基于X波段雷达测距的吊车防撞高压线监测系统

王国辉

（广州供电局有限公司输电管理所，广东广州，510310）

0 引言

近年来由于起重机在施工作业中超越高压线警戒区而引发的触电事故频发。因此，为防止高空施工机械引起跳闸事故，研究出一套先进可靠的技术来避免此类事故的发生迫在眉睫。目前已有的起重机防碰撞装置大多基于近电感应技术和超声波检测技术。文献1和文献2提出了基于近电感应技术的高压线检测系统，虽然该系统可以实现全方位检测，但检测范围小，检测不稳定，无法满足大型高空施工设备的安全施工要求；文献3涉及了基于超声波测距的线缆检测，由于目标物细小，声波回波信号极弱。即便采用文献4合文献5中提出的改进方案——多方位多个超声波探测器，也不能实现线缆的精准识别。由此可见，基于超声波检测技术的防撞装置无法对较小目标做出预警。特别是高压线这样细小的危险目标，几乎不能提供有效信号输出。

本文研究一种基于X波段雷达测距的高压现场施工安全距离报警技术。它装在施工机械的顶部以及与线路等高的位置上，在施工设备靠近带电的导线时，达到有可能威胁安全时给予预警提示，如图1。这种设备报警可靠、安装简单、拆卸容易，不需要附加其他附属设施，不影响施工操作，采用无线通讯方式传递信息，向现场操作人员、监护人员等持续地传送实时距离信息，并具有良好的声光和语音警示功能，使在最大程度上避免事故发生。

图1 起重机检测系统安装图

1 系统功能和指标要求

一套具备丰富功能，且可以在实际中应用的吊车防撞高压线监测系统必须有较高的性能要求。本文针对实际应用，设计并拟定了防撞系统的功能和所需的参数。

1.1 监测系统功能

1）当施工设备在有高压线的区域作业时，操作员首先给操作室内的无线接收系统和视频监测系统上电，然后通过操作室内的遥控开关给安装在吊臂前端的雷达监测系统和无线数传发送系统上电。各系统上电正常工作后，操作室内相应的绿色指示灯亮。

2）操作员选择告警距离值档位，共有4、6、8米三档可供选择，分别对应110、220、500千伏的高压线。

3）雷达监测系统正常工作后，安装在吊臂前端的前方、左方、右方、上方4个面上的4组天线发射雷达信号，该雷达波遇到高压线后被高压线反射，当与之配对的接收天线接收到回波信号后，送进雷达监测系统的信号处理模块进行处理并得到高压线的距离信息。

4）当检测到的高压线距离大于10米时，雷达监测系统向无线数传系统送出“安全”信息，起重机上的无线发送系统向操作室的无线接收系统发送“安全”信息，并在操作室的显示屏上输出“安全区”字样。

5）当检测到的距离小于10米时，雷达监测系统向无线发送系统送出距离信息，无线发送系统再向接收系统发送该距离信息，并在操作室的显示屏上输出相应的距离值。

6）当雷达监测系统得到的距离值达到所选告警距离值时，起重机臂上的无线发送系统向操作室的无线接收系统发送报警信息，启动操作间的声光报警系统（红色LED灯闪烁及蜂鸣器报警声）和视频监测系统（左、右两个高清摄像头），并将报警信息进行存储备查；同时系统向附近的安全监督员发送报警信息。

7）当起重机臂进入安全区后警报自动解除。

1.2 指标要求

1）测距范围：1～10米，精度±1.5%（最大量程）；

2）测试目标：高压线，直径30mm；

3）测试方位角：10度；

4）告警：距离小于告警值（4、6、8米）时，用无线通信方式通知操作室，并以声光方式发出告警信号，启动监控系统，通知安全监督员；

5）供电方式：锂电池；

6）连续工作时间：不小于8小时。

2 理论计算确定系统关键指标

由于测距范围要求为1m～10m，精度要求为0.15m。根据线性调频测距原理：

当设定线性调频斜率K为 ，信号带宽为200MHz时，线性调频的重复频率就为50KHz，要保证测距距离，中频应该设为70KHz～700KHz，频率精度为10KHz，这样就很好的保证了测量距离及测量精度。同时，由于中频最大为700KHz，采样速率就需要设置为2MHz。

因为高2压线的直径为30mm，可以近似将其等效为雷达截面为0.01m的目标。我们在起重车吊臂的前端的上，前，左，右4个面分别安装1个发射天线和1个接收天线，天线的方位角为60度，大于指标要求的10度，这样就能全方位无死角覆盖需要探测的区域，根据天线的增益经验公式：

可得Pr=-86.5dBm。根据噪声功率Ni=kBTA，近似可得接收机的输入噪声功率Ni=-115dBm。即输入信噪比28dB。再通过分析雷达系统的接收机链路，根据级联的噪声系数公式

经过以上系统指标的分析，系统关键指标设置如下：

天线增益：8dB

发射功率：25dBm

接收机噪声系数: <3dB

中频：70KHz～700KHz

频率步进：10KHz

线性调频斜率：

发射机信号带宽：200MHz

重复频率：50kHz

采样速率：2MHz

3 系统方案设计与论证

3.1 雷达和信号处理系统

雷达系统采用线性调频连续波测距的方式进行距离测量，并用脉冲编码调制的方式给出距离信号，当距离小于定值时，发射预置的指令，启动相应的控制程序。系统框图如下图所示：

图2 X波段雷达测距系统框图

雷达系统的核心在于线性调频源的设计。线性调频源采用100MHz的晶振经过9倍频后的信号驱动DDS输出一个33.3MHz～100MHz的线性调频连续波信号作为鉴相器的参考频率。同时该900MHz的信号，经过放大后，与输出信号进行取样混频，通过低通滤波器，得到的中频信号经过3分频后与DDS提供的参考信号进行鉴相，当它们相等时，输出频率锁定在9.1GHz～9.3GHz。输出信号经过功放放大后由天线辐射，电磁波在空间遇到障碍物后返回，回波经接收天线、低噪声放大器、带通滤波器等后，和t1时刻发射信号的副本进行混频，得出差频，再通过低通滤波器抑制本振和射频的泄漏信号，然后通过一个带通滤波器滤除中频之外的干扰信号。中频信号经过AGC的放大，进行模数转换，最后由信号处理模块进行信号处理，获得距离。当距离小于预设值时，信号处理模块将获得的距离信息以二进制数形式通过SPI接口发送给无线数据传输模块，无线数据发射模块将这组二进制数发送给无线数据接收模块，并每隔1秒更新1次距离信息。

3.2 辅助系统的设计

3.2.1 无线通信和声光告警系统

通信数据采用二进制码格式：共8个字节，第一个字节表示指令，后面7个字节表示数据。

当无线接收模块接收到发射模块发送来的二进制码，通过单片机的处理，获取指令和距离数据，并且将二进制转换成十进制，进行距离安全判定，并每隔1秒更新1次距离信息。同时对原始数据进行存储。当判定为危险距离时，GPRS模块发送一条提示短信到安全监督员手机上，提示安全员就位，如下图所示。

图4 视频监控系统框图

3.2.2 视频监控系统

监控摄象机安装于吊臂底部两侧，视场角覆盖以吊臂为中心参照物左右各10米（可自动调焦）的区域。当告警系统的红色LED灯闪烁，同时蜂鸣器持续告警时，操作人员需要紧急制动，打开视频监控系统，此时监控摄像机将拍摄到的施工现场视频图像显示在安放在操作员前方的两路车载显示器上，操作员可以根据视频，采取相应措施，这样才能使警报声停止，通过视频对高压线的位置加以确认，调整好施工位置后才能继续施工，如下图所示。

4 系统评价与总结

对比其他的测距技术，X波段雷达测距具有识别能力强和距离分别能力强的优点。能够识别高压线这样的小目标，回波检测测距的方法也保证了足够高的测距精度。

另外，本文提出的吊车防撞系统与其他研究的不同还在于采用X波段雷达测距技术实现施工周围的高压输电线进行测距，并通过无线通信方式传至操作室进行数码显示。当进入危险距离范围内时，自动启动声光报警系统和视频监测系统，并将报警信息进行存储备查；同时系统向附近的安全监督员发送报警信息。这一报警系统集雷达测距、无线通信、数码显示以及声光报警等技术之大成，完全解决已有各种电气距离报警装置存在的误报、拒报等各种不可靠问题。

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[2]河南省电力公司洛阳供电公司.一种高压电力设备非接触智能预警的方法及预警系统.中国专利：201110406037.

[3]Strakowski M R,Kosmowski B B,Kowalik Ret al.An ultrasonic obstacle detector based on phase beamforming principles[J].Sensors Journal,IEEE,2006, 6(1):179-186.

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[5]吕强.变电站带电设备安全距离监控报警系统[J].科技创业家,2013,(05):129.

[6]变电站带电设备安全距离监控报警系统:河南,CN201788571U[P].2011-04-06

[7]张霄蕾,高明,刘振海,秦松林.防止吊车触碰高压输电线的报警装置研制[J].华东电力,2011,(07):1201-1202.