[0001] 本发明涉及电力线缆技术领域，具体涉及基于三棱镜折射的激光成像冻雨识别装置及识别方法。

[0002] 随着全球气候变化的加剧，极端天气事件频繁发生，其中冻雨作为一种特殊形式的降水现象，在冬季给交通、电力输送等领域带来了极大的安全隐患。传统上，对于冻雨的
监测主要依赖于气象雷达、地面观测站等手段，这些方式虽然能够提供大范围内的气象信
息，但对于局部小尺度的冻雨现象难以实现精准监测。此外，由于冻雨具有较强的随机性和
局部性，传统监测方法往往无法及时准确地提供预警信息，导致应急响应滞后，增加了灾害
损失。

[0003] 当冻雨降临时，它在电力线上形成一层厚厚的冰覆盖物，这大大增加了电缆的重量。随着冰层的积累，电线承受的负荷会超过其设计承载能力，导致电缆下垂甚至断裂。此
外，电塔也可能因为承受过大的拉力而倾斜或倒塌。这种情况下，不仅会造成电力中断，还
可能对周围的基础设施和人身安全构成威胁。因此，及时检测和清除积冰对于保障电力系
统的安全运行至关重要。

[0004] 传统的冻雨监测技术主要存在以下不足：一是监测精度不高，难以准确捕捉到冻雨的具体发生位置及强度变化；二是监测成本较高，需要大量的地面站点布设才能达到一
定的覆盖密度；三是响应速度慢，无法实时反馈冻雨情况，影响决策效率。近年来，随着光学
技术的发展，基于光学原理的冻雨监测技术逐渐成为研究热点，这些技术能够在一定程度
上提高监测精度和响应速度，但仍存在一些局限性，如设备复杂度高、易受环境光干扰等问
题。同时，现有激光成像的冻雨识别装置中也存在激光器的使用寿命短、激光与相机对射容
易损坏相机的问题。

[0034] 下面结合附图与具体实施方式，对本发明进一步详细说明，但是本发明不局限于以下实施例。

[0035] 如无特殊说明，本发明中，若有术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”、“x方向”、“y方向”、“z方向”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定
的方位、以特定的方位构造和操作，因此本发明中描述方位或位置关系的用语仅用于示例
性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以结合附图，并
根据具体情况理解上述术语的具体含义。

[0036] 实施例一：

[0037] 见附图1～3。本申请公开了一种基于三棱镜折射的激光成像冻雨识别装置，包括第一成像单元、第二成像单元和控制单元；其中，第一成像单元与第二成像单元相对设置，
且两者之间形成有狭缝，狭缝的水平面与地表面垂直；第一成像单元用于发射脉冲激光，并
将脉冲激光的光束水平传输至狭缝，第二成像单元用于接收狭缝中脉冲激光的光束并成
像，采集的冻雨需要从狭缝中通过，可确保进入狭缝中的冻雨微粒能够清晰成像。控制单元
用于控制第一成像单元与第二成像单元，并处理成像结果，判断是否有冻雨发生。

[0038] 在本申请的一个实施例中，如图1所示，第一成像单元包括从上至下依次设置的第一盘面6、第一三棱镜7和激光器8，且第一盘面6、第一三棱镜7和激光器8位于同一轴心线
上。激光器8用于发射脉冲激光，第一三棱镜7将所述激光器8发出的光束方向转向90度后从
第一盘面6中心处射出并进入狭缝。激光器8发射的激光波长可为850nm，避免对人眼造成损
伤。激光器8发射的激光光束方向转向后避免了激光光束直接正对相机，从而减少了激光光
束对相机的感光元件造成的损伤。

[0039] 在本申请的一个实施例中，如图1所示，第二成像单元包括从上至下依次设置的第二盘面1、第二三棱镜2、镜头3、滤光片4和相机5，且第二盘面1、第二三棱镜2、镜头3、滤光片
4、相机5位于同一轴心线上。优选的，第二三棱镜2和第一三棱镜7的直角边正对，并位于同
一中轴线上，确保从激光器8发出的激光光束能通过狭缝到达相机5。第二三棱镜2将狭缝中
的光束方向转向90度后进入镜头3，并通过滤光片4滤除环境光干扰后，由相机5成像。例如，
相机5的像素尺寸可为3.45μm，最大标准帧率可为24，分辨率可为2448×2048，相机5具有较
高分辨率和帧率能使捕捉到的冻雨微粒成像不失真。

[0040] 在本申请的一个实施例中，如图2所示，第二盘面1和第一盘面6为圆盘型结构，且第二盘面1和第一盘面6内部安装加热装置，加热装置可防止在冻雨发生时第二盘面1和第
一盘面6被冻雨冻住，影响光路传输。优选的，第二盘面1和第一盘面6之间的狭缝宽度可为
18毫米，且安装时狭缝水平面与地表面垂直，确保冻雨微粒在自由落体过程中能进行狭缝，
以便被相机5捕捉。

[0041] 在本申请的一个实施例中，控制单元包括主机10，还可包括用于放置主机10的箱体9，主机10完成图像处理功能。主机10分别与第一成像单元、第二成像单元通讯连接，例如
通过有线连接进行通讯；第一成像单元和第二成像单元通过光路进行信号传输。控制单元
安装位置可以自由调整。具体的，主机10控制激光器8的启动与关闭，开始时主机10首先将
采集到的图像作为背景图像，然后主机10每隔30秒定时采集第一盘面6和第二盘面1之间的
图像作为目标图像，主机10将背景图像和目标图像相减然后调用识别冻雨微粒子程序，获
得冻雨微粒几何参数，主机10将激光器关闭等待下一个周期采集。

[0042] 在本申请的一个实施例中，激光器8为脉冲激光器。脉冲激光器的发射功率降低，可提高激光器8的使用寿命。

[0043] 在本申请的一个实施例中，镜头3为远心镜头，远心镜头的物方分辨率可为11.43微米，远心镜头可以将冻雨微粒放大，以便在相机5中清晰成像。

[0044] 在本申请的一个实施例中，滤光片4为近红外带通型滤光片，优选的，滤光片4可为850纳米的近红外带通型滤光片，滤光片4让激光器8发出的光能顺利通过，滤除可见光和环
境光的干扰。

[0045] 本申请公开的基于三棱镜折射的激光成像冻雨识别装置的工作原理为：

[0046] 当没有冻雨发生时，主机10控制激光器8发射激光，激光通过第二三棱镜2将光束方向转向90度后从第二盘面1中心处射出、再透过第二盘面1和第一盘面6之间的狭缝到达
第一三棱镜7，第一三棱镜7将光速转向90度后进入远心镜头，再通过相机5成像，该图像作
为背景图像保存。

[0047] 当有冻雨发生时，主机10控制激光器8发射激光，激光通过第二三棱镜2将光束方向转向90度后从第二盘面1中心处射出、位于第二盘面1和第一盘面6之间的狭缝中的冻雨
微粒将激光遮挡，该部分光线不能进入相机5，在图像中形成阴影面积，阴影面积的大小与
冻雨微粒的大小和形状有关。主机10将此时成像的图像作为目标图像保存。通过计算背景
图像和目标图像的差值图像，获得冻雨微粒的大小与流速参数数据。

[0048] 本实施例的装置采用脉冲激光器发射激光，经过两次90度转向后通过远心镜头成像，并通过近红外带通滤光片有效滤除环境光干扰，最终由相机5成像，精确地捕捉冻雨微
粒的大小和流速，提高了监测精度和实时性，同时降低了系统复杂度和成本，具有较高的实
用价值。

[0049] 实施例二：

[0050] 见附图1～3。在实施例一的基础上，本申请还公开了一种基于三棱镜折射的激光成像冻雨识别方法，如图3所示，包括以下步骤：

[0051] S1、主机10启动激光器8，控制激光器8发射激光；

[0052] S2、激光通过第一三棱镜7将光束方向转向90度后从第一盘面6中心处射出，从第一盘面6和第二盘面1之间的狭缝穿过；

[0053] S3、激光通过第二三棱镜2将光束方向再次转向90度后进入镜头3，通过镜头3，在相机5中清晰成像，并通过滤光片4滤除环境光干扰；

[0054] S4、通过S1‑S3采集没有冻雨时的图像，作为背景图像，通过S1‑S3采集冻雨时的图像，作为目标图像；通过主机10调用冻雨微粒图像识别程序，计算背景图像和目标图像的差
值图像，获得冻雨微粒的大小与流速参数数据；

[0055] S5、通过主机10关闭激光器8，等待下一周期的采集和计算。

[0056] 具体的，通过主机10调用冻雨微粒图像识别程序，计算背景图像和目标图像的差值图像，获得冻雨微粒的大小与流速参数数据，具体包括：

[0057] 所述主机10在没有冻雨时采集到的图像作为背景图像Ib保存；

[0058] 所述主机10在冻雨时采集到的图像作为背景图像It保存；

[0059] 所述差值图像Id的计算公式为：Id＝Ib‑It，通过差值图像Id，利用图像处理算法识别图像的阴影区域，提取冻雨微粒的轮廓F(Ib,It)，公式为：F(Ib,It)＝Morphology
(Binarize(G(∣Ib‑It∣,σ),T))，其中，G为高斯滤波函数，σ为高斯核的标准差，T为动态阈值，Binarize为二值化处理函数，Morphology为形态学处理函数；通过F(Ib,It)获取冻雨微粒的
位置，计算冻雨微粒的大小A与流速v；

[0060] 所述冻雨微粒的大小A的公式为：A＝N×d2，其中N为差值图像Id的阴影区域像素数，d为像素尺寸；

[0061] 所述冻雨微粒的流速v公式为： 其中，(x1,y1)和(x2,y2)是冻雨微粒在两帧图像中的坐标，t1和t2是两帧图像的采集时间。

[0062] 本实施例通过主机10控制激光器8的发射和相机5的成像，采集背景图像和目标图像，并通过计算两者的差值图像，利用图像处理算法识别冻雨微粒的轮廓，准确计算出冻雨
微粒的大小和流速；不仅提高了冻雨微粒识别的准确率和实时性，还通过每隔30秒定时采
集图像，确保了系统的连续监测能力，显著增强了系统的抗环境干扰能力和实用性，为冻雨
灾害的预警和应对提供了高效、可靠的解决方案。

[0063] 以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关
的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。