鄭天茹，顧 灝，婁婷婷，張丹丹，王 然

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003；2.國網(wǎng)山東曲阜市供電公司，山東 曲阜 273100）

0 引言

隨著我國電力行業(yè)的快速發(fā)展，架空輸電線路總長度急劇增長［1-3］，無人機等自動化巡檢手段越來越多地應用于架空輸電線路巡檢工作中。輸電線路的環(huán)境與地形多種多樣，對線路走廊進行巡檢并繪制三維地圖，可以查看線路走廊環(huán)境，提高無人機巡檢效率［4-8］。

目前的測距方法主要有激光法、視覺法、超聲波法、紅外法和微波雷達法。激光法和視覺法的準確度在霧天雨天時很低［9-12］；超聲波法只適用于較短距離的測量［13-14］；紅外法受環(huán)境影響大，懸浮顆粒會造成干擾，且方向性差［15］。微波雷達受天氣、粉塵顆粒等因素影響較小，且探測距離足夠遠、精度足夠高，可同時獲得相對距離和相對方位角信息，能夠較好地完成無人機巡檢工作［16］。為了避免與無人機搭載的電子設備間的電磁干擾［17］，選用毫米波作為雷達發(fā)射頻段。參考文獻［18］中描述了一種毫米波雷達成像技術(shù)的應用，但無法進行探測物屬性的判別，且只能識別遠距離大體積物體和近距離小體積物體。參考文獻［19］中描述了一種可用于無人機的毫米波雷達，采用了大小發(fā)射角度結(jié)合的方法，天線尺寸由于存在發(fā)射角度，半徑無法減小，且缺少對探測物體屬性判別，無法完成對輸電線路走廊巡檢的工作。

為解決此類問題，設計了一種無人機搭載毫米波雷達巡檢輸電線路走廊的裝置，利用無人直升機搭載機載毫米波雷達裝置，同時配備高清的攝像機，毫米波雷達信號被處理后送入飛行控制系統(tǒng)機載控制計算機，實現(xiàn)無人機巡檢輸電線路走廊以及繪制簡單三維地圖的功能，為提高巡檢工作的效率和安全性提供保障。

1 裝置組成

無人機搭載毫米波雷達巡檢輸電線路走廊裝置的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該裝置主要包括機載毫米波雷達裝置和機載飛行控制系統(tǒng)兩部分。

1.1 機載毫米波雷達裝置

圖1 裝置結(jié)構(gòu)

機載毫米波雷達裝置包括雙天線、毫米波的發(fā)射／接收單元、A／D 轉(zhuǎn)化器、雜波處理單元、信號積累器、FFT 單元、信號處理模塊。其中，雙天線為同型號，且口徑不超過15 cm；毫米波發(fā)射／接收單元配備毫米波雷達發(fā)生器和毫米波雷達接收器，與雙天線的連接為全雙工通信模式；雜波處理單元為單片機，根據(jù)金屬和非金屬的反射率在毫米波波段下存在很大差別的特點，設置一定的限值，用于區(qū)分輸電線路、桿塔與其他物體；信號積累器用于積累所采集的信號，積累到一定數(shù)值后，輸入FFT 單元；FFT 模塊為DSP 芯片，采用快速傅氏變換算法（FFT），有效提高運算速度；A／D轉(zhuǎn)化器將毫米波發(fā)射／接收單元通過雙天線獲得的信號進行轉(zhuǎn)化，而后通過雜波處理、信號積累和FFT 算法進行處理，進而輸入信號處理模塊；信號處理模塊為DSP 處理器，接收飛行控制系統(tǒng)機載控制計算機中的氣壓高度數(shù)據(jù)和GPS 數(shù)據(jù)，并結(jié)合由FFT 算法計算得出的相對距離、相對角度，生成輸電線路走廊的三維地圖，信號處理單元連接機載飛行控制系統(tǒng)。

機載毫米波雷達裝置安裝在無人機機體的正下方或前側(cè)下方，其中雙天線為對稱安裝，如圖2 所示，保持探測角度以垂直方向為軸對稱，其中∠1 和∠2 分別為兩天線的探測角度。

1.2 機載飛行控制系統(tǒng)

機載飛行控制系統(tǒng)包括飛控系統(tǒng)機載控制計算機，它分別與陀螺儀、加速度計、數(shù)字羅盤、GPS 模塊、氣壓高度計、PCM 遙控接收機、轉(zhuǎn)速測量計、舵機控制器連接。此外，機載飛行控制系統(tǒng)還與無人直升機搭載的高清攝像機檢測設備［5］相連，高清攝像機檢測設備主要輔助完成無人直升機安全飛行及巡檢中的安全隱患確認工作。

圖2 天線安裝位置

2 巡檢流程

利用該裝置進行對輸電線路巡檢的工作流程如圖3 所示。

圖3 輸電線路巡檢的工作流程

規(guī)劃無人機行駛路線。對輸電線路走廊進行巡檢時，無人機應在輸電線路側(cè)上方沿輸電線路走向飛行，飛行高度及安全距離應根據(jù)無人機機型及輸電線路實際環(huán)境選擇。

無人機搭載機載毫米波雷達完成巡檢工作。毫米波探測信號由毫米波雷達發(fā)生器通過天線發(fā)出；毫米波信號被輸電線路、桿塔及探測范圍內(nèi)其他物體反射，再由天線采集，輸入毫米波雷達接收器，通過A／D 轉(zhuǎn)化器進行轉(zhuǎn)換，得到包含相對方位和相對距離的信號；信號經(jīng)過雜波處理單元，處理雜波并判斷出信號對應的物體為金屬／非金屬；信號積累器將輸入的數(shù)據(jù)逐步累計達到某一限值（可規(guī)定為1 024 個）時，整合為1 個組，將該組數(shù)據(jù)整體輸入FFT 單元進行FFT 算法處理；飛行控制系統(tǒng)機載控制計算機采集GPS 數(shù)據(jù)和氣壓高度數(shù)據(jù)，輸入信號處理模塊，同時由于無人直升機巡檢速度相較各模塊對數(shù)據(jù)和信號的處理時間極慢，可忽略由于計算延誤造成的誤差，將這些數(shù)據(jù)與FFT 單元處理后的數(shù)據(jù)相匹配，得到信號點相應的高度與GPS 值，并將基本屬性為金屬的兩線狀物體的重合點判定為電力交跨線，并計算出間距，得到僅有基本輪廓的簡單輸電線路走廊三維地圖。

地面圖形工作站處理數(shù)據(jù)。得到簡單的三維地圖后，如需更直觀清晰地得到輸電線路走廊具體情況，則在無人機巡檢任務完成后，可在地面圖形工作站中，利用高清圖像與三維地圖進行匹配和拼接，最終得到包含物體屬性、色彩、形狀、高度、GPS 值等信息的三維地圖。

3 創(chuàng)新及效果分析

設計的無人機搭載毫米波雷達巡檢輸電線路走廊的裝置選擇毫米波段雷達進行探測，能夠克服其他測距方法受環(huán)境影響大、探測距離短或方向性差的問題。

該裝置利用直徑不超過15 cm 的2 個較小型天線的組合替代了直徑超過25 cm 較大型的天線，既保證了探測角度，又滿足了搭載于無人機機體對尺寸和位置的安裝要求；利用處理雜波及設置門限值的方法區(qū)分探測物的屬性，能夠判別輸電導線、塔與非金屬物體，并計算輸電線路交跨線之間的距離，結(jié)合GPS 和高度數(shù)據(jù)可以得到三維地圖。

4 結(jié)語

設計了無人機搭載毫米波雷達巡檢輸電線路走廊的裝置，通過使用該系統(tǒng)完成探測輸電線路走廊環(huán)境、計算桿塔、導線的高度及輸電線路交跨線的間距等工作，并繪制了輸電線路走廊的簡單三維地圖，對提高輸電線路巡檢效率和確保巡檢安全具有一定現(xiàn)實意義。