王赫男

茂名供電局，廣東 茂名 525000

輸電線路長(zhǎng)期處在復(fù)雜地形，專業(yè)人員日常巡視周期長(zhǎng)，線路安全監(jiān)控難度大，運(yùn)維環(huán)境復(fù)雜多變，影響輸電系統(tǒng)安全運(yùn)行的外界因素不斷增加，特別輸電線路覆冰會(huì)嚴(yán)重危害著輸電線路地安全穩(wěn)定運(yùn)行，故對(duì)輸電線路的覆冰狀況進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)是十分必要的[1?2]。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于輸電線路覆冰厚度的監(jiān)測(cè)方法包括人工巡線、圖像識(shí)別法[3?6]、弧垂測(cè)量法[7?8]、預(yù)埋傳感器法[9?11]等監(jiān)測(cè)方法。人工巡線無(wú)法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)特殊區(qū)域測(cè)量，如在高大樹(shù)木圍繞、海拔高的地形或者水庫(kù)等復(fù)雜地形實(shí)施起來(lái)非常困難，會(huì)耗費(fèi)極大的人力物力。圖像識(shí)別法需要首先建立輸電線路覆冰狀況的大數(shù)據(jù)模型，大霧天氣下對(duì)圖像采集的數(shù)據(jù)偏差很大[3?6]?；〈箿y(cè)量法對(duì)于檔距較小的輸電線路的測(cè)量精度較低[7?8]。預(yù)埋傳感器法包括光纖傳感器、力傳感器和傾角傳感器預(yù)埋在輸電線路上，能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確靈敏地監(jiān)測(cè)線路地覆冰情況，但是該方法的成本較高，不適用于輸電線路巡線作業(yè)[9?11]。文獻(xiàn)[12]提出開(kāi)發(fā)了一套基于光學(xué)成像原理和測(cè)距原理的便攜式測(cè)量導(dǎo)線上冰厚的裝置，但該方法只適用于中近距離，且只能對(duì)一定厚度的覆冰有效地測(cè)量。因此，研制一種便捷、快速、高精度且適用復(fù)雜地形和天氣的輸電線路覆冰厚度測(cè)量方法是十分重要的。

無(wú)人機(jī)技術(shù)已逐步應(yīng)用到輸電線路運(yùn)行狀態(tài)的巡檢中，包括應(yīng)用激光測(cè)距技術(shù)監(jiān)測(cè)輸電線路走廊樹(shù)障高度，搭載紅外測(cè)溫儀監(jiān)測(cè)輸電線路設(shè)備的溫度狀況，以及搭載紫外成像儀監(jiān)測(cè)絕緣子放電狀況[13?15]。

本文針對(duì)上述局限，并根據(jù)輸電線路的覆冰情況，提出了將激光測(cè)距技術(shù)和無(wú)人機(jī)技術(shù)相結(jié)合，研究了基于單頻測(cè)尺的相位式激光測(cè)距無(wú)人機(jī)的輸電線路覆冰厚度的測(cè)量方法。重點(diǎn)研究了基于激光測(cè)距測(cè)量覆冰厚度的基本原理；并研制了基于單頻測(cè)尺的相位式激光測(cè)距無(wú)人機(jī)測(cè)量輸電線路覆冰厚度的測(cè)量系統(tǒng)。最后，在人工氣候室和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際進(jìn)行了輸電導(dǎo)線覆冰測(cè)量，驗(yàn)證了基于單頻測(cè)尺的相位式激光測(cè)距無(wú)人機(jī)對(duì)輸電線路覆冰厚度的實(shí)際測(cè)量有效性。

1 基于單頻測(cè)尺的相位式激光測(cè)距的基本原理

1.1 相位式激光測(cè)距

激光相位測(cè)距中，對(duì)連續(xù)的激光信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)制，調(diào)制信號(hào)隨時(shí)間做周期性變化，測(cè)定調(diào)制信號(hào)返過(guò)程中所經(jīng)過(guò)的相位變化即可求出時(shí)間和距離，基本原理如圖 1 所示[16?17]。

圖1 相位式激光測(cè)距原理示意

根據(jù)基本原理圖可知激光信號(hào)在傳感器和目標(biāo)的往返時(shí)間t為

式中：x為激光發(fā)射處與目標(biāo)的距離；c為激光傳播速度。

根據(jù)測(cè)尺頻率f與相位差?的關(guān)系可得：

式中：N為完整周期的波數(shù)，又稱整尺數(shù)；Δ?為不足周期波的余相位；Ls=c/2f為測(cè)尺；ΔN=Δ?/2π為余尺。

1.2 多尺測(cè)量方法

通過(guò)測(cè)量正弦信號(hào)相移只能獲取余尺數(shù)值，而整尺數(shù)需要合適的測(cè)尺頻率來(lái)確定。當(dāng)選取測(cè)尺頻率較低時(shí)，測(cè)尺長(zhǎng)度稍大于被測(cè)距離，可得唯一解。由于測(cè)相系統(tǒng)自身存在誤差，會(huì)導(dǎo)致測(cè)距存在誤差，且測(cè)尺長(zhǎng)度越大，測(cè)尺頻率越低，則測(cè)距誤差越大。因此，為了解決被測(cè)目標(biāo)距離較大和高精度需求的矛盾，應(yīng)用多尺測(cè)量方法對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，獲取每個(gè)測(cè)尺的單值解，從而兼顧短尺精度和長(zhǎng)尺量程的優(yōu)點(diǎn)[18?20]。

設(shè)定測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)尺量程為10~1 500 m，根據(jù)式（1），可得精尺頻率和粗尺頻率分別為15 MHz和 100 kHz。

1.3 混頻降頻法

多尺測(cè)量法中的精尺頻率高達(dá)15 MHz，對(duì)該信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣模塊要求較高。為了在保證相位不變的同時(shí)，降低信號(hào)的頻率，應(yīng)用混頻降頻法將信號(hào)頻率由一個(gè)量值變換為另一個(gè)量值。

假設(shè)在該相位式測(cè)距系統(tǒng)中，設(shè)由DDS發(fā)出的本振信號(hào)U0和調(diào)制信號(hào)U1及APD接收到的回波信號(hào)U2分別為：

式中：ω=2πf，f為精尺頻率，f =15 MHz；ω0=2πf0，f0為本征頻率，f0=14.985 MHz；

將調(diào)制信號(hào)U1和本振信號(hào)U0混頻

通過(guò)低通濾波器可保留低頻15 kHz的正弦信號(hào)，得到：

同理，可得回波信號(hào)U2與本振信號(hào)U0混頻后的信號(hào)：

因此，所得到的混頻降頻后的信號(hào)Us和Ul的相位差為

故混頻降頻后的信號(hào)相位差不變，且頻率降低為15 kHz，同理也可以將粗尺頻率降低到15 kHz。

1.4 基于單頻測(cè)尺的相位式激光測(cè)距法

基于單頻測(cè)尺（single frequency ruler，SFR）的相位式激光測(cè)距法的基本原理如下：

首先，通過(guò)混頻降頻法將精尺頻率和粗尺頻率信號(hào)降頻，在保證相位不變的同時(shí)，降低信號(hào)的頻率，應(yīng)用單頻測(cè)尺，以供模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣。

然后，通過(guò)多尺測(cè)量法發(fā)送精尺頻率信號(hào)和粗尺頻率信號(hào)獲取整尺數(shù)，兼顧短尺精度和長(zhǎng)尺量程的優(yōu)點(diǎn)。

最后，通過(guò)測(cè)量相位移獲取余尺數(shù)值，進(jìn)而獲取激光發(fā)射處與目標(biāo)的距離。

2 基于激光測(cè)距測(cè)量覆冰厚度的基本原理

基于單頻測(cè)尺的相位式激光測(cè)距無(wú)人機(jī)測(cè)量輸電線路覆冰厚度的基本原理圖如圖2所示?；诩す鉁y(cè)距的輸電線路覆冰厚度檢測(cè)裝置流程圖如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)測(cè)量基本原理

圖3 系統(tǒng)測(cè)量流程

首先，無(wú)人機(jī)云臺(tái)控制搭載的相位式激光測(cè)距模塊在A點(diǎn)處發(fā)射一束激光（波長(zhǎng)為λ、功率為Pi、發(fā)散角為 θ0）,經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)后發(fā)散角變?yōu)?θ，以入射角θi照射到距離為L(zhǎng)i的覆冰導(dǎo)線上的B點(diǎn)。然后，以反射系數(shù)dρ在覆冰一側(cè)冰面上反射到反射向接收裝置，接收距離為位Lr，接收裝置接收到的反射功率為Pr。當(dāng)反射功率等于激光模塊的最小工作功率，即Pr=Pmin時(shí)，該測(cè)量系統(tǒng)此時(shí)處于測(cè)量臨界條件。此時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)恰好能接收到從一側(cè)冰面上的反射激光，記錄初始角度和測(cè)量距離；最后，云臺(tái)控制激光射到另一側(cè)冰面，達(dá)到臨界條件，記錄終止角度和測(cè)量距離。其中，云臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度 βc=β+θ，測(cè)距模塊測(cè)距距離 L≈Ri。

由正弦定理可得覆冰導(dǎo)線的半徑R為

當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)處于臨界條件時(shí)，接收裝置接收到的反射功率Pr為

式中：Ar為激光照射到的有效面積；AL為激光在傳輸距離L后的截面面積；RL為激光傳輸距離L后的截面半徑；Tr為接收透鏡的透過(guò)率；T為激光傳輸距離L后的透射率；Ti為準(zhǔn)直系統(tǒng)的透射率；為反射系數(shù)；Ac為接收透鏡面積。

在測(cè)量系統(tǒng)對(duì)覆冰導(dǎo)線的覆冰厚度實(shí)際測(cè)量時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)的主要參數(shù) Pi、θ、Ti、Tr、Ac、Pmin為已知定值，參數(shù)T、L、β可通過(guò)測(cè)量獲取，測(cè)量系統(tǒng)的臨界條件還與激光照射有效面積Ar有關(guān)。

在測(cè)量距離和激光透射率一定時(shí)，激光光束從覆冰導(dǎo)線截面外到逐漸照射上覆冰導(dǎo)線的過(guò)程中，隨著照射面積Ar的增加，接收功率Pr增加。當(dāng)照射面積增加至使檢測(cè)裝置處于臨界點(diǎn)時(shí)，此時(shí)的照射面積可根據(jù)照射截距Δd進(jìn)行計(jì)算。如圖2所示，當(dāng)激光照射到B點(diǎn)時(shí)剛好處于臨界條件，照射截距Δd的表達(dá)式為

通過(guò)不斷迭代式（2）~（7），直至反射功率剛大于激光模塊的最小工作功率，記錄此時(shí)的入射角度θi，最后由式（2）即可計(jì)算得到覆冰導(dǎo)線覆冰的厚度。

3 測(cè)量系統(tǒng)的選型與設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

基于單頻測(cè)尺的相位式激光測(cè)距無(wú)人機(jī)測(cè)量輸電線路覆冰厚度的系統(tǒng)硬件主要由大疆M210型無(wú)人機(jī)、機(jī)載云臺(tái)、相位式激光測(cè)距傳感器、無(wú)焦準(zhǔn)直系統(tǒng)、光電探測(cè)器、圖像采集系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)以及地面監(jiān)控站等部分組成，如圖4所示。

圖4 無(wú)人機(jī)測(cè)距系統(tǒng)硬件部分

該輸電線路無(wú)人機(jī)激光測(cè)距系統(tǒng)軟件基于大疆DJI GO4進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，包括無(wú)人機(jī)狀態(tài)顯示欄、無(wú)人機(jī)主界面圖傳顯示、無(wú)人機(jī)拍攝基本參數(shù)設(shè)置和無(wú)人機(jī)測(cè)距模式設(shè)置及顯示等4個(gè)模塊。該系統(tǒng)支持在Android 4.0及以上和Android Studio 3.1.2上運(yùn)行，軟件主界面如圖5所示。

圖5 軟件主界面

3.2 部件選型和主要參數(shù)

無(wú)人機(jī)作業(yè)半徑可達(dá)7 km，飛行高度可達(dá)3 000 m，飛行速度可達(dá) 60 km/h，垂直懸停精度為±0.1 m，水平懸停精度為±0.3 m，工作溫度為?20~45 ℃。

機(jī)載云臺(tái)下置雙云臺(tái)搭載激光測(cè)距傳感器和相機(jī)，最大俯仰角可達(dá) 50°，步進(jìn)精度為 0.017 5 rad，小于半徑測(cè)量精度。

相位式激光測(cè)距傳感器測(cè)程最大可達(dá)1 500 m，結(jié)合SFR技術(shù)測(cè)量精度可達(dá)±2 mm，激光波長(zhǎng)635 nm，功率小于 1 MW，最小工作功率為 1.8×10?14，測(cè)量時(shí)間 0.3~0.8 s。

無(wú)焦準(zhǔn)直系統(tǒng)使得在最大測(cè)量距離內(nèi)發(fā)散角最小，最小可達(dá)至 0.1 mrad，透射率為 0.91。

光電探測(cè)器選用德國(guó)FS?T05，材質(zhì)為BAK4玻璃，635 nm波段激光的透過(guò)率為0.94，接收裝置面積為 3.14×10?4m2。

圖像采集系統(tǒng)采用高清攝像1080 P，焦距為18~140 mm，自動(dòng)對(duì)焦。

通訊系統(tǒng)包括數(shù)傳電臺(tái)和圖傳電臺(tái)，數(shù)傳誤碼率小于等于 10?6，時(shí)延小于等于 25 ms，可傳輸 1 080 p主相機(jī)高清畫面，圖傳時(shí)延小于等于300 ms。

地面監(jiān)控站為大疆M210型電動(dòng)無(wú)人機(jī)遙控接收機(jī)，自帶高清顯示屏，可獲取各項(xiàng)實(shí)時(shí)信息。

此外，無(wú)人機(jī)機(jī)身外殼涂有電磁屏蔽材料，提高了電磁抗干擾能力，提高數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證與誤差分析

4.1 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

為了驗(yàn)證基于單頻測(cè)尺的相位式激光測(cè)距無(wú)人機(jī)對(duì)輸電線路覆冰厚度的實(shí)際測(cè)量有效性，在人工氣候室內(nèi)進(jìn)行人工模擬輸電導(dǎo)線覆冰測(cè)量，選用導(dǎo)線型號(hào)為L(zhǎng)GJ210/10鋼芯鋁絞線的測(cè)量示意圖和覆冰情況分別如圖6和7所示。

圖6 測(cè)量示意

圖7 覆冰類型

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1）人工氣候室使導(dǎo)線產(chǎn)生常見(jiàn)的雨凇、混合凇和霧凇3種覆冰層，并用游標(biāo)卡尺測(cè)量覆冰厚度。

2）人工氣候室生成穩(wěn)定C級(jí)霧濃度，使得激光模塊的激光透射率為 0.69 m?1。

3）地面控制站控制基于單頻測(cè)尺的相位式激光測(cè)距無(wú)人機(jī)，使得測(cè)量距離為3 m和6 m左右。

4）在2種測(cè)量距離下，對(duì)3種不同覆冰層的6處不同位置的厚度進(jìn)行測(cè)量，每處位置進(jìn)行10次測(cè)量，取平均值，記錄各項(xiàng)參數(shù)數(shù)值，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

從表1可以看出：首先，基于單頻測(cè)尺的相位式激光測(cè)距無(wú)人機(jī)在氣候室實(shí)際測(cè)量輸電線路覆冰厚度相對(duì)游標(biāo)卡尺實(shí)際測(cè)量的覆冰厚度的誤差小于7%。其次，該測(cè)量系統(tǒng)隨著測(cè)量距離的增大，測(cè)量相對(duì)誤差會(huì)增大。同時(shí)，在對(duì)3種覆冰類型的覆冰厚度測(cè)量中，測(cè)量相對(duì)誤差是不一樣的。測(cè)量雨凇冰層時(shí)，測(cè)量相對(duì)誤差較大；測(cè)量霧凇冰層時(shí)，測(cè)量相對(duì)誤差較小。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

應(yīng)用基于單頻測(cè)尺的相位式激光測(cè)距無(wú)人機(jī)對(duì)高寒區(qū)茂清一回線的多處桿塔之間的輸電線路進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量圖如圖8所示。該輸電線路地導(dǎo)線型號(hào)為L(zhǎng)GJ210/10鋼芯鋁絞線，外徑為19 mm。對(duì)該線路的4組桿塔之間3相中段處進(jìn)行了覆冰厚度測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表2所示。

圖8 24#?25#桿塔處覆冰厚度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

表2 高寒區(qū)茂清一回線覆冰厚度測(cè)量結(jié)果

續(xù)表

從表2可以看出，同一組桿塔之間的輸電線路3相中段的覆冰厚度基本一致。對(duì)比表1和表2可以看出，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量時(shí)相較于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的誤差要偏大，相對(duì)誤差小于14%，但仍滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求。

4.3 誤差分析

1）測(cè)量距離

根據(jù)式（2）可知，厚度誤差ΔR'與云臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度β和測(cè)量距離L相關(guān)。由于測(cè)量距離遠(yuǎn)大于被測(cè)覆冰導(dǎo)線的半徑，因此可以忽略旋轉(zhuǎn)角度β的影響。對(duì)式（2）兩邊同時(shí)做微分可得，厚度誤差ΔR'與測(cè)量距離變化ΔL相關(guān)，故隨著測(cè)量距離的增大，測(cè)量相對(duì)誤差會(huì)增大。

2）無(wú)人機(jī)懸停精度

實(shí)際測(cè)量時(shí)，無(wú)人機(jī)并不能同固定式測(cè)距儀一樣固定在空間的一個(gè)位置，測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用大疆M210型無(wú)人機(jī)下視啟用時(shí)，垂直懸停精度為±0.1 m，水平懸停精度為±0.3 m，這對(duì)測(cè)量系統(tǒng)達(dá)到臨界條件時(shí)獲取的入射角度θi有一定的影響，進(jìn)而產(chǎn)生測(cè)量相對(duì)誤差。

3）覆冰類型

雨凇、混合凇、霧凇3種覆冰類型的冰層的表面粗糙度是不一樣的，因此激光在不同覆冰類型的冰層表面的反射特性是不一樣的，這對(duì)測(cè)量系統(tǒng)達(dá)到臨界條件的影響是不同的，從而導(dǎo)致測(cè)量系統(tǒng)對(duì)不同覆冰類型的測(cè)量相對(duì)誤差也是不一樣的。

5 結(jié)論

1）研究了基于單頻測(cè)尺的相位式激光測(cè)距法。將多尺測(cè)量法和混頻降頻法應(yīng)用到相位式激光測(cè)距法，在保證相位不變的同時(shí)，降低信號(hào)的頻率，兼顧短尺精度和長(zhǎng)尺量程的優(yōu)點(diǎn)，測(cè)量相位獲取激光發(fā)射處與目標(biāo)的距離，提高了激光測(cè)距的精度和測(cè)量速度。

2）研究了基于激光測(cè)距測(cè)量覆冰厚度的基本原理，推導(dǎo)了激光測(cè)量距離與覆冰厚度之間的計(jì)算方法。

3）研制了基于單頻測(cè)尺的相位式激光測(cè)距無(wú)人機(jī)測(cè)量輸電線路覆冰厚度的測(cè)量系統(tǒng)。在人工氣候室內(nèi)，應(yīng)用基于單頻測(cè)尺的相位式激光測(cè)距無(wú)人機(jī)，對(duì)人工模擬覆冰輸電導(dǎo)線的覆冰厚度進(jìn)行了測(cè)量。研究結(jié)果表明，該測(cè)量系統(tǒng)能夠有效地對(duì)輸電線路覆冰厚度進(jìn)行測(cè)量性，相對(duì)誤差小于7%。

4）對(duì)高寒區(qū)茂清一回線的多處桿塔之間的輸電線路進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量時(shí)相較于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的誤差要偏大，相對(duì)誤差小于14%，滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量要求。相對(duì)誤差主要與測(cè)量距離、無(wú)人機(jī)懸停精度、覆冰類型有關(guān)。