本发明涉及输电铁塔姿态检测，具体为基于空时频压电球的输电铁塔姿态检测方法及系统。
背景技术：
1、输电铁塔受到长期地质的变化以及风雨雪的影响，会发生倾斜、变形、震动。现有的方法采用北斗技术监测塔身倾斜。通过安装在铁塔上的接收机接收北斗卫星信号，获取铁塔的精确位置信息，并计算出铁塔的倾斜度。输电导线弧垂是指在输电线路中，由于导线自重产生的轻微弯曲，看起来像是一条悬链线。弧垂过大、对地高度缩小、不满足设计要求的安全距离，则对线下物体的安全有很大影响。现有技术依赖于北斗定位，对平面位置相对有效，对垂直高度不敏感，难以测得弧垂。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本发明提供了基于空时频压电球的输电铁塔姿态检测方法及系统，其目的在于解决背景技术中提到的问题。
2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于空时频压电球的输电铁塔姿态检测方法，包括如下步骤：
3、步骤s1：在铁塔的不同位置上布设m个空间时间频率压电球；
4、所述空间时间频率压电球由外球壳以及内球体组成，外球壳和内球体之间设置弹性夹层进行隔离，外球壳内表面安装n个压电传感芯片；外球壳上设置有处理模块；
5、步骤s2：运算获得相对于重力线的空间时间频率压电球姿态以及动态加速度力的信息，根据运算得到的信息计算由塔体倾斜引起的弧垂变化；
6、多个空间时间频率压电球之间的信息交互采用mesh网络实现；
7、当空间时间频率压电球静止状态下时，外球壳内表面压电传感芯片感知内球体对压电传感芯片产生的球心角方向的力，其中，垂直于地面的地球重力线方向上的压电传感芯片获得最大的压力，通过信息传导空间时间频率压电球上全部压电信息在处理模块上生成球面压力矩阵；
8、当空间时间频率压电球动态状态下，外球壳内表面压电传感芯片感知内球体对压电传感芯片产生的球心角方向的加速度力，外球壳移动，反方向上弹性夹层压缩后，间隙变小，由静态获得附加加速度力，通过信息传导空间时间频率压电球上全部压电信息在处理模块上生成球面附加加速度力矩阵。
9、进一步的，处理模块包括供电电源、多路器、信号放大模块、模拟数字转换模块、时域相关运算器、球体空时频综合器和铁塔空时频综合器；供电电源用于为多路器、信号放大模块、模拟数字转换模块、时域相关运算器、球体空时频综合器和铁塔空时频综合器提供电源；多路器、信号放大模块、模拟数字转换模块、多路数字信号恢复模块、时域相关运算器、球体空时频综合器和铁塔空时频综合器依次连接。
10、进一步的，步骤s2的具体过程为：
11、步骤s2.1、n个压电传感芯片由供电电源供电，n个压电传感芯片采集的并行压电信号依次输入多路器中，转换为串行压电信号输入至信号放大模块予以放大；将放大的信号通过模拟数字转换模块转换为12位数字信号，12位数字信号通过多路数字信号恢复模块恢复为多路电路输出；
12、步骤s2.2、通过时域相关运算器对时域信号即通过多路数字信号恢复模块恢复的多路电路输出进行相关运算；具体的，对第个压电传感芯片的时域信号做自相关运算，当空间时间频率压电球处于静态时，第个压电传感芯片的时域信号自相关运算结果表现为冲激响应；当空间时间频率压电球处于动态情况下产生振动时，时域信号表现为周期性；
13、在时域相关运算器中对两个压电传感芯片的时域信号相互做互相关运算，通过对不同数值长度的运算，获得第i个压电传感芯片与第j个压电传感芯片之间的互相关值；当空间时间频率压电球处于静态时，表现为冲激响应；当空间时间频率压电球处于动态情况时，选择具有最大数值的相关值代表振动的主模，得到时域运算结果；
14、步骤s2.3、通过离散傅立叶变换将时域信号即通过多路数字信号恢复模块恢复的多路电路输出转换为频域信号；取频域信号的最大值来体现空间时间频率压电球振动的基波频率，得到频域运算结果；
15、步骤s2.4、通过球体空时频综合器分别将时域运算结果、频域运算结果以及对应的空间位置对应起来，并进行静态以及动态数据分析：
16、静态数据分析：在空间时间频率压电球处于静止状态时，外球壳内表面的压电传感芯片感知内球体对压电传感芯片产生的球心角方向的力，其中，垂直于地面的地球重力线方向上的压电传感芯片获得最大的压力，通过判断地球重力线方向与空间时间频率压电球安装产生的固有方向，获得空间时间频率压电球相对于重力线的倾斜角度；
17、动态数据分析：将通过球体空时频综合器对时域信号和频域信号运算获得的时域相关的时域型结果与频域分析的频域型结果综合，获得对空间时间频率压电球振动频率的判断；其中，获得的时域信号t、频域信号f和空间位置xyz为5维信号；
18、步骤s2.5、采用铁塔空时频综合器进行数据搜集；具体的，铁塔空时频综合器内设有时域数据库和频域数据库；其中，时域数据库和频域数据库内均包括静态时域信号和动态时域信号；将静态时域信号和静态频域信号进行综合分析，同时将动态时域信号和动态频域信号进行综合分析；
19、铁塔空时频综合器接收所在空间时间频率压电球的球体空时频综合器中的时域信号t、频域信号f和空间位置xyz的 5维信号，时域数据库保留时域信号的历史信息，并用新的时域信息对时域数据库进行更新，频域数据库保留频域信号的历史信息，用新的频域数据对频域数据库进行更新；时域数据库和频域数据库的数据定位采用空域编码矩阵控制；
20、步骤s2.6：在铁塔空时频综合器中进行静态分析；具体的，铁塔倾斜时各空间时间频率压电球的倾斜角度相同，当铁塔上m个空间时间频率压电球都满足预设条件且不为0，则铁塔满足整体倾斜条件；
21、步骤s2.7、在铁塔空时频综合器中进行动态分析；具体的，当铁塔上的各空间时间频率压电球的倾斜角度随时间变化，表示铁塔产生振动，找到铁塔上产生振动最强的空间时间频率压电球，同时，除振动最强的空间时间频率压电球的其他空间时间频率压电球所在的点，体现振动的不同类型；
22、步骤s2.8、在铁塔空时频综合器中根据静态分析与动态分析的结果，结合铁塔的结构分析关键应力点的状态，当大于临界值时，铁塔处于失效状态；
23、步骤s2.9、在铁塔空时频综合器中，铁塔的倾斜角度表示为下倾角以及平面旋转角；设输电线在铁塔上的高度为h，则铁塔倾斜引起的相邻铁塔距离变化量为，由相邻铁塔距离变化量再综合考虑温度、输电线路固有长度条件，计算由塔体倾斜引起的弧垂变化；
24、所述多路器、多路数字信号恢复模块、离散傅里叶变换和时域相关运算器均采用时钟同步信号统一控制；
25、所述时钟同步信号的频率大于铁塔振动产生的最高频率的5倍以上；信号放大模块的输入范围和放大增益通过对信号波动范围以及数字信号的工作范围予以调整。
26、进一步的，经过模拟数字转换模块转换来的12位数字信号是按照规定节拍串行在一起，多路数字信号恢复模块将串行成一路的12位数字信号恢复为多路电路输出，分别分解成为1号数字信号、2号数字信号，一直到第n号数字信号；
27、获得时域信号t、频域信号f和空间位置xyz为5维信号，表示为：
28、（1）；
29、式中，表示第个空间时间频率压电球的五维空间；表示对应空间时间频率压电球由五个参数决定；
30、各点的时域信号表示为：
31、（2）；
32、式中，表示该点的空间坐标；
33、各点的频域信号表示为：
34、（3）。
35、进一步的，步骤s2.2的具体过程为：
36、对第个压电传感芯片的时域信号做自相关运算：
37、（4）；
38、式中，表示时间间隔；表示移动一定时间间隔后的时域信号；在静态时，表现为冲激响应；
39、在空间时间频率压电球处于动态情况下产生振动时，压电传感芯片采集的时域信号表现为周期性，，表示时间周期的值，此时：
40、（5）；
41、式中，表示相关运算的值；
42、在时域相关运算器中对两个压电传感芯片的时域信号相互做互相关运算：
43、（6）；
44、式中，分别是第个压电传感芯片和第个压电传感芯片的标号，通过对不同数值长度的运算，获得不同压电传感芯片安装点之间的相关性；表示时间移动后的时域信号；在静态时，相关值表现为冲激响应；
45、在动态情况下，选择具有最大数值的相关值：
46、（7）；
47、式中，表示相关的最大值；表示在中取最大值；
48、振动的周期由决定主模，振动方向为第个压电传感芯片和第个压电传感芯片对应的坐标所表示的两个点组成的空间矢量；
49、所述步骤s2.3具体过程为：通过离散傅立叶变换将时域信号转换为频域信号：
50、（8）；
51、式中，表示第n个时域信号；
52、取频域信号的最大值：
53、（9）；
54、式中，表示中最大的值；
55、将时域获得的时域相关的结果与频域分析的结果作进一步合并运算：
56、（10）；
57、式中，f是最终获得的空间时间频率压电球振动频率，a,b是可调整的系数。
58、进一步的，每个铁塔空时频综合器来接收对应空间时间频率压电球的时域信号t、频域信号f和空间位置xyz 的5维信号；铁塔的不同位置上布设m个空间时间频率压电球，通过mesh网络通信接收到m-1空间时间频率压电球的时域信号t、频域信号f和空间位置xyz的5维信号，对m个空间时间频率压电球以及m-1个空间时间频率压电球的信号进行统一编号：
59、（11）；
60、式中，表示获得的时域信号t、频域信号f和空间位置xyz的5维信号，表示压电传感芯片的编号；各空间时间频率压电球的时域信号为，各空间时间频率压电球的频域信号为。
61、进一步的，步骤s2.6的具体过程为：在铁塔空时频综合器中进行静态分析，采用静态时域信号和静态频域信号进行综合分析的结果来判断铁塔的倾斜、局部形变、总体扭曲；
62、铁塔的倾斜由地基变化引起，由此体现铁塔上安装的各个空间时间频率压电球的倾斜角度相同，设第个空间时间频率压电球初始重力线方向为：
63、（12）；
64、式中，表示初始重力线方向矢量；表示重力线方向矢量在x轴上的分量；表示重力线方向矢量在y轴上的分量；表示重力线方向矢量在z轴上的分量；
65、当第个空间时间频率压电球发生倾斜后变化为：
66、（13）；
67、式中，表示倾斜后的重力线方向矢量；表示倾斜后的重力线方向矢量在x轴上的分量；表示倾斜后的重力线方向矢量在y轴上的分量；表示倾斜后的重力线方向矢量在z轴上的分量；
68、第个空间时间频率压电球倾斜产生的方向的偏移为：
69、（14）；
70、当铁塔上安装的m个空间时间频率压电球都满足预设条件是常数且不为0，则铁塔满足整体倾斜条件。
71、进一步的，步骤s2.7的具体过程为：在铁塔空时频综合器中进行动态分析；动态情况下，随时间而变，在规定时间范围内做时域相关运算：
72、（15）；
73、式中，表示时域相关运算的值；表示随时间间隔而变的值；
74、在中选取最大值的一个相关值：
75、（16）；
76、式中，表示时域相关运算的最大值；表示在时域相关运算结果中取最大值；则体现铁塔的振动周期；
77、对作离散傅里叶变换，得到空间时间频率压电球的动态功率谱：
78、（17）；
79、式中，表示空间时间频率压电球的动态功率谱；表示离散傅里叶变换；
80、在中取幅度最大的频点：
81、（18）；
82、式中，表示空间时间频率压电球的动态功率谱中取最大值；
83、空间时间频率压电球的动态功率谱共有m个，分别为，其中，为空间时间频率压电球的第1个动态功率谱， 为空间时间频率压电球的第2个动态功率谱， 为空间时间频率压电球的第m个动态功率谱，取动态功率谱幅度最大的第p个空间时间频率压电球：
84、（19）；
85、式中，表示第p个空间时间频率压电球的动态功率谱最大，即第p个空间时间频率压电球的安装位置即是铁塔产生振动最强的点；表示取动态功率谱中最大值的空间时间频率压电球。
86、进一步的，步骤s2.8的具体过程为：将静态综合分析的倾斜、局部形变、总体扭曲以及动态综合分析得到的外力振动和固有频率进行综合，对铁塔的现存的应力状态进行分析；根据静态分析与动态分析的结果结合铁塔的结构分析关键应力点的状态；当大于临界值，铁塔处于失效状态；将静态分析的结果与通过mesh网络通信获得的相邻铁塔静态数据分析的结果做进一步分析，估计本铁塔和相邻铁塔之间线路的弧垂；
87、当铁塔上安装的m个空间时间频率压电球都满足是常数，并且不为零，则铁塔满足整体倾斜，且倾斜角度由的方向决定；当铁塔上安装的m个空间时间频率压电球的各不相同，则铁塔发生形变，铁塔整体是否倾斜取决于各个空间时间频率压电球倾斜角度的均值：
88、（20）；
89、设铁塔指向相邻铁塔的方向为x轴，垂直地面指向空中为z轴，则由此构成的球坐标中，铁塔的倾斜角度表示为下倾角以及平面旋转角；设输电线在铁塔端的高度为h，则铁塔倾斜引起的相邻铁塔距离变化量为：
90、（21）；
91、由相邻铁塔距离的变化量再综合考虑温度、输电线路的条件计算由塔体倾斜引起的弧垂变化。
92、基于空时频压电球的输电铁塔姿态检测系统，应用于空时频压电球的输电铁塔姿态检测方法，包括：布设模块，用于在铁塔不同的位置上布设m个空间时间频率压电球；运算模块，用于运算获得相对于重力线的空间时间频率压电球姿态以及动态加速度力的信息，根据运算得到的信息计算由塔体倾斜引起的弧垂变化。
93、与现有的技术相比，本发明具备以下有益效果：本发明无须安装与带电部位相关的任何装置，就可以利用铁塔各部分三维姿态以及加速度时频信号推算铁塔的整体倾斜和震动特性，通过本发明获得的相邻两个铁塔各部分三维姿态以及加速度时频信号推算铁塔的整体倾斜和震动特性，可以进一步对输电线路弧垂进行推算。
1.基于空时频压电球的输电铁塔姿态检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于空时频压电球的输电铁塔姿态检测方法，其特征在于：处理模块包括供电电源、多路器、信号放大模块、模拟数字转换模块、时域相关运算器、球体空时频综合器和铁塔空时频综合器；供电电源用于为多路器、信号放大模块、模拟数字转换模块、时域相关运算器、球体空时频综合器和铁塔空时频综合器提供电源；多路器、信号放大模块、模拟数字转换模块、多路数字信号恢复模块、时域相关运算器、球体空时频综合器和铁塔空时频综合器依次连接。
3.根据权利要求2所述的基于空时频压电球的输电铁塔姿态检测方法，其特征在于：步骤s2的具体过程为：
4.根据权利要求3所述的基于空时频压电球的输电铁塔姿态检测方法，其特征在于：经过模拟数字转换模块转换来的12位数字信号是按照规定节拍串行在一起，多路数字信号恢复模块将串行成一路的12位数字信号恢复为多路电路输出，分别分解成为1号数字信号、2号数字信号，一直到第n号数字信号；
5.根据权利要求4所述的基于空时频压电球的输电铁塔姿态检测方法，其特征在于：步骤s2.2的具体过程为：
6.根据权利要求5所述的基于空时频压电球的输电铁塔姿态检测方法，其特征在于：每个铁塔空时频综合器来接收对应空间时间频率压电球的时域信号t、频域信号f和空间位置xyz的 5维信号；铁塔的不同位置上布设m个空间时间频率压电球，通过mesh网络通信接收到m-1空间时间频率压电球的时域信号t、频域信号f和空间位置xyz的5维信号，对m个空间时间频率压电球以及m-1个空间时间频率压电球的信号进行统一编号：
7.根据权利要求6所述的基于空时频压电球的输电铁塔姿态检测方法，其特征在于：步骤s2.6的具体过程为：在铁塔空时频综合器中进行静态分析，采用静态时域信号和静态频域信号进行综合分析的结果来判断铁塔的倾斜、局部形变、总体扭曲；
8.根据权利要求7所述的基于空时频压电球的输电铁塔姿态检测方法，其特征在于：步骤s2.7的具体过程为：在铁塔空时频综合器中进行动态分析；动态情况下，随时间而变，在规定时间范围内做时域相关运算：
9.根据权利要求8所述的基于空时频压电球的输电铁塔姿态检测方法，其特征在于：步骤s2.8的具体过程为：将静态综合分析的倾斜、局部形变、总体扭曲以及动态综合分析得到的外力振动和固有频率进行综合，对铁塔的现存的应力状态进行分析；根据静态分析与动态分析的结果结合铁塔的结构分析关键应力点的状态；当大于临界值，铁塔处于失效状态；将静态分析的结果与通过mesh网络通信获得的相邻铁塔静态数据分析的结果做进一步分析，估计本铁塔和相邻铁塔之间线路的弧垂；
10.基于空时频压电球的输电铁塔姿态检测系统，应用于权利要求1-9任意一项所述的空时频压电球的输电铁塔姿态检测方法，其特征在于，包括：布设模块，用于在铁塔不同的位置上布设m个空间时间频率压电球；运算模块，用于运算获得相对于重力线的空间时间频率压电球姿态以及动态加速度力的信息，根据运算得到的信息计算由塔体倾斜引起的弧垂变化。
