够预测电力线结构产生的布拉格反向散射的存在和位置。由于go近似的限制，该模型无法预测交叉极化的后向散射，也无法区分共极化后向散射(和)响应之间可能存在的差异。
4.因此，急需新的基于雷达散射截面的高压架空线路检测方法。


技术实现要素：

5.本发明提出一种基于雷达散射截面的高压架空线路检测方法及系统，以解决如何高效地进行高压架空线路检测的问题。
6.为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种基于雷达散射截面的高压架空线路检测方法，所述方法包括：
7.获取用于电场计算的关键参数信息；
8.基于所述关键参数信息计算雷达发射的前行波对应的第一电场和导线的反射波对应的第二电场；
9.基于所述第一电场和第二电场获取雷达散射截面数据；
10.基于所述雷达散射截面数据进行高压架空线路的检测。
11.优选地，其中所述关键参数信息，包括：导线表面周期l、导线股线直径d、导线直径d和导线螺旋的节距p。
12.优选地，其中所述方法利用如下方式计算第一电场，包括：
[0013][0014]
其中，ei为第一电场；表示偏振矢量；表示偏振矢量；为电磁波入射方向矢量；k
xi
、k
yi
为和k
zi
分别为电磁波入射方向在x、y、z轴的投影矢量；和分别为x、y、z
轴的方向向量；r为导线表面与z轴之间的矢径；k0为常数；i表示虚部。
[0015]
优选地，其中所述方法利用如下方式计算第二电场，包括：
[0016][0017]
其中，es为第二电场；k0为常数；z0均为常数，r为导线表面与z轴之间的矢径；r'为源点矢径；k为传播方向向量；为散射场传播方向矢量；i表示虚部。
[0018]
优选地，其中所述基于所述雷达散射截面数据进行高压架空线路的检测，包括：
[0019]
确定雷达散射截面数据,并将所述雷达散射截面数据和已存储的雷达散射截面数据进行匹配，基于匹配结果确定导线的型号；
[0020]
其中，所述利用如下方式确定雷达散射截面数据，包括：
[0021][0022]
其中，rcs为雷达散射截面数据；r为雷达距离导线的距离；ei为第一电场；es为第二电场。
[0023]
根据本发明的另一个方面，提供了一种基于雷达散射截面的高压架空线路检测系统，所述系统包括：
[0024]
关键参数信息获取单元，用于获取用于电场计算的关键参数信息；
[0025]
电场计算单元，用于基于所述关键参数信息计算雷达发射的前行波对应的第一电场和导线的反射波对应的第二电场；
[0026]
雷达散射截面图获取单元，用于基于所述第一电场和第二电场获取雷达散射截面数据；
[0027]
检测单元，用于基于所述雷达散射截面数据进行高压架空线路的检测。
[0028]
优选地，其中所述关键参数信息，包括：导线表面周期l、导线股线直径d、导线直径d和导线螺旋的节距p。
[0029]
优选地，其中所述电场计算单元，利用如下方式计算第一电场，包括：
[0030][0031]
其中，ei为第一电场；表示偏振矢量；表示偏振矢量；为电磁波入射方向矢量；k
xi
、k
yi
为和k
zi
分别为电磁波入射方向在x、y、z轴的投影矢量；和分别为x、y、z轴的方向向量；r为导线表面与z轴之间的矢径；k0为常数；i表示虚部。
[0032]
优选地，其中所述电场计算单元，利用如下方式计算第二电场，包括：
[0033][0034]
其中，es为第二电场；k0为常数；z0均为常数，r为导线表面与z轴之间的矢径；r'为
源点矢径；k为传播方向向量；为散射场传播方向矢量；i表示虚部。
[0035]
优选地，其中所述检测单元，基于所述雷达散射截面数据进行高压架空线路的检测，包括：
[0036]
确定雷达散射截面数据,并将所述雷达散射截面数据和已存储的雷达散射截面数据进行匹配，基于匹配结果确定导线的型号；
[0037]
其中，所述利用如下方式确定雷达散射截面数据，包括：
[0038][0039]
其中，rcs为雷达散射截面数据；r为雷达距离导线的距离；ei为第一电场；es为第二电场。
[0040]
基于本发明的另一方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现一种基于雷达散射截面的高压架空线路检测方法中任一项的步骤。
[0041]
基于本发明的另一方面，本发明提供一种电子设备，包括：
[0042]
上述的计算机可读存储介质；以及
[0043]
一个或多个处理器，用于执行所述计算机可读存储介质中的程序。
[0044]
本发明提供了一种基于雷达散射截面的高压架空线路检测方法及系统，包括：获取用于电场计算的关键参数信息；基于所述关键参数信息计算雷达发射的前行波对应的第一电场和导线的反射波对应的第二电场；基于所述第一电场和第二电场获取雷达散射截面数据；基于所述雷达散射截面数据进行高压架空线路的检测。本发明的方法可解决当前高压线路目标识别时缺乏较为精确毫米波雷达电磁散射截面模型的问题，能够准确高效地进行高压架空线路的检测，以减小直升机和低空飞行器撞击线路的几率。
附图说明
[0045]
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
[0046]
图1为根据本发明实施方式的基于雷达散射截面的高压架空线路检测方法100的流程图；
[0047]
图2为根据本发明实施方式的高压架空线路的的几何形状及其相关坐标系图；
[0048]
图3为根据本发明实施方式的基于雷达散射截面的高压架空线路检测系统300的结构示意图。
具体实施方式
[0049]
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
[0050]
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
[0051]
图1为根据本发明实施方式的基于雷达散射截面的高压架空线路检测方法100的流程图。如图1所示，本发明实施方式提供的基于雷达散射截面的高压架空线路检测方法，可解决当前高压线路目标识别时缺乏较为精确毫米波雷达电磁散射截面模型的问题，能够准确高效地进行高压架空线路的检测。本发明实施方式提供的基于雷达散射截面的高压架空线路检测方法100，从步骤101处开始，在步骤101，获取用于电场计算的关键参数信息。
[0052]
优选地，其中所述关键参数信息，包括：导线表面周期l、导线股线直径d、导线直径d和导线螺旋的节距p。
[0053]
在步骤102，基于所述关键参数信息计算雷达发射的前行波对应的第一电场和导线的反射波对应的第二电场。
[0054]
优选地，其中所述方法利用如下方式计算第一电场，包括：
[0055][0056]
其中，ei为第一电场；表示偏振矢量；表示偏振矢量；为电磁波入射方向矢量；k
xi
、k
yi
为和k
zi
分别为电磁波入射方向在x、y、z轴的投影矢量；和分别为x、y、z轴的方向向量；r为导线表面与z轴之间的矢径；k0为常数；i表示虚部。
[0057]
优选地，其中所述方法利用如下方式计算第二电场，包括：
[0058][0059]
其中，es为第二电场；k0为常数；z0均为常数，r为导线表面与z轴之间的矢径；r'为源点矢径；k为传播方向向量；为散射场传播方向矢量；i表示虚部。
[0060]
在本发明中，高压架空线路的的几何形状及其相关坐标系如图2所示。毫米波雷达发射的电磁波可看做平面波，假设平面波沿方向传播，其第一电场表示为：
[0061][0062]
其中，表示偏振矢量。由于入射场是平面波，并且电力线的表面沿z轴是周期性的，因此除了渐进的相位因子外，感应表面电流分布也是周期性的。因此，第n个周期的电流可以用原点附近的周期的电流表示为
[0063][0064]
此处l表示周期，并且
[0065]
[0066]
将散射体-高压架空导线的表面细分为无限数量的分段，每个分段都有一个长度，总散射场可以使用自由空间格林函数计算，并由下式给出：
[0067][0068]
其中r'n∈sn，z0是自由空间固有阻抗。由(2)、(3)和(4)通过在(4)中插入(2)和(3)，并互换积分和求和的顺序，(4)可以重写为：
[0069][0070]
是周期结构的并矢格林函数，由下式给出：
[0071][0072]
其中g(r,r')是自由空间标量格林函数，由(7)给出：
[0073][0074]
根据其二维傅立叶展开、调用泊松求和公式和其他一些代数运算，周期格林函数可表示为
[0075][0076]
此处
[0077]
感应电流与总切向磁场成比例，电流的磁场积分方程为：
[0078][0079]
其中s0指定了一个周期内的电力线表面，可以使用标准矩量法(mom)对感应电流密度j(r)进行数值求解。j(r)确定后，远场区域中的散射电场由下式求得：
[0080][0081]
图1给出了雷达天线主平面中典型高压架空线路导线的几何形状。导线由许多钢绞线(放置在芯部)和直径为d的铝绞线(股线)以螺旋方式缠绕在一起组成。根据外表面上的电线数量、电缆的总直径d和螺旋股线的节距p，可以确定表面的周期l。mom或迭代物理光学解决方案都需要对表面进行数学描述。考虑外表面有线束的线路(见图1)。经过一些简化后，该电缆表面上的一个点可以表示为：
[0082]
[0083]
此处
[0084][0085]
则：
[0086][0087]
这里，d、d和p分别是绞线直径、电缆总直径和螺旋节距，是表示rn和之间的角度。的范围仅限于的范围仅限于角度略大于90的位置。电力线的三维参数可以表示为：
[0088][0089]
其中r
x
和ry分别是r的x和y分量。图1显示了由(16)产生的具有六条外绞线的电力线的表面。在曲率半径大于波长的高频下，和数值足够接近。因此：
[0090][0091]
可得到第二电场的计算公式为：
[0092][0093]
其中，es为第二电场；k0为常数；z0均为常数，r为导线表面与z轴之间的矢径；r'为源点矢径；k为传播方向向量；为散射场传播方向矢量；i表示虚部。
[0094]
在步骤103，基于所述第一电场和第二电场获取雷达散射截面数据。
[0095]
在步骤104，基于所述雷达散射截面数据进行高压架空线路的检测。
[0096]
优选地，其中所述基于所述雷达散射截面数据进行高压架空线路的检测，包括：
[0097]
确定雷达散射截面数据,并将所述雷达散射截面数据和已存储的雷达散射截面数据进行匹配，基于匹配结果确定导线的型号；
[0098]
其中，所述利用如下方式确定雷达散射截面数据，包括：
[0099][0100]
其中，rcs为雷达散射截面数据；r为雷达距离导线的距离；ei为第一电场；es为第二电场。
[0101]
在本发明中，利用雷达散射截面数据的计算公式计算得到雷达散射截面数据，并将计算得到的雷达散射截面数据和已存储的雷达散射截面数据进行匹配，基于匹配结果确定导线的型号。
[0102]
其中，雷达散射截面数据的计算公式为：
[0103][0104]
其中，rcs为雷达散射截面数据；r为雷达距离导线的距离；ei为第一电场；es(r)为第二电场。
[0105]
本发明的方法提出了电力线的电磁场结合周期格林函数建立了积分方程，作为散射场计算的基础。通过与94ghz下的实验数据的比较，表明二阶迭代po解能够预测电力线电缆的极化后向散射响应，可解决当前高压线路目标识别缺乏较为精确毫米波雷达电磁散射截面模型的问题。
[0106]
图3为根据本发明实施方式的基于雷达散射截面的高压架空线路检测系统300的结构示意图。如图3所示，本发明实施方式提供的基于雷达散射截面的高压架空线路检测系统300，包括：关键参数信息获取单元301、电场计算单元302、雷达散射截面图获取单元303和检测单元304。
[0107]
优选地，所述关键参数信息获取单元301，用于获取用于电场计算的关键参数信息。
[0108]
优选地，其中所述关键参数信息，包括：导线表面周期l、导线股线直径d、导线直径d和导线螺旋的节距p。
[0109]
优选地，所述电场计算单元302，用于基于所述关键参数信息计算雷达发射的前行波对应的第一电场和导线的反射波对应的第二电场。
[0110]
优选地，其中所述电场计算单元302，利用如下方式计算第一电场，包括：
[0111][0112]
其中，ei为第一电场；表示偏振矢量；表示偏振矢量；为电磁波入射方向矢量；k
xi
、k
yi
为和k
zi
分别为电磁波入射方向在x、y、z轴的投影矢量；和分别为x、y、z轴的方向向量；r为导线表面与z轴之间的矢径；k0为常数；i表示虚部。
[0113]
优选地，其中所述电场计算单元302，利用如下方式计算第二电场，包括：
[0114][0115]
其中，es为第二电场；k0为常数；z0均为常数，r为导线表面与z轴之间的矢径；r'为源点矢径；k为传播方向向量；为散射场传播方向矢量；i表示虚部。
[0116]
优选地，所述雷达散射截面图获取单元303，用于基于所述第一电场和第二电场获取雷达散射截面数据。
[0117]
优选地，所述检测单元304，用于基于所述雷达散射截面数据进行高压架空线路的检测。
[0118]
优选地，其中所述检测单元304，基于所述雷达散射截面数据进行高压架空线路的
检测，包括：
[0119]
确定雷达散射截面数据,并将所述雷达散射截面数据和已存储的雷达散射截面数据进行匹配，基于匹配结果确定导线的型号；
[0120]
其中，所述利用如下方式确定雷达散射截面数据，包括：
[0121][0122]
其中，rcs为雷达散射截面数据；r为雷达距离导线的距离；ei为第一电场；es为第二电场。
[0123]
本发明的实施例的基于雷达散射截面的高压架空线路检测系统300与本发明的另一个实施例的基于雷达散射截面的高压架空线路检测方法100相对应，在此不再赘述。
[0124]
基于本发明的另一方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现一种基于雷达散射截面的高压架空线路检测方法中任一项的步骤。
[0125]
基于本发明的另一方面，本发明提供一种电子设备，包括：
[0126]
上述的计算机可读存储介质；以及
[0127]
一个或多个处理器，用于执行所述计算机可读存储介质中的程序。
[0128]
已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
[0129]
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据它们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。
[0130]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0131]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0132]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0133]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0134]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于雷达散射截面的高压架空线路检测方法，其特征在于，所述方法包括：获取用于电场计算的关键参数信息；基于所述关键参数信息计算雷达发射的前行波对应的第一电场和导线的反射波对应的第二电场；基于所述第一电场和第二电场获取雷达散射截面数据；基于所述雷达散射截面数据进行高压架空线路的检测。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述关键参数信息，包括：导线表面周期l、导线股线直径d、导线直径d和导线螺旋的节距p。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法利用如下方式计算第一电场，包括：其中，e
i
为第一电场；表示偏振矢量；表示偏振矢量；为电磁波入射方向矢量；k
xi
、k
yi
为和k
zi
分别为电磁波入射方向在x、y、z轴的投影矢量；和分别为x、y、z轴的方向向量；r为导线表面与z轴之间的矢径；k0为常数；i表示虚部。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法利用如下方式计算第二电场，包括：其中，e
s
为第二电场；k0为常数；z0均为常数，r为导线表面与z轴之间的矢径；r'为源点矢径；k为传播方向向量；为散射场传播方向矢量；i表示虚部。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述雷达散射截面数据进行高压架空线路的检测，包括：确定雷达散射截面数据,并将所述雷达散射截面数据和已存储的雷达散射截面数据进行匹配，基于匹配结果确定导线的型号；其中，所述利用如下方式确定雷达散射截面数据，包括：其中，rcs为雷达散射截面数据；r为雷达距离导线的距离；e
i
为第一电场；e
s
为第二电场。6.一种基于雷达散射截面的高压架空线路检测系统，其特征在于，所述系统包括：关键参数信息获取单元，用于获取用于电场计算的关键参数信息；电场计算单元，用于基于所述关键参数信息计算雷达发射的前行波对应的第一电场和导线的反射波对应的第二电场；
雷达散射截面图获取单元，用于基于所述第一电场和第二电场获取雷达散射截面数据；检测单元，用于基于所述雷达散射截面数据进行高压架空线路的检测。7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述关键参数信息，包括：导线表面周期l、导线股线直径d、导线直径d和导线螺旋的节距p。8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述电场计算单元，利用如下方式计算第一电场，包括：其中，e
i
为第一电场；表示偏振矢量；表示偏振矢量；为电磁波入射方向矢量；k
xi
、k
yi
为和k
zi
分别为电磁波入射方向在x、y、z轴的投影矢量；和分别为x、y、z轴的方向向量；r为导线表面与z轴之间的矢径；k0为常数；i表示虚部。9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述电场计算单元，利用如下方式计算第二电场，包括：其中，e
s
为第二电场；k0为常数；z0均为常数，r为导线表面与z轴之间的矢径；r'为源点矢径；k为传播方向向量；为散射场传播方向矢量；i表示虚部。10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述检测单元，基于所述雷达散射截面数据进行高压架空线路的检测，包括：确定雷达散射截面数据,并将所述雷达散射截面数据和已存储的雷达散射截面数据进行匹配，基于匹配结果确定导线的型号；其中，所述利用如下方式确定雷达散射截面数据，包括：其中，rcs为雷达散射截面数据；r为雷达距离导线的距离；e
i
为第一电场；e
s
为第二电场。11.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-5中任一项所述方法的步骤。12.一种电子设备，其特征在于，包括：权利要求11中所述的计算机可读存储介质；以及一个或多个处理器，用于执行所述计算机可读存储介质中的程序。

技术总结
本发明公开了一种基于雷达散射截面的高压架空线路检测方法及系统，包括：获取用于电场计算的关键参数信息；基于所述关键参数信息计算雷达发射的前行波对应的第一电场和导线的反射波对应的第二电场；基于所述第一电场和第二电场获取雷达散射截面数据；基于所述雷达散射截面数据进行高压架空线路的检测。本发明的方法可解决当前高压线路目标识别时缺乏较为精确毫米波雷达电磁散射截面模型的问题，能够准确高效地进行高压架空线路的检测，以减小直升机和低空飞行器撞击线路的几率。直升机和低空飞行器撞击线路的几率。直升机和低空飞行器撞击线路的几率。


技术研发人员：张建功 刘兴发 干喆渊 赵志斌 唐波 焦超群 徐吉来 刘震寰
受保护的技术使用者：华北电力大学 三峡大学 北京交通大学
技术研发日：2023.05.12
技术公布日：2023/10/19