基于紅外與雷達一體化吊艙的直升機安全避障技術

王和平+汪駿+申爭光

摘 要：針對紅外成像無法較遠距離監控和毫米波雷達無法描述目標對象輪廓及視場角度的問題，該文提出一種基于紅外和雷達一體化吊艙的安全避障技術，服務于我國電網直升機巡線作業。首先，基于直升機巡線的安全避障技術需求，分析紅外成像和毫米波雷達測距技術特點；其次，為實現目標對象輪廓成像和全方位空間測距，研發紅外視頻與雷達一體化吊艙系統，詳細給出硬件設計和軟件開發方案；最后，完成環境適應性試驗，總結系統性能指標。

關鍵詞：安全避障 紅外 毫米波雷達 吊艙 直升機

中圖分類號：TN958.98 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）10（b）-0056-04

隨著輸電高壓等級的不斷提高，輸電線路的巡線作業的安全、穩定、高效運行越來越重要。隨著我國電網工程的不斷發展，超高壓、特高壓輸電線路將覆蓋全國，輸電線路距離長、沿線地形復雜、輸電線路塔體很高，傳統人工巡線方法不僅工作量大而且條件艱苦，特別是對山區和跨越大江大河的輸電線路的巡查，以及在冰災、水災、地震、滑坡、夜晚期間巡線檢查，所花時間長、人力成本高、困難大，某些線路區域和某些巡檢項目人工巡查方法目前還難以完成。

針對上述問題，國內外已開始轉向基于直升機或無人機的網巡作業方式，效率是地面人工巡視的20～30倍，為提升輸電線路巡視效率，推進輸電設備精益化管理，全網輸電線路直升機巡視的作業需求日益迫切，該方式可及時發現人工巡視肉眼難以發現的缺陷，有力保障輸電線路運行安全水平。直升機在行進過程中主要靠人工識別飛機周邊障礙物情況，但在特殊情況或角度下，例如雨、霧、煙塵或其它復雜環境時，地面操控人員或機上駕駛人員很難判別周邊環境，國內外已經發生多起飛行器碰撞墜毀事故，因此，飛行器避撞技術是直升機網巡作業的關鍵技術。為此，該文介紹一種基于紅外視頻與雷達一體化吊艙的直升機安全避障系統，給出系統的具體設計方案及其主要性能指標，可為其它用途直升機或無人機的安全避障系統設計提供參考意義。

1 安全避障系統方案分析及總體設計

1.1 方案分析

紅外成像和毫米波雷達測距技術均是常見的兩種避障手段，但具有各自的優缺點：（1）紅外成像技術是基于物體表面熱輻射的原理進行無接觸溫度測量、熱狀態分析、熱輪廓描述，可在夜間及惡劣氣候條件下進行目標監控、溫度感知監控、偽裝及隱蔽目標識別、物體距離及輪廓描述，但由于探測效果不隨周圍光照條件的變化而變化，紅外成像技術無法實現較遠距離的監控；（2）毫米波雷達測距技術可進行遠距離測距，且具有抗干擾能力強、指向性強、測量精度較高、小型化等優點，適合作為直升機的自主避障系統傳感器，但由于毫米波雷達只能探測平行距離，無法描述目標對象的輪廓和對象在視場中的角度。

基于紅外成像和毫米波雷達測距技術的特性分析，本文將紅外成像技術和毫米波測距雷達技術相結合，構建紅外視頻與雷達一體化安全避障系統，充分發揮紅外輪廓成像和雷達遠距離測距的優勢。其中機載紅外吊艙作為避障系統的主傳感器，毫米波雷達測距系統作為安全避障系統的輔助傳感器。

1.2 方案總體設計

直升機紅外巡線吊艙安全避障系統主要由紅外巡線吊艙、5路毫米波雷達空間測距、主控計算機、駕駛員指示屏及專用電纜等組成，如圖1所示。其中，毫米波雷達測障系統安裝在機體四周，紅外吊艙安裝于機體下方，主控計算機安裝于駕駛室或由艙內人員攜帶。

當直升機進行巡邏時，空間毫米波雷達測障系統負責實時監測前、后、左、右及地面高度五個方向的空間障礙物信息，并將數據傳輸至主控計算機；此外主控計算機在采集紅外視頻信息的同時接收測障系統數據，通過角度計算確認包絡紅外吊艙當前指向的測距子系統并將其測距數據疊加至視頻圖像輸出。系統通過結合5路毫米波雷達測距子系統組成的測距傳感器網絡實現空間測障功能，同時采集機載紅外吊艙的視頻信號，以“圖形+數據”方式實時展示當前5方向的空間障礙物狀態。當直升機與障礙物距離過近時，以聲、光告警的方式提醒飛行員注意避讓。

2 系統硬件設計

紅外視頻與雷達一體化安全避障系統如圖2所示。

2.1 毫米波雷達空間測距系統設計

毫米波防撞測距系統可顯示各障礙物離飛行器的距離、方位、角度，可對各類障礙物的類別進行評估，完成飛行器的合理避障。系統包含有五路毫米波防撞測距子系統，分別監測前、后、左、右及高度五個方向的障礙物狀況，實時輸出動態條件下飛行器與四周環境障礙物之間的距離，如圖3所示。

5路毫米波防撞測距子系統作為從傳感器節點通過RS422/RS485總線與計算機組網，由計算機點名實現測距數據輪詢輸出實現數據采集。組網方式為一主+多從，即主控計算機為總線主設備，其余測距子系統為從設備。毫米波雷達測距系統不主動向總線發送數據，主控計算機向總線廣播數據請求指令，指令中包含對應請求對象傳感器的地址，當測距子系統檢測到廣播指令中的地址與自身地址匹配一致后，向總線發出自身的測量數據，否則不回應廣播數據請求指令，以此實現主控計算機對網絡中各傳感器節點的數據輪詢。

2.2 紅外巡線吊艙信號處理系統設計

由于系統需要接入PCI/PCI-E擴展的視頻卡及數據通訊卡，普通筆記本電腦無法滿足要求，一般工控機體積過于龐大且需外部供電。綜合兩方面考慮，主控計算機采用通用X86架構的便攜式加固工作站并外擴擴展塢及PCI接口功能板卡的方式實現。加固型工作站具有很好的防水、防摔及抗震性，可靠性高，適合野外或機載條件下的使用。紅外巡線吊艙信號處理系統的硬件架構及接口數據流如圖4所示。

2.3 視頻采集卡

視頻采集卡采用海康威視DS-4300系列高清編碼卡，暫選型號為DS-4304HFH-E。性能特點及部分指標如下：PCI-E接口，更高數據帶寬；產品運行可靠穩定；高性能低功耗；實時完成視頻和音頻壓縮，不丟幀；可設置編碼的幀格式；可設置圖像質量和碼率；支持OSD、LOGO疊加和區域屏蔽提供完整SDK開發包；支持Windows XP、Linux操作系統。

2.4 數據通訊卡

數據通訊卡選型為宇泰UT-712 485/422光電隔離轉換卡，PCI轉2路RS-485/422。性能指標如下：PCI總線：32位；傳輸速率：高達115.2kbps；流控制：RTS/CTS XON/XOFF；工作溫度：0℃～70℃；光電隔離：隔離電壓2500 Vrms；接口保護：600 W浪涌保護、±15 kV靜電保護；傳輸距離：高達1200 m；支持系統：Windows XP、Linux驅動。

2.5 紅外視頻與雷達數據聯動設計

系統軟件集成紅外吊艙的控制接口及指令，用于同紅外吊艙的通訊及雙向控制，在某些設定條件下用戶可通過系統軟件對紅外吊艙的進行手動或自動控制，亦可由紅外吊艙的某些狀態自動觸發系統軟件的特定功能，如自動啟動視頻錄像。

紅外視頻與雷達數據聯動數據流示意圖如圖5所示。以主控計算機及系統軟件為中心實現子系統之間的通訊數據往來；以機載紅外吊艙俯仰角及方位角輸出信息為參考動態切換與當前紅外攝像頭指向對應的某一臺毫米波雷達測距系統的輸出數據，并將數據疊加進視頻窗口；通過選定某一指向的毫米波雷達測距系統，控制機載紅外吊艙調整攝像頭的俯仰角及方位角使二者法向一致；以某一距離最小值為告警閾值，由毫米波雷達測距系統輸出值通過系統軟件自動觸發紅外吊艙收回鏡頭，防止設備受損；以某一距離最小值為工作閾值，由毫米波雷達測距系統輸出值通過系統軟件自動觸發紅外視頻錄像及拍照。

2.6 主控計算機選型

便攜式加固工作站選型為神基科技GETAC X500，部分技術指標如下：全鎂鋁合金機殼，可防水、防塵、抗震耐摔；英特爾高性能處理器（酷睿i5-520M）；15寸陽光下可讀的多點觸控顯示屏；離散圖形控制器NVIDIA GeForce GT330M；整機可夜視功能，可插拔防震硬盤、多媒體擴展艙和PCI/PCIe擴充槽；電池板續航時間大于10 h。

2.7 電磁兼容性設計

結合直升機及其電子系統的電磁環境的特點，按照技術規范對電磁環境適應性的要求，從系統布局、內部布線、電磁屏蔽加固、電路板設計、元器件選擇等方面進行電磁兼容設計。采取的措施有：在電源輸入端加EMC電源濾波器；輸入、輸出插頭座采用電磁屏蔽插頭座；采取強度弱信號相互隔離，避免強信號對弱小信號的干擾；產品布線時，對于如電機電源等高頻、強信號，工藝上采取正負級絞接地方法布線；在PCB設計時，采用多層板，設計專門電源層，吸收板上器件的電磁輻射；所有分系統內部的干擾源或敏感器進行電磁屏蔽設計。作為屏蔽體的外殼選用導電性能良好的金屬材料，接口處的表面處理采用導電氧化處理，保證各屏蔽體良好連接，消除漏磁縫隙，以提高屏蔽效能。嚴格控制屏蔽體開口、孔洞、縫隙的數量、位置和大小，盡量避免降低屏蔽效能。

3 系統軟件設計

3.1 工作模式

基于紅外視頻與雷達一體化吊艙的安全避障系統工作狀態分為自檢階段和工作階段：

（1）自檢階段。系統上電后，系統進行初始化并自檢，自檢內容有：通過數據通訊端口接收紅外吊艙系統狀態信息，判斷吊艙是否進入正常工作狀態；通過對5路毫米波雷達測距系統分別進行點名及數據讀取，判斷各個雷達測距系統是否進入正常工作狀態；視頻采集卡檢測，判斷視頻采集卡通道是否正常打開，對應視頻信號接入正常；錄像區硬盤空間檢測，確認錄像區硬盤剩余空間充足。

（2）工作階段。工作階段系統啟動如下功能有：實時接收各方向測距信息，動態展示空間障礙物狀態；響應使用人員的操作；直升機進入與障礙物的危險距離后系統自動進行聲光告警；觸發自動錄像及拍照，觸發條件需與用戶進一步協商。

3.2 軟件開發設計

軟件采用可視化集成開發環境Visual Studio開發，語言為C++；調用單機數據庫管理系統Microsoft Access進行后臺數據維護，數據庫查詢控制語言為SQL，并集成調用視頻采集卡、數據通信卡等硬件設備的底層SDK，軟件開發層次結構示意圖如圖6所示。

系統軟件運行環境即操作系統為微軟Windows 7或Windows xp，軟件運行兼容32位和64位操作系統。軟件主界面基于Microsoft MFC單文檔應用程序模板SDI開發，基本界面示意圖如圖7所示。

4 系統性能測試及性能指標

4.1 環境適應性測試

（1）高溫工作：將系統放入溫度試驗箱，當溫度上升到+55℃溫度時，保持2 h后，對系統進行功能檢查，檢測結果為：工作正常。

（2）高溫存儲：將系統放入溫度試驗箱，當溫度上升到+65℃溫度時，保持2 h后，待系統恢復到常溫進行功能檢查，檢測結果為：工作正常。

（3）低溫工作：將系統放入溫度試驗箱，當溫度上升到-20℃溫度時，保持2 h后，對系統進行功能檢查，檢測結果為：工作正常。

（4）低溫存儲：將系統放入溫度試驗箱，當溫度上升到-40 ℃溫度時，保持2 h后，待系統恢復到常溫進行功能檢查，檢測結果為：工作正常。

（5）溫度沖擊檢驗：將系統置入溫度沖擊試驗箱的低溫箱內將箱內溫度降到-40 ℃保持2 h，然后在1 min的時間內將系統移入溫度為+55 ℃的高溫箱內保持2 h，然后將溫度恢復到常溫進行功能檢查，檢測結果為：工作正常。

（6）溫度-高度檢驗：將系統放置在試驗箱內，將試驗箱內的大氣壓力降到75.2 kPa，同時將試驗箱內溫度在低溫-20 ℃和高溫+50 ℃進行循環（在低溫-20 ℃和高溫+55 ℃的保持時間分別為1 h），進行1個周期的循環。試驗后進行功能檢查，檢測結果為：工作正常。

（7）電磁兼容檢驗：按《GB/T17626.2 電磁兼容靜電放電抗擾度試驗》和《GB/T17626.6電磁兼容工頻磁場抗擾度》進行試驗，檢測結果為：工作正常。

4.2 系統性能指標

系統性能指標如表1所示。

5 結論

為解決智能電網直升機網巡作業在復雜環境下的安全避障問題，該文提出了一種基于紅外和雷達一體化吊艙的飛行器避障技術，充分結合紅外成像和毫米波雷達分別在目標對象輪廓及視場角度感知和遠距離監控探測方面的優勢；完成了基于紅外和5路毫米波雷達空間測距的吊艙系統硬件設計和軟件系統開發。通過對各種環境適應性試驗結果分析，避障系統的測距范圍可覆蓋10～1000 m，測距精度可滿足±（1+0.03H） m，距離分辨率不大于1 m，工作頻率在Ku或mm波段，波束寬度為6×6度，輻射功率不小于23 dBm，數據更新率為20 ms。飛行試驗結果表明，該系統可滿足直升機電力巡線的避障需求，同時還可對其它用途的直升機/無人機安全避障系統設計提供參考意義。

參考文獻

[1]徐艷國.直升機防撞雷達關鍵技術及發展趨勢[J].現代雷達，2011（33）：9-13.

[2] 趙永，姚連鈺，李松維，等.直升機紅外成像仿真模型研究[J].仿真技術，2010（12）：209-212.

[3] 陳國君，安妮.基于紅外技術的機載高壓線避障系統研究與設計[J].軟件導刊， 2014（4）：83-87.

2.4 數據通訊卡

數據通訊卡選型為宇泰UT-712 485/422光電隔離轉換卡，PCI轉2路RS-485/422。性能指標如下：PCI總線：32位；傳輸速率：高達115.2kbps；流控制：RTS/CTS XON/XOFF；工作溫度：0℃～70℃；光電隔離：隔離電壓2500 Vrms；接口保護：600 W浪涌保護、±15 kV靜電保護；傳輸距離：高達1200 m；支持系統：Windows XP、Linux驅動。

2.5 紅外視頻與雷達數據聯動設計

系統軟件集成紅外吊艙的控制接口及指令，用于同紅外吊艙的通訊及雙向控制，在某些設定條件下用戶可通過系統軟件對紅外吊艙的進行手動或自動控制，亦可由紅外吊艙的某些狀態自動觸發系統軟件的特定功能，如自動啟動視頻錄像。

紅外視頻與雷達數據聯動數據流示意圖如圖5所示。以主控計算機及系統軟件為中心實現子系統之間的通訊數據往來；以機載紅外吊艙俯仰角及方位角輸出信息為參考動態切換與當前紅外攝像頭指向對應的某一臺毫米波雷達測距系統的輸出數據，并將數據疊加進視頻窗口；通過選定某一指向的毫米波雷達測距系統，控制機載紅外吊艙調整攝像頭的俯仰角及方位角使二者法向一致；以某一距離最小值為告警閾值，由毫米波雷達測距系統輸出值通過系統軟件自動觸發紅外吊艙收回鏡頭，防止設備受損；以某一距離最小值為工作閾值，由毫米波雷達測距系統輸出值通過系統軟件自動觸發紅外視頻錄像及拍照。

2.6 主控計算機選型

便攜式加固工作站選型為神基科技GETAC X500，部分技術指標如下：全鎂鋁合金機殼，可防水、防塵、抗震耐摔；英特爾高性能處理器（酷睿i5-520M）；15寸陽光下可讀的多點觸控顯示屏；離散圖形控制器NVIDIA GeForce GT330M；整機可夜視功能，可插拔防震硬盤、多媒體擴展艙和PCI/PCIe擴充槽；電池板續航時間大于10 h。

2.7 電磁兼容性設計

結合直升機及其電子系統的電磁環境的特點，按照技術規范對電磁環境適應性的要求，從系統布局、內部布線、電磁屏蔽加固、電路板設計、元器件選擇等方面進行電磁兼容設計。采取的措施有：在電源輸入端加EMC電源濾波器；輸入、輸出插頭座采用電磁屏蔽插頭座；采取強度弱信號相互隔離，避免強信號對弱小信號的干擾；產品布線時，對于如電機電源等高頻、強信號，工藝上采取正負級絞接地方法布線；在PCB設計時，采用多層板，設計專門電源層，吸收板上器件的電磁輻射；所有分系統內部的干擾源或敏感器進行電磁屏蔽設計。作為屏蔽體的外殼選用導電性能良好的金屬材料，接口處的表面處理采用導電氧化處理，保證各屏蔽體良好連接，消除漏磁縫隙，以提高屏蔽效能。嚴格控制屏蔽體開口、孔洞、縫隙的數量、位置和大小，盡量避免降低屏蔽效能。

3 系統軟件設計

3.1 工作模式

基于紅外視頻與雷達一體化吊艙的安全避障系統工作狀態分為自檢階段和工作階段：

（1）自檢階段。系統上電后，系統進行初始化并自檢，自檢內容有：通過數據通訊端口接收紅外吊艙系統狀態信息，判斷吊艙是否進入正常工作狀態；通過對5路毫米波雷達測距系統分別進行點名及數據讀取，判斷各個雷達測距系統是否進入正常工作狀態；視頻采集卡檢測，判斷視頻采集卡通道是否正常打開，對應視頻信號接入正常；錄像區硬盤空間檢測，確認錄像區硬盤剩余空間充足。

（2）工作階段。工作階段系統啟動如下功能有：實時接收各方向測距信息，動態展示空間障礙物狀態；響應使用人員的操作；直升機進入與障礙物的危險距離后系統自動進行聲光告警；觸發自動錄像及拍照，觸發條件需與用戶進一步協商。

3.2 軟件開發設計

軟件采用可視化集成開發環境Visual Studio開發，語言為C++；調用單機數據庫管理系統Microsoft Access進行后臺數據維護，數據庫查詢控制語言為SQL，并集成調用視頻采集卡、數據通信卡等硬件設備的底層SDK，軟件開發層次結構示意圖如圖6所示。

系統軟件運行環境即操作系統為微軟Windows 7或Windows xp，軟件運行兼容32位和64位操作系統。軟件主界面基于Microsoft MFC單文檔應用程序模板SDI開發，基本界面示意圖如圖7所示。

4 系統性能測試及性能指標

4.1 環境適應性測試

（1）高溫工作：將系統放入溫度試驗箱，當溫度上升到+55℃溫度時，保持2 h后，對系統進行功能檢查，檢測結果為：工作正常。

（2）高溫存儲：將系統放入溫度試驗箱，當溫度上升到+65℃溫度時，保持2 h后，待系統恢復到常溫進行功能檢查，檢測結果為：工作正常。

（3）低溫工作：將系統放入溫度試驗箱，當溫度上升到-20℃溫度時，保持2 h后，對系統進行功能檢查，檢測結果為：工作正常。

（4）低溫存儲：將系統放入溫度試驗箱，當溫度上升到-40 ℃溫度時，保持2 h后，待系統恢復到常溫進行功能檢查，檢測結果為：工作正常。

（5）溫度沖擊檢驗：將系統置入溫度沖擊試驗箱的低溫箱內將箱內溫度降到-40 ℃保持2 h，然后在1 min的時間內將系統移入溫度為+55 ℃的高溫箱內保持2 h，然后將溫度恢復到常溫進行功能檢查，檢測結果為：工作正常。

（6）溫度-高度檢驗：將系統放置在試驗箱內，將試驗箱內的大氣壓力降到75.2 kPa，同時將試驗箱內溫度在低溫-20 ℃和高溫+50 ℃進行循環（在低溫-20 ℃和高溫+55 ℃的保持時間分別為1 h），進行1個周期的循環。試驗后進行功能檢查，檢測結果為：工作正常。

（7）電磁兼容檢驗：按《GB/T17626.2 電磁兼容靜電放電抗擾度試驗》和《GB/T17626.6電磁兼容工頻磁場抗擾度》進行試驗，檢測結果為：工作正常。

4.2 系統性能指標

系統性能指標如表1所示。

5 結論

為解決智能電網直升機網巡作業在復雜環境下的安全避障問題，該文提出了一種基于紅外和雷達一體化吊艙的飛行器避障技術，充分結合紅外成像和毫米波雷達分別在目標對象輪廓及視場角度感知和遠距離監控探測方面的優勢；完成了基于紅外和5路毫米波雷達空間測距的吊艙系統硬件設計和軟件系統開發。通過對各種環境適應性試驗結果分析，避障系統的測距范圍可覆蓋10～1000 m，測距精度可滿足±（1+0.03H） m，距離分辨率不大于1 m，工作頻率在Ku或mm波段，波束寬度為6×6度，輻射功率不小于23 dBm，數據更新率為20 ms。飛行試驗結果表明，該系統可滿足直升機電力巡線的避障需求，同時還可對其它用途的直升機/無人機安全避障系統設計提供參考意義。

參考文獻

[1]徐艷國.直升機防撞雷達關鍵技術及發展趨勢[J].現代雷達，2011（33）：9-13.

[2] 趙永，姚連鈺，李松維，等.直升機紅外成像仿真模型研究[J].仿真技術，2010（12）：209-212.

[3] 陳國君，安妮.基于紅外技術的機載高壓線避障系統研究與設計[J].軟件導刊， 2014（4）：83-87.

2.4 數據通訊卡

數據通訊卡選型為宇泰UT-712 485/422光電隔離轉換卡，PCI轉2路RS-485/422。性能指標如下：PCI總線：32位；傳輸速率：高達115.2kbps；流控制：RTS/CTS XON/XOFF；工作溫度：0℃～70℃；光電隔離：隔離電壓2500 Vrms；接口保護：600 W浪涌保護、±15 kV靜電保護；傳輸距離：高達1200 m；支持系統：Windows XP、Linux驅動。

2.5 紅外視頻與雷達數據聯動設計

系統軟件集成紅外吊艙的控制接口及指令，用于同紅外吊艙的通訊及雙向控制，在某些設定條件下用戶可通過系統軟件對紅外吊艙的進行手動或自動控制，亦可由紅外吊艙的某些狀態自動觸發系統軟件的特定功能，如自動啟動視頻錄像。

紅外視頻與雷達數據聯動數據流示意圖如圖5所示。以主控計算機及系統軟件為中心實現子系統之間的通訊數據往來；以機載紅外吊艙俯仰角及方位角輸出信息為參考動態切換與當前紅外攝像頭指向對應的某一臺毫米波雷達測距系統的輸出數據，并將數據疊加進視頻窗口；通過選定某一指向的毫米波雷達測距系統，控制機載紅外吊艙調整攝像頭的俯仰角及方位角使二者法向一致；以某一距離最小值為告警閾值，由毫米波雷達測距系統輸出值通過系統軟件自動觸發紅外吊艙收回鏡頭，防止設備受損；以某一距離最小值為工作閾值，由毫米波雷達測距系統輸出值通過系統軟件自動觸發紅外視頻錄像及拍照。

2.6 主控計算機選型

便攜式加固工作站選型為神基科技GETAC X500，部分技術指標如下：全鎂鋁合金機殼，可防水、防塵、抗震耐摔；英特爾高性能處理器（酷睿i5-520M）；15寸陽光下可讀的多點觸控顯示屏；離散圖形控制器NVIDIA GeForce GT330M；整機可夜視功能，可插拔防震硬盤、多媒體擴展艙和PCI/PCIe擴充槽；電池板續航時間大于10 h。

2.7 電磁兼容性設計

結合直升機及其電子系統的電磁環境的特點，按照技術規范對電磁環境適應性的要求，從系統布局、內部布線、電磁屏蔽加固、電路板設計、元器件選擇等方面進行電磁兼容設計。采取的措施有：在電源輸入端加EMC電源濾波器；輸入、輸出插頭座采用電磁屏蔽插頭座；采取強度弱信號相互隔離，避免強信號對弱小信號的干擾；產品布線時，對于如電機電源等高頻、強信號，工藝上采取正負級絞接地方法布線；在PCB設計時，采用多層板，設計專門電源層，吸收板上器件的電磁輻射；所有分系統內部的干擾源或敏感器進行電磁屏蔽設計。作為屏蔽體的外殼選用導電性能良好的金屬材料，接口處的表面處理采用導電氧化處理，保證各屏蔽體良好連接，消除漏磁縫隙，以提高屏蔽效能。嚴格控制屏蔽體開口、孔洞、縫隙的數量、位置和大小，盡量避免降低屏蔽效能。

3 系統軟件設計

3.1 工作模式

基于紅外視頻與雷達一體化吊艙的安全避障系統工作狀態分為自檢階段和工作階段：

（1）自檢階段。系統上電后，系統進行初始化并自檢，自檢內容有：通過數據通訊端口接收紅外吊艙系統狀態信息，判斷吊艙是否進入正常工作狀態；通過對5路毫米波雷達測距系統分別進行點名及數據讀取，判斷各個雷達測距系統是否進入正常工作狀態；視頻采集卡檢測，判斷視頻采集卡通道是否正常打開，對應視頻信號接入正常；錄像區硬盤空間檢測，確認錄像區硬盤剩余空間充足。

（2）工作階段。工作階段系統啟動如下功能有：實時接收各方向測距信息，動態展示空間障礙物狀態；響應使用人員的操作；直升機進入與障礙物的危險距離后系統自動進行聲光告警；觸發自動錄像及拍照，觸發條件需與用戶進一步協商。

3.2 軟件開發設計

軟件采用可視化集成開發環境Visual Studio開發，語言為C++；調用單機數據庫管理系統Microsoft Access進行后臺數據維護，數據庫查詢控制語言為SQL，并集成調用視頻采集卡、數據通信卡等硬件設備的底層SDK，軟件開發層次結構示意圖如圖6所示。

系統軟件運行環境即操作系統為微軟Windows 7或Windows xp，軟件運行兼容32位和64位操作系統。軟件主界面基于Microsoft MFC單文檔應用程序模板SDI開發，基本界面示意圖如圖7所示。

4 系統性能測試及性能指標

4.1 環境適應性測試

（1）高溫工作：將系統放入溫度試驗箱，當溫度上升到+55℃溫度時，保持2 h后，對系統進行功能檢查，檢測結果為：工作正常。

（2）高溫存儲：將系統放入溫度試驗箱，當溫度上升到+65℃溫度時，保持2 h后，待系統恢復到常溫進行功能檢查，檢測結果為：工作正常。

（3）低溫工作：將系統放入溫度試驗箱，當溫度上升到-20℃溫度時，保持2 h后，對系統進行功能檢查，檢測結果為：工作正常。

（4）低溫存儲：將系統放入溫度試驗箱，當溫度上升到-40 ℃溫度時，保持2 h后，待系統恢復到常溫進行功能檢查，檢測結果為：工作正常。

（5）溫度沖擊檢驗：將系統置入溫度沖擊試驗箱的低溫箱內將箱內溫度降到-40 ℃保持2 h，然后在1 min的時間內將系統移入溫度為+55 ℃的高溫箱內保持2 h，然后將溫度恢復到常溫進行功能檢查，檢測結果為：工作正常。

（6）溫度-高度檢驗：將系統放置在試驗箱內，將試驗箱內的大氣壓力降到75.2 kPa，同時將試驗箱內溫度在低溫-20 ℃和高溫+50 ℃進行循環（在低溫-20 ℃和高溫+55 ℃的保持時間分別為1 h），進行1個周期的循環。試驗后進行功能檢查，檢測結果為：工作正常。

（7）電磁兼容檢驗：按《GB/T17626.2 電磁兼容靜電放電抗擾度試驗》和《GB/T17626.6電磁兼容工頻磁場抗擾度》進行試驗，檢測結果為：工作正常。

4.2 系統性能指標

系統性能指標如表1所示。

5 結論

為解決智能電網直升機網巡作業在復雜環境下的安全避障問題，該文提出了一種基于紅外和雷達一體化吊艙的飛行器避障技術，充分結合紅外成像和毫米波雷達分別在目標對象輪廓及視場角度感知和遠距離監控探測方面的優勢；完成了基于紅外和5路毫米波雷達空間測距的吊艙系統硬件設計和軟件系統開發。通過對各種環境適應性試驗結果分析，避障系統的測距范圍可覆蓋10～1000 m，測距精度可滿足±（1+0.03H） m，距離分辨率不大于1 m，工作頻率在Ku或mm波段，波束寬度為6×6度，輻射功率不小于23 dBm，數據更新率為20 ms。飛行試驗結果表明，該系統可滿足直升機電力巡線的避障需求，同時還可對其它用途的直升機/無人機安全避障系統設計提供參考意義。

參考文獻

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