基于X波段雷達測距的吊車防撞高壓線監測系統

王國輝

（廣州供電局有限公司輸電管理所，廣東廣州，510310）

0 引言

近年來由于起重機在施工作業中超越高壓線警戒區而引發的觸電事故頻發。因此，為防止高空施工機械引起跳閘事故，研究出一套先進可靠的技術來避免此類事故的發生迫在眉睫。目前已有的起重機防碰撞裝置大多基于近電感應技術和超聲波檢測技術。文獻1和文獻2提出了基于近電感應技術的高壓線檢測系統，雖然該系統可以實現全方位檢測，但檢測范圍小，檢測不穩定，無法滿足大型高空施工設備的安全施工要求；文獻3涉及了基于超聲波測距的線纜檢測，由于目標物細小，聲波回波信號極弱。即便采用文獻4合文獻5中提出的改進方案——多方位多個超聲波探測器，也不能實現線纜的精準識別。由此可見，基于超聲波檢測技術的防撞裝置無法對較小目標做出預警。特別是高壓線這樣細小的危險目標，幾乎不能提供有效信號輸出。

本文研究一種基于X波段雷達測距的高壓現場施工安全距離報警技術。它裝在施工機械的頂部以及與線路等高的位置上，在施工設備靠近帶電的導線時，達到有可能威脅安全時給予預警提示，如圖1。這種設備報警可靠、安裝簡單、拆卸容易，不需要附加其他附屬設施，不影響施工操作，采用無線通訊方式傳遞信息，向現場操作人員、監護人員等持續地傳送實時距離信息，并具有良好的聲光和語音警示功能，使在最大程度上避免事故發生。

圖1 起重機檢測系統安裝圖

1 系統功能和指標要求

一套具備豐富功能，且可以在實際中應用的吊車防撞高壓線監測系統必須有較高的性能要求。本文針對實際應用，設計并擬定了防撞系統的功能和所需的參數。

1.1 監測系統功能

1）當施工設備在有高壓線的區域作業時，操作員首先給操作室內的無線接收系統和視頻監測系統上電，然后通過操作室內的遙控開關給安裝在吊臂前端的雷達監測系統和無線數傳發送系統上電。各系統上電正常工作后，操作室內相應的綠色指示燈亮。

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，分別對應110、220、500千伏的高壓線。

3）雷達監測系統正常工作后，安裝在吊臂前端的前方、左方、右方、上方4個面上的4組天線發射雷達信號，該雷達波遇到高壓線后被高壓線反射，當與之配對的接收天線接收到回波信號后，送進雷達監測系統的信號處理模塊進行處理并得到高壓線的距離信息。

4）當檢測到的高壓線距離大于10米時，雷達監測系統向無線數傳系統送出“安全”信息，起重機上的無線發送系統向操作室的無線接收系統發送“安全”信息，并在操作室的顯示屏上輸出“安全區”字樣。

5）當檢測到的距離小于10米時，雷達監測系統向無線發送系統送出距離信息，無線發送系統再向接收系統發送該距離信息，并在操作室的顯示屏上輸出相應的距離值。

6）當雷達監測系統得到的距離值達到所選告警距離值時，起重機臂上的無線發送系統向操作室的無線接收系統發送報警信息，啟動操作間的聲光報警系統（紅色LED燈閃爍及蜂鳴器報警聲）和視頻監測系統（左、右兩個高清攝像頭），并將報警信息進行存儲備查；同時系統向附近的安全監督員發送報警信息。

7）當起重機臂進入安全區后警報自動解除。

1.2 指標要求

1）測距范圍：1～10米，精度±1.5%（最大量程）；

2）測試目標：高壓線，直徑30mm；

3）測試方位角：10度；

4）告警：距離小于告警值（4、6、8米）時，用無線通信方式通知操作室，并以聲光方式發出告警信號，啟動監控系統，通知安全監督員；

5）供電方式：鋰電池；

6）連續工作時間：不小于8小時。

2 理論計算確定系統關鍵指標

由于測距范圍要求為1m～10m，精度要求為0.15m。根據線性調頻測距原理：

當設定線性調頻斜率K為 ，信號帶寬為200MHz時，線性調頻的重復頻率就為50KHz，要保證測距距離，中頻應該設為70KHz～700KHz，頻率精度為10KHz，這樣就很好的保證了測量距離及測量精度。同時，由于中頻最大為700KHz，采樣速率就需要設置為2MHz。

因為高2壓線的直徑為30mm，可以近似將其等效為雷達截面為0.01m的目標。我們在起重車吊臂的前端的上，前，左，右4個面分別安裝1個發射天線和1個接收天線，天線的方位角為60度，大于指標要求的10度，這樣就能全方位無死角覆蓋需要探測的區域，根據天線的增益經驗公式：

可得Pr=-86.5dBm。根據噪聲功率Ni=kBTA，近似可得接收機的輸入噪聲功率Ni=-115dBm。即輸入信噪比28dB。再通過分析雷達系統的接收機鏈路，根據級聯的噪聲系數公式

經過以上系統指標的分析，系統關鍵指標設置如下：

天線增益：8dB

發射功率：25dBm

接收機噪聲系數: <3dB

中頻：70KHz～700KHz

頻率步進：10KHz

線性調頻斜率：

發射機信號帶寬：200MHz

重復頻率：50kHz

采樣速率：2MHz

3 系統方案設計與論證

3.1 雷達和信號處理系統

雷達系統采用線性調頻連續波測距的方式進行距離測量，并用脈沖編碼調制的方式給出距離信號，當距離小于定值時，發射預置的指令，啟動相應的控制程序。系統框圖如下圖所示：

圖2 X波段雷達測距系統框圖

雷達系統的核心在于線性調頻源的設計。線性調頻源采用100MHz的晶振經過9倍頻后的信號驅動DDS輸出一個33.3MHz～100MHz的線性調頻連續波信號作為鑒相器的參考頻率。同時該900MHz的信號，經過放大后，與輸出信號進行取樣混頻，通過低通濾波器，得到的中頻信號經過3分頻后與DDS提供的參考信號進行鑒相，當它們相等時，輸出頻率鎖定在9.1GHz～9.3GHz。輸出信號經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，回波經接收天線、低噪聲放大器、帶通濾波器等后，和t1時刻發射信號的副本進行混頻，得出差頻，再通過低通濾波器抑制本振和射頻的泄漏信號，然后通過一個帶通濾波器濾除中頻之外的干擾信號。中頻信號經過AGC的放大，進行模數轉換，最后由信號處理模塊進行信號處理，獲得距離。當距離小于預設值時，信號處理模塊將獲得的距離信息以二進制數形式通過SPI接口發送給無線數據傳輸模塊，無線數據發射模塊將這組二進制數發送給無線數據接收模塊，并每隔1秒更新1次距離信息。

3.2 輔助系統的設計

3.2.1 無線通信和聲光告警系統

通信數據采用二進制碼格式：共8個字節，第一個字節表示指令，后面7個字節表示數據。

當無線接收模塊接收到發射模塊發送來的二進制碼，通過單片機的處理，獲取指令和距離數據，并且將二進制轉換成十進制，進行距離安全判定，并每隔1秒更新1次距離信息。同時對原始數據進行存儲。當判定為危險距離時，GPRS模塊發送一條提示短信到安全監督員手機上，提示安全員就位，如下圖所示。

圖4 視頻監控系統框圖

3.2.2 視頻監控系統

監控攝象機安裝于吊臂底部兩側，視場角覆蓋以吊臂為中心參照物左右各10米（可自動調焦）的區域。當告警系統的紅色LED燈閃爍，同時蜂鳴器持續告警時，操作人員需要緊急制動，打開視頻監控系統，此時監控攝像機將拍攝到的施工現場視頻圖像顯示在安放在操作員前方的兩路車載顯示器上，操作員可以根據視頻，采取相應措施，這樣才能使警報聲停止，通過視頻對高壓線的位置加以確認，調整好施工位置后才能繼續施工，如下圖所示。

4 系統評價與總結

對比其他的測距技術，X波段雷達測距具有識別能力強和距離分別能力強的優點。能夠識別高壓線這樣的小目標，回波檢測測距的方法也保證了足夠高的測距精度。

另外，本文提出的吊車防撞系統與其他研究的不同還在于采用X波段雷達測距技術實現施工周圍的高壓輸電線進行測距，并通過無線通信方式傳至操作室進行數碼顯示。當進入危險距離范圍內時，自動啟動聲光報警系統和視頻監測系統，并將報警信息進行存儲備查；同時系統向附近的安全監督員發送報警信息。這一報警系統集雷達測距、無線通信、數碼顯示以及聲光報警等技術之大成，完全解決已有各種電氣距離報警裝置存在的誤報、拒報等各種不可靠問題。

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