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據，從而發現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運維檢測中的應用可行性，可以保障輸電線路的運行安全性與穩定性。

關鍵詞：輸電線路;帶電檢測;遠程檢測;激光點云裝置

0 引言

隨著激光技術的不斷發展，其在電網中的應用越來越廣泛。國內多家研究機構已經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、遠距離傳輸等特點，可實現非接觸式檢測電網安全隱患，速度快，檢測過程安全、穩定，精度高。傳統的激光點云測距系統多是采用脈沖激光時間差或連續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內的分辨率效果差，測量數據誤差在米級;連續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，本文創新性地采用多尺度相位差測量技術，彌補了脈沖激光時間差和連續激光單一尺度相位差方式原理上的不足，并利用此技術研制點云裝置實際測試了電網端子，結果表明達到了設計預期效果。

1 遠程激光點云測距原理

1.1? ? 單一尺度相位差測距原理

激光點云系統最核心的部分就是目標距離的獲取，激光測距是整個系統原始數據獲取的重要方法。本文采用多尺度相位差測量技術，因此在搜索目標清晰度和距離上非常具有優勢。設定高頻調制光的角頻率為ω，待測距離LAB上往返一次產生的相位差為ψ+Δψ，則對應時間可以表示為：

式中，m表示往返距離LAB經歷的整數個波長;Δm表示往返LAB經歷的不足整數個波長的余量。

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：

在電網的實際測量中，測量距離通常在1 000 m以內，因此光尺為1 000 m。根據式（5）可以算出測量精度為1 m。電網中很多物體非常小，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制頻率。

其在1 000 m以內的測量精度為：

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

1.3? ? 三維測距的轉換方式

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的測距結果在三維坐標系中體現，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組成

多尺度相位差式激光點云技術是近些年來發展興起的新測繪技術，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據，因此也被稱為“實景復制技術”。激光遠程點云裝置主要由激光發射器、接收器、相位差解碼器、馬達控制可旋轉的濾光鏡、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：激光發射器周期性地驅動激光二極管發射激光信號，由接收透鏡接受目標表面后向反射信號，產生接收信號，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，再由設備本身所記錄的水平和豎直方向旋轉角度，由空間三角關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、布設掃描、數據處理。整個戶外作業的測量流程如圖4所示。

3.2? ? 數據處理流程

數據處理是對掃描到的電網數據進行拼接、著色、編輯、生產、應用的一系列的操作過程。通過戶外數據的獲取，選擇相應的處理和生產軟件對點云數據進行編輯，同時，可以融合其他元素進行分析和應用。例如，將點云數據生成精確的模型，如果目標是不規則的曲面，我們可以選擇Geomagic進行處理，如果目標是比較規則的平面，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等進行優化處理，然后再進行分析應用;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中進行應用。數據處理整體流程如圖5所示。

3.3? ? 實驗成像結果

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據進行拼接、著色、編輯、生產，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，很容易檢測出電網的安全狀態。

經過激光點云生成的三維模型，很容易找到電網零值點，方便巡檢人員檢測和維護，提高工作效率。

4 結語

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據，對空間三維數據進行處理，得到電網絕緣子的當前狀態。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端子測試中的可行性。

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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：電力系統自動化、輸電線路智能運維。