为解决传统高压电线搭接异物清除方式安全性低、维护成本高、清除效率低，以及现有CO2激光烧蚀简易装置不适用于远距离或异物较小时的清除的技术问题，本发明专利技术提供了一种基于双离轴抛物面镜组的CO2激光烧蚀装置。采用共轴分光镜组实现了CO2激光扩束聚焦系统、可见光摄相机及激光测距系统三路共轴，CO2激光扩束聚焦系统基于双离轴抛物面镜组，无中心遮拦，轻质且可满足大口径使用需求；可见光摄相机的光轴与CO2激光扩束聚焦系统的光轴保持共轴，能够确保烧蚀效果最佳；测距系统的光轴与CO2激光扩束聚焦系统的光轴保持共轴，能够确保调节调焦负透镜时，实现CO2激光的远距离聚焦；利用可见光摄像机结合二维旋转机构能实现异物目标的搜索、捕获和锁定。
A CO2 Laser Ablation Device Based on Double Off-axis Parabolic Mirror Group
【技术实现步骤摘要】
一种基于双离轴抛物面镜组的CO2激光烧蚀装置
本专利技术涉及一种光学非接触式CO2激光烧蚀装置，具体涉及一种基于双离轴抛物面镜组的CO2激光烧蚀装置，可用于高压输电线异物清除，尤其适用于远距离高压输电线异物清除。
技术介绍
高压及特高压电网是电力系统中进行远距离大规模电能输送的重要物理传导网络。输电电网使用多条高压、超高压物理线缆，并绝缘架空在20m～100m高的塔架之间。由于线缆常年暴露在自然环境中，客观自然或人为原因，常常使得塑料等非金属异物搭接在电缆、塔架、绝缘子等电网设施上。导致高压电力线缆间绝缘性变差，存在引发电力线路短路跳闸等故障的隐患是当前电力系统正常运转的重大威胁之一。通常高压电网在输电线路设计中，导线与导线之间都留有固定的安全间距。正常情况下，只要导线间保持这个空气间隙，架空输电线路就可以安全运行。若在电线之间存在空气以外的非绝缘物体，比如风筝线、气球、塑料布等，极易造成线与线之间短路，使得变电站开关跳闸。常见异物为风筝、气球等非金属物品，一旦搭接高线电网之间，输电线路就会立刻跳闸导致电网故障。即使异物绝缘性较高，在雨天或空气湿度大时，电流也有可能会通过雨水(或水汽)击穿放电，引发电网故障。传统的清除高压电线搭接异物的主要方法有两大类：一是停电后电工或机器人上线摘除；二是等电位带电作业摘除。这两种方法都需要投入较多的人力、物力，且作业程序复杂、时间长、工作强度大，安全性低。即使采用机器人等非人工手段，当前清除电缆异物的用时依然较长。机器人等自动化设备在电网带电的情况下对电网的安全运行存在一定的威胁且机器人的使用、维护成本较高，难以大规模推广应用。激光清理电缆上异物的原理是在地面上发射激光，精确控制激光方位使其辐射异物表面，异物被辐射部分由于吸收激光能量从而温度升高，最终燃烧脱落，达到清理异物的目的。电缆上的异物一般为非金属材料的，CO2激光器能够在燃烧绝大部分异物的情况下，对金属电缆不造成损伤。现有的CO2激光烧蚀简易装置需要人工瞄准异物，不适用于远距离或异物较小时的清除。
技术实现思路
基于以上背景，为解决传统高压电线搭接异物清除方式安全性低、维护成本高、清除效率低，以及现有CO2激光烧蚀简易装置不适用于远距离或异物较小时的清除的技术问题，本专利技术提供了一种基于双离轴抛物面镜组的CO2激光烧蚀装置。本专利技术的技术解决方案是：一种基于双离轴抛物面镜组的CO2激光烧蚀装置，其特殊之处在于：包括CO2激光扩束聚焦系统、共轴分光镜组、可见光摄像机、测距系统、二维旋转机构及显控终端；CO2激光扩束聚焦系统、可见光摄像机、测距系统和共轴分光镜组封装于一体，设置于二维旋转机构上；CO2激光扩束聚焦系统包括CO2激光器和CO2激光扩束聚焦折反光学系统；CO2激光扩束聚焦折反光学系统为多组级联的伽利略望远镜型式折反红外光学系统，包括透镜组和双离轴抛物面镜组，双离轴抛物面镜组和透镜组均为无焦或近似无焦系统；透镜组包括依次设置的调焦负透镜和正透镜；调焦负透镜与正透镜构成扩束系统，调焦负透镜设置在CO2激光器的出射光路上，透镜组与所述双离轴抛物面镜组构成扩束调焦系统；调焦负透镜的位置可调；双离轴抛物面镜组的出射光路上设置所述共轴分光镜组；共轴分光镜组包括平行设置的主路分光镜与双路分光镜，主路分光镜和双路分光镜上均镀制有双色分光膜；主路分光镜上的双色分光膜，对CO2激光透过，对可见光及测距激光反射；双路分光镜上的双色分光膜，对测距激光透过，对可见光反射；主路分光镜设置在双离轴抛物面镜组的出射光路上；定义主路分光镜远离双离轴抛物面镜组的面为第一镜面，双路分光镜设置在第一镜面的反射光路上；可见光摄像机的光轴与双离轴抛物面镜组的出射光束光轴平行；定义双路分光镜面向主路分光镜的面为第二镜面，可见光摄像机位于所述第二镜面的反射光路上；测距系统位于所述第二镜面的透射光路上；显控终端包括显示终端及控制操纵器；控制操纵器与CO2激光扩束聚焦系统、可见光摄像机、测距系统和二维旋转机构均相连，用于：调节二维旋转机构的方位和俯仰；将可见光摄像机所获取的影像以及测距系统输出的测距数据传送至显示终端；根据测距系统的测距数据对透镜组中的调焦负透镜进行位置调节以控制CO2激光扩束聚焦系统对烧蚀目标的锁定、激光烧蚀；监控烧蚀过程。进一步地，所述双离轴抛物面镜组及透镜组的F数均小于4。进一步地，所述双离轴抛物面镜组包括大尺寸主离轴抛物面镜和小尺寸次离轴抛物面镜，小尺寸次离轴抛物面镜设置在透镜组的出射光路上，大尺寸主离轴抛物面镜设置在小尺寸次离轴抛物面镜的出射光路上；大尺寸主离轴抛物面镜和小尺寸次离轴抛物面镜的镜面直径比例满足使得双离轴抛物面镜组的缩束比为3:1。进一步地，所述大尺寸主离轴抛物面镜的镜面直径D1的最小值根据公式确定；式中，Lm为激光烧蚀最远工作距离，d′为整个CO2激光烧蚀装置的衍射极限光斑大小。进一步地，所述CO2激光器为连续或脉冲高功率CO2激光器，功率不低于100W。进一步地，主路分光镜上的双色分光膜，对CO2激光的透过率大于98％，对可见光及测距激光的反射率大于99％；双路分光镜上的双色分光膜，对测距激光的透过率大于99％，对可见光的反射率大于99％。进一步地，二维旋转机构为方位角和俯仰角精度均优于5″的精密旋转机构。进一步地，二维旋转机构具有手动调节功能。进一步地，透镜组采用可透射CO2激光的Ge材料制成。进一步地，可见光摄像机具有变焦功能，能够对远距离目标清晰成像，且可对当前锁定目标进行框选。本专利技术的有益效果：1.本专利技术采用共轴分光镜组实现了CO2激光扩束聚焦系统、可见光摄相机及激光测距系统三路共轴，CO2激光扩束聚焦系统基于双离轴抛物面镜组，无中心遮拦，轻质且可满足大口径使用需求；CO2激光扩束聚焦系统中的CO2激光扩束聚焦折反光学系统采用伽利略望远镜型式折反红外光学系统，无中间像点，避免了系统中出现高能量的激光点；可见光摄相机的光轴与CO2激光扩束聚焦系统的光轴保持共轴，能够确保烧蚀效果最佳；测距系统的光轴与CO2激光扩束聚焦系统的光轴保持共轴，能够确保调节透镜组中的调焦负透镜时，实现CO2激光的远距离聚焦；利用可见光摄像机结合二维旋转机构能够实现异物目标的搜索、捕获和锁定。在50m左右，天气晴好条件下，采用该调焦方案及离轴设置，高能量激光能量利用率高，5S内即可点燃异物；在极端天气条件下，且处于极限作用距离条件下，采用该调焦方案及离轴设置，高能量激光能量利用率高，30S内即可点燃异物。2.本专利技术中双离轴抛物面镜组的位置固定，透镜组中调焦负透镜的位置可调，这样在远距离工作时，只对调焦负透镜的位置进行精密调节，不对离轴元件进行调节，能够保证调焦的稳定性和同轴性，避免了远距离目标的调焦蹿动。3.本专利技术中双离轴抛物面镜组和透镜组的F数小于4，能够充分缩短光学系统的长度，减小烧蚀装置的体积。4.本专利技术中大尺寸主离轴抛物面镜和小尺寸次离轴抛物面镜的镜面直径比例满足使得双离轴抛物面镜组的缩束比为3:1，有利于获得接近衍射极限的像质。5.本专利技术中CO2激光器为连续或脉冲高功率CO2激光器，功率不低于100W，能够满足远距离烧蚀需求。6.二维旋转机构为方位角和俯仰角精度均优于5″的精密旋转机构，能够确保调节精度。7.透镜组采本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于双离轴抛物面镜组的CO2激光烧蚀装置，其特征在于：包括CO2激光扩束聚焦系统(1)、共轴分光镜组(4)、可见光摄像机(2)、测距系统(3)、二维旋转机构(5)及显控终端(7)；CO2激光扩束聚焦系统(1)、可见光摄像机(2)、测距系统(3)和共轴分光镜组(4)封装于一体，设置于二维旋转机构(5)上；CO2激光扩束聚焦系统(1)包括CO2激光器(11)和CO2激光扩束聚焦折反光学系统(12)；CO2激光扩束聚焦折反光学系统(12)为多组级联的伽利略望远镜型式折反红外光学系统，包括透镜组(122)和双离轴抛物面镜组(121)，双离轴抛物面镜组(121)和透镜组(122)均为无焦或近似无焦系统；透镜组(122)包括依次设置的调焦负透镜(1222)和正透镜(1221)；调焦负透镜(1222)与正透镜(1221)构成扩束系统，调焦负透镜(1222)设置在CO2激光器(11)的出射光路上，透镜组(122)与所述双离轴抛物面镜组(121)构成扩束调焦系统；调焦负透镜(1222)的位置可调；双离轴抛物面镜组(121)的出射光路上设置所述共轴分光镜组(4)；共轴分光镜组(4)包括平行设置的主路分光镜(41)与双路分光镜(42)，主路分光镜(41)和双路分光镜(42)上均镀制有双色分光膜；主路分光镜(41)上的双色分光膜，对CO2激光透过，对可见光及测距激光反射；双路分光镜(42)上的双色分光膜，对测距激光透过，对可见光反射；主路分光镜(41)设置在双离轴抛物面镜组(121)的出射光路上；定义主路分光镜(41)远离双离轴抛物面镜组(121)的面为第一镜面，双路分光镜(42)设置在第一镜面的反射光路上；可见光摄像机(2)的光轴与双离轴抛物面镜组(121)的出射光束光轴平行；定义双路分光镜(42)面向主路分光镜(41)的面为第二镜面，可见光摄像机(2)位于所述第二镜面的反射光路上；测距系统(3)位于所述第二镜面的透射光路上；显控终端(7)包括显示终端(71)及控制操纵器(72)；控制操纵器(72)与CO2激光扩束聚焦系统(1)、可见光摄像机(2)、测距系统(3)和二维旋转机构(5)均相连，用于：调节二维旋转机构(5)的方位和俯仰；将可见光摄像机(2)所获取的影像以及测距系统(3)输出的测距数据传送至显示终端(71)；根据测距系统(3)的测距数据对透镜组(122)中的调焦负透镜(1222)进行位置调节以控制CO2激光扩束聚焦系统(1)对烧蚀目标的锁定、激光烧蚀；监控烧蚀过程。...
【技术特征摘要】
1.一种基于双离轴抛物面镜组的CO2激光烧蚀装置，其特征在于：包括CO2激光扩束聚焦系统(1)、共轴分光镜组(4)、可见光摄像机(2)、测距系统(3)、二维旋转机构(5)及显控终端(7)；CO2激光扩束聚焦系统(1)、可见光摄像机(2)、测距系统(3)和共轴分光镜组(4)封装于一体，设置于二维旋转机构(5)上；CO2激光扩束聚焦系统(1)包括CO2激光器(11)和CO2激光扩束聚焦折反光学系统(12)；CO2激光扩束聚焦折反光学系统(12)为多组级联的伽利略望远镜型式折反红外光学系统，包括透镜组(122)和双离轴抛物面镜组(121)，双离轴抛物面镜组(121)和透镜组(122)均为无焦或近似无焦系统；透镜组(122)包括依次设置的调焦负透镜(1222)和正透镜(1221)；调焦负透镜(1222)与正透镜(1221)构成扩束系统，调焦负透镜(1222)设置在CO2激光器(11)的出射光路上，透镜组(122)与所述双离轴抛物面镜组(121)构成扩束调焦系统；调焦负透镜(1222)的位置可调；双离轴抛物面镜组(121)的出射光路上设置所述共轴分光镜组(4)；共轴分光镜组(4)包括平行设置的主路分光镜(41)与双路分光镜(42)，主路分光镜(41)和双路分光镜(42)上均镀制有双色分光膜；主路分光镜(41)上的双色分光膜，对CO2激光透过，对可见光及测距激光反射；双路分光镜(42)上的双色分光膜，对测距激光透过，对可见光反射；主路分光镜(41)设置在双离轴抛物面镜组(121)的出射光路上；定义主路分光镜(41)远离双离轴抛物面镜组(121)的面为第一镜面，双路分光镜(42)设置在第一镜面的反射光路上；可见光摄像机(2)的光轴与双离轴抛物面镜组(121)的出射光束光轴平行；定义双路分光镜(42)面向主路分光镜(41)的面为第二镜面，可见光摄像机(2)位于所述第二镜面的反射光路上；测距系统(3)位于所述第二镜面的透射光路上；显控终端(7)包括显示终端(71)及控制操纵器(72)；控制操纵器(72)与CO2激光扩束聚焦系统(1)、可见光摄像机(2)、测距系统(3)和二维旋转机构(5)均相连，用于：调节二维旋转机构(5)的方位和俯仰；将可见光摄像机(2)所获取的影像以及测距系统(3)输出的测距数...
【专利技术属性】
技术研发人员：高峰，刘爱敏，王南，蔡勇，张维佳，肖茂森，孔志战，杨县委，胡攀峰，陈小健，黄俊峰，褚磊，王晓涛，
申请(专利权)人：国网陕西省电力公司电力科学研究院，中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61
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