基于X波段雷達(dá)測(cè)距的吊車防撞高壓線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

王國(guó)輝

（廣州供電局有限公司輸電管理所，廣東廣州，510310）

0 引言

近年來(lái)由于起重機(jī)在施工作業(yè)中超越高壓線警戒區(qū)而引發(fā)的觸電事故頻發(fā)。因此，為防止高空施工機(jī)械引起跳閘事故，研究出一套先進(jìn)可靠的技術(shù)來(lái)避免此類事故的發(fā)生迫在眉睫。目前已有的起重機(jī)防碰撞裝置大多基于近電感應(yīng)技術(shù)和超聲波檢測(cè)技術(shù)。文獻(xiàn)1和文獻(xiàn)2提出了基于近電感應(yīng)技術(shù)的高壓線檢測(cè)系統(tǒng)，雖然該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)全方位檢測(cè)，但檢測(cè)范圍小，檢測(cè)不穩(wěn)定，無(wú)法滿足大型高空施工設(shè)備的安全施工要求；文獻(xiàn)3涉及了基于超聲波測(cè)距的線纜檢測(cè)，由于目標(biāo)物細(xì)小，聲波回波信號(hào)極弱。即便采用文獻(xiàn)4合文獻(xiàn)5中提出的改進(jìn)方案——多方位多個(gè)超聲波探測(cè)器，也不能實(shí)現(xiàn)線纜的精準(zhǔn)識(shí)別。由此可見，基于超聲波檢測(cè)技術(shù)的防撞裝置無(wú)法對(duì)較小目標(biāo)做出預(yù)警。特別是高壓線這樣細(xì)小的危險(xiǎn)目標(biāo)，幾乎不能提供有效信號(hào)輸出。

本文研究一種基于X波段雷達(dá)測(cè)距的高壓現(xiàn)場(chǎng)施工安全距離報(bào)警技術(shù)。它裝在施工機(jī)械的頂部以及與線路等高的位置上，在施工設(shè)備靠近帶電的導(dǎo)線時(shí)，達(dá)到有可能威脅安全時(shí)給予預(yù)警提示，如圖1。這種設(shè)備報(bào)警可靠、安裝簡(jiǎn)單、拆卸容易，不需要附加其他附屬設(shè)施，不影響施工操作，采用無(wú)線通訊方式傳遞信息，向現(xiàn)場(chǎng)操作人員、監(jiān)護(hù)人員等持續(xù)地傳送實(shí)時(shí)距離信息，并具有良好的聲光和語(yǔ)音警示功能，使在最大程度上避免事故發(fā)生。

圖1 起重機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)安裝圖

1 系統(tǒng)功能和指標(biāo)要求

一套具備豐富功能，且可以在實(shí)際中應(yīng)用的吊車防撞高壓線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須有較高的性能要求。本文針對(duì)實(shí)際應(yīng)用，設(shè)計(jì)并擬定了防撞系統(tǒng)的功能和所需的參數(shù)。

1.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能

1）當(dāng)施工設(shè)備在有高壓線的區(qū)域作業(yè)時(shí)，操作員首先給操作室內(nèi)的無(wú)線接收系統(tǒng)和視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上電，然后通過操作室內(nèi)的遙控開關(guān)給安裝在吊臂前端的雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和無(wú)線數(shù)傳發(fā)送系統(tǒng)上電。各系統(tǒng)上電正常工作后，操作室內(nèi)相應(yīng)的綠色指示燈亮。

2）操作員選擇告警距離值檔位，共有4、6、8米三檔可供選擇，分別對(duì)應(yīng)110、220、500千伏的高壓線。

3）雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正常工作后，安裝在吊臂前端的前方、左方、右方、上方4個(gè)面上的4組天線發(fā)射雷達(dá)信號(hào)，該雷達(dá)波遇到高壓線后被高壓線反射，當(dāng)與之配對(duì)的接收天線接收到回波信號(hào)后，送進(jìn)雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)處理模塊進(jìn)行處理并得到高壓線的距離信息。

4）當(dāng)檢測(cè)到的高壓線距離大于10米時(shí)，雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)向無(wú)線數(shù)傳系統(tǒng)送出“安全”信息，起重機(jī)上的無(wú)線發(fā)送系統(tǒng)向操作室的無(wú)線接收系統(tǒng)發(fā)送“安全”信息，并在操作室的顯示屏上輸出“安全區(qū)”字樣。

5）當(dāng)檢測(cè)到的距離小于10米時(shí)，雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)向無(wú)線發(fā)送系統(tǒng)送出距離信息，無(wú)線發(fā)送系統(tǒng)再向接收系統(tǒng)發(fā)送該距離信息，并在操作室的顯示屏上輸出相應(yīng)的距離值。

6）當(dāng)雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到的距離值達(dá)到所選告警距離值時(shí)，起重機(jī)臂上的無(wú)線發(fā)送系統(tǒng)向操作室的無(wú)線接收系統(tǒng)發(fā)送報(bào)警信息，啟動(dòng)操作間的聲光報(bào)警系統(tǒng)（紅色LED燈閃爍及蜂鳴器報(bào)警聲）和視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（左、右兩個(gè)高清攝像頭），并將報(bào)警信息進(jìn)行存儲(chǔ)備查；同時(shí)系統(tǒng)向附近的安全監(jiān)督員發(fā)送報(bào)警信息。

7）當(dāng)起重機(jī)臂進(jìn)入安全區(qū)后警報(bào)自動(dòng)解除。

1.2 指標(biāo)要求

1）測(cè)距范圍：1～10米，精度±1.5%（最大量程）；

2）測(cè)試目標(biāo)：高壓線，直徑30mm；

3）測(cè)試方位角：10度；

4）告警：距離小于告警值（4、6、8米）時(shí)，用無(wú)線通信方式通知操作室，并以聲光方式發(fā)出告警信號(hào)，啟動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，通知安全監(jiān)督員；

5）供電方式：鋰電池；

6）連續(xù)工作時(shí)間：不小于8小時(shí)。

2 理論計(jì)算確定系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)

由于測(cè)距范圍要求為1m～10m，精度要求為0.15m。根據(jù)線性調(diào)頻測(cè)距原理：

當(dāng)設(shè)定線性調(diào)頻斜率K為 ，信號(hào)帶寬為200MHz時(shí)，線性調(diào)頻的重復(fù)頻率就為50KHz，要保證測(cè)距距離，中頻應(yīng)該設(shè)為70KHz～700KHz，頻率精度為10KHz，這樣就很好的保證了測(cè)量距離及測(cè)量精度。同時(shí)，由于中頻最大為700KHz，采樣速率就需要設(shè)置為2MHz。

因?yàn)楦?壓線的直徑為30mm，可以近似將其等效為雷達(dá)截面為0.01m的目標(biāo)。我們?cè)谄鹬剀嚨醣鄣那岸说纳希埃?，?個(gè)面分別安裝1個(gè)發(fā)射天線和1個(gè)接收天線，天線的方位角為60度，大于指標(biāo)要求的10度，這樣就能全方位無(wú)死角覆蓋需要探測(cè)的區(qū)域，根據(jù)天線的增益經(jīng)驗(yàn)公式：

可得Pr=-86.5dBm。根據(jù)噪聲功率Ni=kBTA，近似可得接收機(jī)的輸入噪聲功率Ni=-115dBm。即輸入信噪比28dB。再通過分析雷達(dá)系統(tǒng)的接收機(jī)鏈路，根據(jù)級(jí)聯(lián)的噪聲系數(shù)公式

經(jīng)過以上系統(tǒng)指標(biāo)的分析，系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)設(shè)置如下：

天線增益：8dB

發(fā)射功率：25dBm

接收機(jī)噪聲系數(shù): <3dB

中頻：70KHz～700KHz

頻率步進(jìn)：10KHz

線性調(diào)頻斜率：

發(fā)射機(jī)信號(hào)帶寬：200MHz

重復(fù)頻率：50kHz

采樣速率：2MHz

3 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與論證

3.1 雷達(dá)和信號(hào)處理系統(tǒng)

雷達(dá)系統(tǒng)采用線性調(diào)頻連續(xù)波測(cè)距的方式進(jìn)行距離測(cè)量，并用脈沖編碼調(diào)制的方式給出距離信號(hào)，當(dāng)距離小于定值時(shí)，發(fā)射預(yù)置的指令，啟動(dòng)相應(yīng)的控制程序。系統(tǒng)框圖如下圖所示：

圖2 X波段雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)框圖

雷達(dá)系統(tǒng)的核心在于線性調(diào)頻源的設(shè)計(jì)。線性調(diào)頻源采用100MHz的晶振經(jīng)過9倍頻后的信號(hào)驅(qū)動(dòng)DDS輸出一個(gè)33.3MHz～100MHz的線性調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)作為鑒相器的參考頻率。同時(shí)該900MHz的信號(hào)，經(jīng)過放大后，與輸出信號(hào)進(jìn)行取樣混頻，通過低通濾波器，得到的中頻信號(hào)經(jīng)過3分頻后與DDS提供的參考信號(hào)進(jìn)行鑒相，當(dāng)它們相等時(shí)，輸出頻率鎖定在9.1GHz～9.3GHz。輸出信號(hào)經(jīng)過功放放大后由天線輻射，電磁波在空間遇到障礙物后返回，回波經(jīng)接收天線、低噪聲放大器、帶通濾波器等后，和t1時(shí)刻發(fā)射信號(hào)的副本進(jìn)行混頻，得出差頻，再通過低通濾波器抑制本振和射頻的泄漏信號(hào)，然后通過一個(gè)帶通濾波器濾除中頻之外的干擾信號(hào)。中頻信號(hào)經(jīng)過AGC的放大，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后由信號(hào)處理模塊進(jìn)行信號(hào)處理，獲得距離。當(dāng)距離小于預(yù)設(shè)值時(shí)，信號(hào)處理模塊將獲得的距離信息以二進(jìn)制數(shù)形式通過SPI接口發(fā)送給無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊，無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)射模塊將這組二進(jìn)制數(shù)發(fā)送給無(wú)線數(shù)據(jù)接收模塊，并每隔1秒更新1次距離信息。

3.2 輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.2.1 無(wú)線通信和聲光告警系統(tǒng)

通信數(shù)據(jù)采用二進(jìn)制碼格式：共8個(gè)字節(jié)，第一個(gè)字節(jié)表示指令，后面7個(gè)字節(jié)表示數(shù)據(jù)。

當(dāng)無(wú)線接收模塊接收到發(fā)射模塊發(fā)送來(lái)的二進(jìn)制碼，通過單片機(jī)的處理，獲取指令和距離數(shù)據(jù)，并且將二進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制，進(jìn)行距離安全判定，并每隔1秒更新1次距離信息。同時(shí)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。當(dāng)判定為危險(xiǎn)距離時(shí)，GPRS模塊發(fā)送一條提示短信到安全監(jiān)督員手機(jī)上，提示安全員就位，如下圖所示。

圖4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)框圖

3.2.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控?cái)z象機(jī)安裝于吊臂底部?jī)蓚?cè)，視場(chǎng)角覆蓋以吊臂為中心參照物左右各10米（可自動(dòng)調(diào)焦）的區(qū)域。當(dāng)告警系統(tǒng)的紅色LED燈閃爍，同時(shí)蜂鳴器持續(xù)告警時(shí)，操作人員需要緊急制動(dòng)，打開視頻監(jiān)控系統(tǒng)，此時(shí)監(jiān)控?cái)z像機(jī)將拍攝到的施工現(xiàn)場(chǎng)視頻圖像顯示在安放在操作員前方的兩路車載顯示器上，操作員可以根據(jù)視頻，采取相應(yīng)措施，這樣才能使警報(bào)聲停止，通過視頻對(duì)高壓線的位置加以確認(rèn)，調(diào)整好施工位置后才能繼續(xù)施工，如下圖所示。

4 系統(tǒng)評(píng)價(jià)與總結(jié)

對(duì)比其他的測(cè)距技術(shù)，X波段雷達(dá)測(cè)距具有識(shí)別能力強(qiáng)和距離分別能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。能夠識(shí)別高壓線這樣的小目標(biāo)，回波檢測(cè)測(cè)距的方法也保證了足夠高的測(cè)距精度。

另外，本文提出的吊車防撞系統(tǒng)與其他研究的不同還在于采用X波段雷達(dá)測(cè)距技術(shù)實(shí)現(xiàn)施工周圍的高壓輸電線進(jìn)行測(cè)距，并通過無(wú)線通信方式傳至操作室進(jìn)行數(shù)碼顯示。當(dāng)進(jìn)入危險(xiǎn)距離范圍內(nèi)時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)聲光報(bào)警系統(tǒng)和視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并將報(bào)警信息進(jìn)行存儲(chǔ)備查；同時(shí)系統(tǒng)向附近的安全監(jiān)督員發(fā)送報(bào)警信息。這一報(bào)警系統(tǒng)集雷達(dá)測(cè)距、無(wú)線通信、數(shù)碼顯示以及聲光報(bào)警等技術(shù)之大成，完全解決已有各種電氣距離報(bào)警裝置存在的誤報(bào)、拒報(bào)等各種不可靠問題。

[1]上海市電力公司.國(guó)家電網(wǎng)公司.南京文道自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司.一種高壓電力設(shè)備非接觸式預(yù)警系統(tǒng).中國(guó)專利：201210514732.

[2]河南省電力公司洛陽(yáng)供電公司.一種高壓電力設(shè)備非接觸智能預(yù)警的方法及預(yù)警系統(tǒng).中國(guó)專利：201110406037.

[3]Strakowski M R,Kosmowski B B,Kowalik Ret al.An ultrasonic obstacle detector based on phase beamforming principles[J].Sensors Journal,IEEE,2006, 6(1):179-186.

[4]郭浩.一款超聲波遠(yuǎn)距離障礙物檢測(cè)器的設(shè)計(jì)制作[J].電子制作, 2007, 10: 018.

[5]呂強(qiáng).變電站帶電設(shè)備安全距離監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)[J].科技創(chuàng)業(yè)家,2013,(05):129.

[6]變電站帶電設(shè)備安全距離監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng):河南,CN201788571U[P].2011-04-06

[7]張霄蕾,高明,劉振海,秦松林.防止吊車觸碰高壓輸電線的報(bào)警裝置研制[J].華東電力,2011,(07):1201-1202.