一種基于激光雷達(dá)的輸電線路通道樹障檢測(cè)方法研究

曾雅君 姚文燦 王亮

摘要：我國輸電線路分布具有地形復(fù)雜、點(diǎn)多、面廣的特征，傳統(tǒng)的手持激光測(cè)距儀進(jìn)行樹障距離測(cè)量的方法已不能滿足當(dāng)前輸電線路巡檢的需求，為此介紹了一種基于激光雷達(dá)的輸電線路通道樹障檢測(cè)方法，可高效、準(zhǔn)確地檢測(cè)到輸電線路的樹障情況，值得大力推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：輸電線路;激光雷達(dá);樹障

0 引言

架空輸電線路由導(dǎo)線、避雷線、桿塔、相應(yīng)附件及附屬設(shè)施等組成。運(yùn)行中的輸電線路會(huì)因通道內(nèi)有植被、違章建筑等而威脅線路的安全運(yùn)行，尤其是在灌木生長(zhǎng)茂盛的山林中，輸電線路存在的安全隱患更為突出。我國高壓架空輸電線路總長(zhǎng)度超過了115萬km，其中跨越復(fù)雜植被的輸電線路長(zhǎng)度達(dá)到了51.4萬km。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，在輸電線路安全隱患成因中，樹障占比50%～60%，違章施工及建筑物占比10%～15%，鳥害占比10%～15%，山火占比6%～8%，漂浮物占比7%～10%。由此可見，樹障是造成輸電線路安全隱患的最主要原因。

傳統(tǒng)手持激光測(cè)距儀進(jìn)行樹障距離測(cè)量的方法，因?qū)Ь€細(xì)小難以瞄準(zhǔn)、樹冠遮擋無法獲取樹障最高點(diǎn)等，無法有效測(cè)量線樹距離，測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。同時(shí)，在很多地形復(fù)雜、樹木叢生的地方，測(cè)量人員難以到達(dá)，影響線樹距離的測(cè)量準(zhǔn)確性，采用傳統(tǒng)的樹障距離測(cè)量方法效率極低。

隨著無人機(jī)在電網(wǎng)輸電線路巡檢領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用以及激光雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展，無人機(jī)搭載激光雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行樹障檢測(cè)成為輸電線路巡線的新手段。

1 基本原理

輸電線路巡視人員采用帶有RTK模塊的無人機(jī)搭載激光雷達(dá)對(duì)線樹進(jìn)行掃描，激光掃描測(cè)距雷達(dá)通過測(cè)量無人機(jī)與樹頂端的距離及角度、無人機(jī)與導(dǎo)線的距離及角度，利用三角函數(shù)關(guān)系計(jì)算線樹距離，并自動(dòng)將距離與不同等級(jí)電壓的安全距離標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，在線樹距離小于安全距離的區(qū)域進(jìn)行樹障危險(xiǎn)預(yù)警。

1.1 ? ?激光雷達(dá)測(cè)距原理

脈沖方法激光測(cè)距是在激光雷達(dá)發(fā)射激光束后，一部分激光被反射回障礙物，并被激光雷達(dá)的接收器接收。同時(shí)，雷達(dá)可以記錄激光發(fā)射到接收器接收之間的時(shí)間間隔，并可以根據(jù)光速計(jì)算要測(cè)量的距離。

由激光發(fā)射器發(fā)射出的激光脈沖入射到物體表面引起散射，其中一部分光波會(huì)經(jīng)過反射返回到激光雷達(dá)的接收器中，它將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)記錄下來，激光雷達(dá)組成如圖1所示。同時(shí)，由所配備的計(jì)時(shí)器記錄同一個(gè)激光脈沖信號(hào)由發(fā)射到被接收的時(shí)間間隔。由于光速是已知的，傳播時(shí)間間隔即可被轉(zhuǎn)換為測(cè)量的距離。激光測(cè)距計(jì)算公式如下：

式中：r為激光發(fā)射器到反射點(diǎn)之間的幾何距離;c為光速;t為激光脈沖由發(fā)射到被接收的時(shí)間間隔。

1.2 ? ?三角函數(shù)計(jì)算線樹距離原理

無人機(jī)搭載激光雷達(dá)可以獲得高壓線與樹木的距離。抽象測(cè)距模型如圖2所示，將無人機(jī)、導(dǎo)線、樹頂?shù)奈恢每闯梢粋€(gè)三角形的3個(gè)頂點(diǎn)，分別為A、B、C。通過激光測(cè)距原理可獲得無人機(jī)到導(dǎo)線、無人機(jī)到樹頂?shù)木嚯x分別為b、c，激光以0°～360°的角度不斷進(jìn)行掃描，可以得出AC與AB之間的夾角。根據(jù)三角函數(shù)公式a2=b2+c2-2bccos A，即可求出線樹距離a。

無人機(jī)搭載激光雷達(dá)靠近導(dǎo)線，360°旋轉(zhuǎn)激光測(cè)距掃描儀掃描豎直二維截面，實(shí)時(shí)測(cè)算該截面內(nèi)最小線樹距離。無人機(jī)沿導(dǎo)線飛行，測(cè)量多個(gè)連續(xù)二維截面的數(shù)據(jù)，即可測(cè)得目標(biāo)區(qū)域線樹距離，并自動(dòng)計(jì)算最小線樹距離。將最小線樹距離與不同電壓等級(jí)的線樹距離標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)檢測(cè)到的線樹距離小于標(biāo)準(zhǔn)距離，則判定為存在樹障隱患，如圖3所示。

2 實(shí)際應(yīng)用

無人機(jī)搭載激光測(cè)距雷達(dá)，可實(shí)時(shí)掃描無人機(jī)到下導(dǎo)線的距離，實(shí)時(shí)計(jì)算并顯示樹障距離，并快速出具樹障隱患報(bào)告。樹障檢測(cè)具體實(shí)施步驟：起飛前檢查→設(shè)定參數(shù)→自動(dòng)巡航→自動(dòng)返航→現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生報(bào)告。基于激光雷達(dá)的輸電線路通道樹障檢測(cè)方法實(shí)際運(yùn)用到某500 kV輸電線路的巡檢效果如圖4所示，報(bào)告如圖5所示。

3 結(jié)語

大部分輸電線路所處環(huán)境復(fù)雜，傳統(tǒng)的手持激光測(cè)距儀進(jìn)行樹障距離測(cè)量的方法已不能滿足需求，為此，本文介紹了一種基于激光雷達(dá)的輸電線路通道樹障檢測(cè)方法，將其運(yùn)用于某500 kV輸電線路巡檢中，結(jié)果表明該方法可高效、準(zhǔn)確地檢測(cè)到輸電線路的樹障情況，值得大力推廣應(yīng)用。

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收稿日期：2020-09-04

作者簡(jiǎn)介：曾雅君（1987—），男，湖南婁底人，助理工程師，研究方向：無人機(jī)搭載激光雷達(dá)對(duì)輸電線路巡檢的數(shù)據(jù)處理。