新型激光遠(yuǎn)程點(diǎn)云裝置研究

劉世鳴 沈志毅

摘要：采用最新研制的多尺度相位差式激光點(diǎn)云裝置，對(duì)電網(wǎng)鐵塔上的絕緣端子進(jìn)行了遠(yuǎn)程非接觸式檢測(cè)。利用測(cè)距激光對(duì)被測(cè)物體整體或局部進(jìn)行從左到右的步進(jìn)掃描，獲取目標(biāo)的空間三維數(shù)據(jù)，從而發(fā)現(xiàn)絕緣端子破損等缺陷，驗(yàn)證了多尺度相位差式激光點(diǎn)云裝置在電網(wǎng)運(yùn)維檢測(cè)中的應(yīng)用可行性，可以保障輸電線(xiàn)路的運(yùn)行安全性與穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：輸電線(xiàn)路;帶電檢測(cè);遠(yuǎn)程檢測(cè);激光點(diǎn)云裝置

0 引言

隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，其在電網(wǎng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。國(guó)內(nèi)多家研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)成功研制出激光遠(yuǎn)程點(diǎn)云裝置，該激光遠(yuǎn)程點(diǎn)云裝置利用激光瞬間高能量、定向性、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)非接觸式檢測(cè)電網(wǎng)安全隱患，速度快，檢測(cè)過(guò)程安全、穩(wěn)定，精度高。傳統(tǒng)的激光點(diǎn)云測(cè)距系統(tǒng)多是采用脈沖激光時(shí)間差或連續(xù)激光單一尺度相位差方式來(lái)測(cè)距。其中，脈沖激光時(shí)間差方式在200 m內(nèi)的分辨率效果差，測(cè)量數(shù)據(jù)誤差在米級(jí);連續(xù)激光單一尺度相位差方式的激光能量低，有效距離短，測(cè)量誤差大。為此，本文創(chuàng)新性地采用多尺度相位差測(cè)量技術(shù)，彌補(bǔ)了脈沖激光時(shí)間差和連續(xù)激光單一尺度相位差方式原理上的不足，并利用此技術(shù)研制點(diǎn)云裝置實(shí)際測(cè)試了電網(wǎng)端子，結(jié)果表明達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期效果。

1 遠(yuǎn)程激光點(diǎn)云測(cè)距原理

1.1? ? 單一尺度相位差測(cè)距原理

激光點(diǎn)云系統(tǒng)最核心的部分就是目標(biāo)距離的獲取，激光測(cè)距是整個(gè)系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)獲取的重要方法。本文采用多尺度相位差測(cè)量技術(shù)，因此在搜索目標(biāo)清晰度和距離上非常具有優(yōu)勢(shì)。設(shè)定高頻調(diào)制光的角頻率為ω，待測(cè)距離LAB上往返一次產(chǎn)生的相位差為ψ+Δψ，則對(duì)應(yīng)時(shí)間可以表示為：

式中，m表示往返距離LAB經(jīng)歷的整數(shù)個(gè)波長(zhǎng);Δm表示往返LAB經(jīng)歷的不足整數(shù)個(gè)波長(zhǎng)的余量。

則待測(cè)距離可以表示為：

式中，λ表示波長(zhǎng);LS表示光尺。

測(cè)量精度可以表示為：

在電網(wǎng)的實(shí)際測(cè)量中，測(cè)量距離通常在1 000 m以?xún)?nèi)，因此光尺為1 000 m。根據(jù)式（5）可以算出測(cè)量精度為1 m。電網(wǎng)中很多物體非常小，1 m的精度根本無(wú)法識(shí)別出物體的詳細(xì)情況，所以上述單一相位差方式測(cè)量無(wú)法滿(mǎn)足電網(wǎng)實(shí)際需要。

1.2? ? 多尺度相位差測(cè)距原理

基于1.1的分析，我們重新定義一個(gè)高頻調(diào)制頻率。

其在1 000 m以?xún)?nèi)的測(cè)量精度為：

根據(jù)式（7），我們可以看到測(cè)量精度達(dá)到分米級(jí)，完全符合電網(wǎng)常規(guī)用品的尺寸要求。基于實(shí)際應(yīng)用需求，我們可以選取調(diào)制頻率ω=15 kHz，ω1=150 MHz雙調(diào)制相位差同時(shí)測(cè)量電網(wǎng)用物體的好壞。具體測(cè)量方式為：采用15 kHz的調(diào)制相位差作為粗測(cè)距離，采用150 MHz的調(diào)制相位差進(jìn)行精細(xì)測(cè)量。可以定義雙調(diào)制測(cè)試距離為：

1.3? ? 三維測(cè)距的轉(zhuǎn)換方式

上文1.1和1.2描述的都是平面測(cè)距方式，但在實(shí)際應(yīng)用中，距離位置都是三維的，所以我們要將1.1和1.2的測(cè)距結(jié)果在三維坐標(biāo)系中體現(xiàn)，如圖1所示。

在直角坐標(biāo)系XYZ中，P點(diǎn)為待測(cè)物體，距離原點(diǎn)O的長(zhǎng)度為S，PO與Z軸夾角為θ，PO在XY平面的投影與X軸夾角為α，則P點(diǎn)在直角坐標(biāo)系XYZ中可以表示為：

2 多尺度相位差式激光點(diǎn)云系統(tǒng)組成

多尺度相位差式激光點(diǎn)云技術(shù)是近些年來(lái)發(fā)展興起的新測(cè)繪技術(shù)，通過(guò)測(cè)距激光對(duì)被測(cè)物體整體或局部進(jìn)行從左到右的步進(jìn)掃描，獲取目標(biāo)的空間三維數(shù)據(jù)，因此也被稱(chēng)為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”。激光遠(yuǎn)程點(diǎn)云裝置主要由激光發(fā)射器、接收器、相位差解碼器、馬達(dá)控制可旋轉(zhuǎn)的濾光鏡、控制電路板、微電腦和軟件等組成，如圖2所示。

多尺度相位差式激光點(diǎn)云儀獲取點(diǎn)位信息的原理是：激光發(fā)射器周期性地驅(qū)動(dòng)激光二極管發(fā)射激光信號(hào)，由接收透鏡接受目標(biāo)表面后向反射信號(hào)，產(chǎn)生接收信號(hào)，利用相位解碼器計(jì)算激光波長(zhǎng)周期，最后由微電腦通過(guò)軟件計(jì)算出采樣點(diǎn)的空間距離，再由設(shè)備本身所記錄的水平和豎直方向旋轉(zhuǎn)角度，由空間三角關(guān)系計(jì)算出目標(biāo)相對(duì)于儀器起算中心的空間位置。掃描儀操作模塊原理如圖3所示。

3 多尺度相位差式激光點(diǎn)云裝置在電網(wǎng)端子上的實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1? ? 測(cè)試流程

激光點(diǎn)云掃描儀的使用主要分為3個(gè)步驟：前期勘察、布設(shè)掃描、數(shù)據(jù)處理。整個(gè)戶(hù)外作業(yè)的測(cè)量流程如圖4所示。

3.2? ? 數(shù)據(jù)處理流程

數(shù)據(jù)處理是對(duì)掃描到的電網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、著色、編輯、生產(chǎn)、應(yīng)用的一系列的操作過(guò)程。通過(guò)戶(hù)外數(shù)據(jù)的獲取，選擇相應(yīng)的處理和生產(chǎn)軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，同時(shí)，可以融合其他元素進(jìn)行分析和應(yīng)用。例如，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成精確的模型，如果目標(biāo)是不規(guī)則的曲面，我們可以選擇Geomagic進(jìn)行處理，如果目標(biāo)是比較規(guī)則的平面，可以選擇CAD等進(jìn)行處理。初步生成模型后我們可采用CAD、3D max等進(jìn)行優(yōu)化處理，然后再進(jìn)行分析應(yīng)用;如果想進(jìn)行震撼的渲染，可以使用Maya等軟件進(jìn)行處理。模型建立后，可以選擇VR交互展示，也可以導(dǎo)入到ArcMap、ArcGIS中進(jìn)行應(yīng)用。數(shù)據(jù)處理整體流程如圖5所示。

3.3? ? 實(shí)驗(yàn)成像結(jié)果

選擇戶(hù)外常見(jiàn)的絕緣子線(xiàn)路進(jìn)行檢測(cè)，將激光點(diǎn)云掃描到的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、著色、編輯、生產(chǎn)，選擇軟件Geomagic進(jìn)行處理，然后進(jìn)行渲染，絕緣子三維模型效果如圖6所示，最亮的地方表示絕緣子有破損，很容易檢測(cè)出電網(wǎng)的安全狀態(tài)。

經(jīng)過(guò)激光點(diǎn)云生成的三維模型，很容易找到電網(wǎng)零值點(diǎn)，方便巡檢人員檢測(cè)和維護(hù)，提高工作效率。

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用基于多尺度相位差式新型激光點(diǎn)云裝置進(jìn)行戶(hù)外電網(wǎng)絕緣子測(cè)試，通過(guò)測(cè)距激光對(duì)被測(cè)物體整體或局部進(jìn)行從左到右的步進(jìn)掃描，獲取目標(biāo)的空間三維數(shù)據(jù)，對(duì)空間三維數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到電網(wǎng)絕緣子的當(dāng)前狀態(tài)。該絕緣子檢測(cè)方法省時(shí)省力，整個(gè)檢測(cè)過(guò)程對(duì)輸電線(xiàn)路沒(méi)有損傷，驗(yàn)證了多尺度相位差式新型激光點(diǎn)云裝置在電網(wǎng)端子測(cè)試中的可行性。

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收稿日期：2020-06-08

作者簡(jiǎn)介：劉世鳴（1994—），男，廣東惠州人，工程師，研究方向：電力系統(tǒng)自動(dòng)化、輸電線(xiàn)路智能運(yùn)維。

沈志毅（1976—），男，廣東河源人，助理工程師，研究方向：電力系統(tǒng)自動(dòng)化、輸電線(xiàn)路智能運(yùn)維。