新型激光遠程點云裝置研究

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云裝置，對電網(wǎng)鐵塔上的絕緣端子進行了遠程非接觸式檢測。利用測距激光對被測物體整體或局部進行從左到右的步進掃描，獲取目標的空間三維數(shù)據(jù)，從而發(fā)現(xiàn)絕緣端子破損等缺陷，驗證了多尺度相位差式激光點云裝置在電網(wǎng)運維檢測中的應(yīng)用可行性，可以保障輸電線路的運行安全性與穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：輸電線路;帶電檢測;遠程檢測;激光點云裝置

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)用越來越廣泛。國內(nèi)多家研究機構(gòu)已經(jīng)成功研制出激光遠程點云裝置，該激光遠程點云裝置利用激光瞬間高能量、定向性、遠距離傳輸?shù)忍攸c，可實現(xiàn)非接觸式檢測電網(wǎng)安全隱患，速度快，檢測過程安全、穩(wěn)定，精度高。傳統(tǒng)的激光點云測距系統(tǒng)多是采用脈沖激光時間差或連續(xù)激光單一尺度相位差方式來測距。其中，脈沖激光時間差方式在200 m內(nèi)的分辨率效果差，測量數(shù)據(jù)誤差在米級;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，測量誤差大。為此，本文創(chuàng)新性地采用多尺度相位差測量技術(shù)，彌補了脈沖激光時間差和連續(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)研制點云裝置實際測試了電網(wǎng)端子，結(jié)果表明達到了設(shè)計預期效果。

1 遠程激光點云測距原理

1.1? ? 單一尺度相位差測距原理

激光點云系統(tǒng)最核心的部分就是目標距離的獲取，激光測距是整個系統(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量技術(shù)，因此在搜索目標清晰度和距離上非常具有優(yōu)勢。設(shè)定高頻調(diào)制光的角頻率為ω，待測距離LAB上往返一次產(chǎn)生的相位差為ψ+Δψ，則對應(yīng)時間可以表示為：

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

則待測距離可以表示為：

式中，λ表示波長;LS表示光尺。

測量精度可以表示為：

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

1.2? ? 多尺度相位差測距原理

基于1.1的分析，我們重新定義一個高頻調(diào)制頻率。

其在1 000 m以內(nèi)的測量精度為：

根據(jù)式（7），我們可以看到測量精度達到分米級，完全符合電網(wǎng)常規(guī)用品的尺寸要求。基于實際應(yīng)用需求，我們可以選取調(diào)制頻率ω=15 kHz，ω1=150 MHz雙調(diào)制相位差同時測量電網(wǎng)用物體的好壞。具體測量方式為：采用15 kHz的調(diào)制相位差作為粗測距離，采用150 MHz的調(diào)制相位差進行精細測量?？梢远x雙調(diào)制測試距離為：

1.3? ? 三維測距的轉(zhuǎn)換方式

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

在直角坐標系XYZ中，P點為待測物體，距離原點O的長度為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點在直角坐標系XYZ中可以表示為：

2 多尺度相位差式激光點云系統(tǒng)組成

多尺度相位差式激光點云技術(shù)是近些年來發(fā)展興起的新測繪技術(shù)，通過測距激光對被測物體整體或局部進行從左到右的步進掃描，獲取目標的空間三維數(shù)據(jù)，因此也被稱為“實景復制技術(shù)”。激光遠程點云裝置主要由激光發(fā)射器、接收器、相位差解碼器、馬達控制可旋轉(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云儀獲取點位信息的原理是：激光發(fā)射器周期性地驅(qū)動激光二極管發(fā)射激光信號，由接收透鏡接受目標表面后向反射信號，產(chǎn)生接收信號，利用相位解碼器計算激光波長周期，最后由微電腦通過軟件計算出采樣點的空間距離，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)系計算出目標相對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云裝置在電網(wǎng)端子上的實驗測試

3.1? ? 測試流程

激光點云掃描儀的使用主要分為3個步驟：前期勘察、布設(shè)掃描、數(shù)據(jù)處理。整個戶外作業(yè)的測量流程如圖4所示。

3.2? ? 數(shù)據(jù)處理流程

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

3.3? ? 實驗成像結(jié)果

選擇戶外常見的絕緣子線路進行檢測，將激光點云掃描到的數(shù)據(jù)進行拼接、著色、編輯、生產(chǎn)，選擇軟件Geomagic進行處理，然后進行渲染，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，很容易檢測出電網(wǎng)的安全狀態(tài)。

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

4 結(jié)語

本文采用基于多尺度相位差式新型激光點云裝置進行戶外電網(wǎng)絕緣子測試，通過測距激光對被測物體整體或局部進行從左到右的步進掃描，獲取目標的空間三維數(shù)據(jù)，對空間三維數(shù)據(jù)進行處理，得到電網(wǎng)絕緣子的當前狀態(tài)。該絕緣子檢測方法省時省力，整個檢測過程對輸電線路沒有損傷，驗證了多尺度相位差式新型激光點云裝置在電網(wǎng)端子測試中的可行性。

[參考文獻]

[1] 金立軍，姚春羽，閆書佳，等.基于航拍圖像的輸電線路異物識別[J].同濟大學學報（自然科學版），2013，41（2）：277-281.

[2] 張永強，吳艷華，陳武柱，等.激光切割質(zhì)量的在線評價方法[J].中國激光，2006，33（11）：1580-1584.

[3] 胡毅，王力農(nóng)，鄒偉.送配電帶電作業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].電力設(shè)備，2003，4（2）：35-39.

[4] 吳劍敏.激光成像技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].上海電力，2008，21（2）：192-195.

[5] 劉楊，陳昱同，郭麗.SF6電氣設(shè)備紅外輻射檢漏技術(shù)的應(yīng)用[J].山西電力，2014（1）：39-41.

[6] 楊永平.機載激光雷達在輸電線路中的應(yīng)用[J].水利電力科技，2012（2）：17-20.

[7] 林昀，吳敦，李丹農(nóng).基于機載激光雷達的高精度電力巡線測量[J].城市勘測，2011（5）：71-74.

[8] 王和平，夏少波，譚弘武，等.電力巡線中機載激光點云數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵技術(shù)[J].地理空間信息，2015（5）：59-62.

[9] 薛亮，黃茜，等.激光技術(shù)在電力工程中的應(yīng)用[J].上海電力學院學報，2014，30（4）：383-387.

[10] 周輝，楊穎銳，楊生蘭.輸電線路異物清除裝置研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（7）：174-175.

[11] 梁偉，陳杰，劉洋，等.清除架空線路異物的新型裝置及其試驗研究[J].中國電業(yè)（技術(shù)版），2015（9）：57-59.

[12] 危遲.激光點云與影像點云辨析[J].測繪通報，2014（2）：139-140.

收稿日期：2020-06-08

作者簡介：劉世鳴（1994—），男，廣東惠州人，工程師，研究方向：電力系統(tǒng)自動化、輸電線路智能運維。

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