基于CCD 成像的便攜式光學遠程清障系統設計

呂艷霞，張首軍，吳志群，賈豐榕，趙子明

（國網黑龍江省電力有限公司鶴崗供電公司，黑龍江鶴崗 154101）

對于高處、深處、危險等人為無法清障的位置，常常積累很多障礙物。例如電網放入金屬絲通過桿塔被置于空中，風、風箏線、塑膠片、廣告布等漂浮的異物很容易吹落到裸露金屬線上，容易造成短路現象[1]。以往光學清障是利用激光傳感器輻照燃燒異物，并將雜質蒸發掉，從而與待清障物體分離，實現遠程清除，從而簡化了工作流程，提高了工作人員的安全性[2]。但是，目前的光學障礙清除方法很難掌握激光傳感器的光束輻照時間長度，也很容易導致激光傳感器和燃燒梁的異物輻照，而光束和激光傳感器將繼續照射，不僅造成浪費，甚至造成網面熔化[3]。采用低功率密度的激光清障技術，可實現補光、照明等功能；采用中等功率密度的激光清障技術，可通過其熱效應等作用，加速冰層融化和膠體凝固；采用高功率密度的激光清障技術，可使被照射物體燃燒、碳化、熔化，從而達到清障的目的。但是現在市場上的清障設備功能單一，攜帶不便，無法滿足使用要求。針對現有技術的不足，設計出了一種便攜式CCD 成像光學遠距離清障系統，可快速設定CCD 傳感器的發射功率和發散角度，攜帶方便。

1 系統硬件結構設計

基于CCD 成像技術，設計了一種便攜式遠距離清障系統[4-6]。內裝重箱小車上設有電池盒，電池裝在蓄電池盒內，重箱小車的前接觸頭設置有平/斜/平/斜，通過平移/傾斜翻蓋上端連接的CCD 傳感器發射器[7]。CCD 傳感器發射裝置具有一外殼，該外殼內裝有CCD 傳感器，傳感器的前端連接光學瞄準器[8]。

光學瞄準器包括靜態瞄準器和動態瞄準器，利用CCD 傳感雷達收集外來物體數據，并對其進行實時圖像處理，使工作人員能夠觀察物體在CCD 傳感光線下燃燒或蒸發的程度，從而確定CCD 傳感物體的照射時間。圖1 為系統硬件結構。

圖1 系統硬件結構

如圖1 所示，控制中心模塊通過通信模塊與智能設備通信，智能設備控制和連接攝像機[9]。在CCD傳感器清洗系統的同時，攝像機將目標圖像傳送給智能裝置，建立包含目標的視野，在自動跟蹤模塊收集到數據信息的外來對象后，通過控制中心模塊，實現對外來對象的自動跟蹤、自動清理功能，達到協同控制[10]。

1.1 CCD傳感器

CCD 傳感器是一種半導體器件，能夠將光學圖像轉換為信號形式，模擬電荷為載體，可得到真實圖像[11-12]。利用信號放大和模數轉換技術，將光信號轉換成數字信號，便于存儲和處理。該傳感器具有體積小、功耗低、抗沖擊振動、性能穩定、響應速度快等特點。圖2 為CCD 設備結構，包括輸入、傳輸和輸出3 個部分。

圖2 CCD傳感器結構

由圖2 可知，與以電流或電壓為信號的其他設備不同，CCD 以電荷為信號，其基本功能就是儲存和傳輸光或電刺激產生的信號電荷[13-14]。在固定時間內加載脈沖信號，能夠通過CCD 定向傳輸，為電荷產生、儲存、傳輸提供幫助[15]。

1.2 光譜采集子系統

利用CCD 測量物質吸收光譜的基本思想，是根據散射器件波長，在CCD 有效像素上分散單色光。隨著CCD 有效像素增加，色散器件色散能力增強，頻譜采集系統分辨率提高[16-19]。第一個光源使用了色散器(通常是光柵和其他單色裝置)，根據不同波長色散位置分散入射單色光。圖3 為TCD1208AP 光譜采集子系統。

圖3 TCD1208AP光譜采集子系統

1.3 LED驅動電路設計

發光二極管驅動電路的主要作用是提供對內窺鏡操作的照明，因為內窺鏡沒有光源，所以無法獲取真實圖像。為此，設置內窺鏡，保證接口上光源成為內窺鏡設計的必要照明條件。使用發光二極管，可將電流轉換為光能，采用大功率輸出方式，可滿足光源需求。圖4 為LED 驅動電路。

圖4 LED驅動電路

因為高功率LED 在工作時會釋放出大量的熱量，LED 需要焊接在鋁基板上，而鋁基板需要通過導熱潤滑脂與熱傳導器連接來實現導熱。發光二極管驅動電路的主要元件為LM2596S 開關穩壓器，可穩定輸出3 A 驅動電流，線性度好，負載調節特性好。

2 系統軟件部分設計

2.1 基于CCD成像電荷分析

攝像機內部由三晶片CCD 捕捉，相機內沒有使用彩色濾鏡，通過分光棱鏡的光信號可以得到紅、綠、藍3 種光。由3 個相同的光束采集的紅、綠、藍3 種光，分別被反射兩次，這種收集方法屬于完全收集和無損接收。就清晰度和色彩重現而言，它遠超單片成像系統，圖5 為三晶片CCD 成像原理圖。

圖5 三晶片CCD成像原理

每盤選擇1/3 英寸的單色CCD，體積小，適用于便攜設備。攝像機電路借助DSP 信號處理芯片，其由3 個單色CCD 連接，通過這3 個單色運算，能夠得到彩色輸出圖像。

輸入部分主要負責將光/電注入信號電荷存儲到CCD 轉移柵中，電荷注入計算公式如式（1）所示：

式（1）中，η表示量子效率；q表示電荷量；Neo表示光子流速；S表示光敏受光面積；tc表示光注入時間。通過改變這些參量，可以將注入的信號依次轉移。

2.2 CCD驅動脈沖產生流程

圖6 為線陣CCD 驅動脈沖產生流程。

圖6 線陣CCD驅動脈沖產生流程

由圖6 可知，由CPLD 產生l0 MHz 時鐘，根據其產生的脈沖信號，設定寄存器作用域。重新設置1 MHz 脈沖頻率，即使CCD 受到整控脈沖頻率影響，但傳送門脈沖頻率也不低于0.5 MHz。線陣CCD的每一個輸出像素時間為1 μs，其輸出頻率與驅動脈沖輸出頻率始終一致，都是450 Hz。

2.3 清障流程設計

依據上述內容，設置清障流程，如下所示：

step1：使用時先將LHW-3A 便攜式CCD 傳感器清洗裝置放在適當位置，打開設備盒，取出CCD 傳感器清洗裝置；

step2：上鎖前自鎖輪，打開電池盒，檢查電池電量等參數，保持工作狀態，確保沒有問題；

step3：將云臺側臥垂直狀態從水平位置移至垂直位置，并固定4 個扣子，連接5HDM 數據電纜的遙控器CCD 傳感器清潔儀表，與CCD 傳感器連接；

step4：打開自動調焦裝置，打開急停開關，提示CCD 傳感器工作指示燈亮(能聽到冷卻風扇的聲音)；

step5：遠程控制CCD 感應器，開機或關機時，清潔器顯示能力隨屏幕閃爍，左有紅綠燈，右有信息欄，選擇適當的速度，運行云臺接近目標方向，觀察遙控，調整目標顯示；

step6：如果顯示對象不太明顯，利用CCD 傳感器變焦調整按鈕可對焦距調整，確定兩點為CCD 傳感器的切削起點，并作為預置位置；

step7：CCD 感應器的切削速度取決于目標材料，對CCD 傳感器的切割，可隨意切換CCD 傳感器的切割方式；

step8：遇有緊急情況，按緊急停止開關。在消除危險之后，打開緊急停止開關繼續工作，直到障礙物被清除。

3 實 驗

在Altium Designer summer09PCB 版圖下，對基于CCD 成像的便攜式光學遠程清障系統設計的合理性，進行實驗驗證分析。

3.1 實驗環境

清障儀向地面發射激光燒斷樹枝，傳輸室的運營和維護部門為國家電網襄陽供電公司，其利用無人駕駛飛機三維建模實現了數字樹障自動檢測，發現在110 千伏順桃線#016-017 線下大約有300 棵樹障，如圖7 所示。

圖7 樹枝障礙

離線地形復雜，為提高清障效率，操作者利用激光清障裝置遠程清除工作人員難以觸及的障礙物。

3.2 實驗結果與分析

分別使用低功率密度激光清障技術、中等功率密度激光清障技術、高等功率密度激光清障技術和基于CCD 成像清障技術，對清障效果對比分析，結果如圖8 所示。

圖8 不同技術清障效果對比分析

由圖8 可知，使用低功率密度激光清障技術、中等功率密度激光清障技術、高等功率密度激光清障技術隨著時間增加，清障數目不同，但都無法達到300 棵故障電線都被清除的預期效果。而使用基于CCD 成像清障技術可達到300 棵樹障都被清除的預期目的，由此可知，使用該系統具有良好的清障效果。

4 結束語

該文設計的基于CCD 成像的便攜式光學遠程清障系統，可對光波段光譜分析，并保證光信號順利注入轉移柵中。由實驗結果可知，所設計的系統具有高效清障效果。

受時間和條件的限制，對光譜采集系統的設計原則僅作了初步探討，取得的效果與實際應用尚有一定差距。為使便攜式清障系統在實際中得到應用，認為有以下幾個方面需要改進：

1）通過使用現在流行的光纖探針，將單色光引入光譜系統，設計了一套完整的光譜曲線測量系統。

2）微處理器具有可定制的操作系統，這個系列處理器屬于ARMCortex-M3 系列，它是一個單片機和嵌入式處理器，無需PC 上的軟件就可以實現更為精確的光譜曲線繪制。

3）采用16 比特、24 比特等高轉換比特的模數轉換設備，可提高光譜數據轉換精度，減少數據量化誤差。