机载光电吊舱在电力巡线中的应用研究

王景致，刘 刚，袁嘉彬

(国网通用航空有限公司，北京 102200)

架空电力线路在我国分布区域广，所处地形复杂多变。自然条件的变化通常会加速线路基础、杆塔和导地线等的老化，导致线路故障，威胁电网的稳定，并可能造成人员伤亡和财产损失。全国每年都要投入巨大的人力、物力和财力进行电力巡检工作，防止电力线路出现故障，及时排除电力生产安全隐患[1]。然而，受制于极端地形和天气，人工巡线不仅劳动强度大而且耗时长，无法保证及时地发现和处理线路问题。

为了解决上述问题，我国从20世纪80年代初开始尝试利用直升飞机对架空输电线路进行巡检和施工作业[2]。国家电力公司生产运营部于1997年策划开展直升机电力作业项目的研究，1998年3月下达项目计划，2002年华北电网有限公司率先正式将直升机巡线应用于电力巡线领域，内置了红外成像仪、可见光摄像机和电子系统的光电吊舱被用来进行输电线路的巡线工作。初期所使用的吊舱，依据用户需求进行加装，但几乎全部从国外进口。经过这几年的学习并借鉴国外的先进经验，我国的一些企业已经能够研发自己独立知识产权的光电吊舱，但与国际先进吊舱仍有差距，因而继续研究和优化光电吊舱在国民经济的各个方面具有重要意义。

1 机载光电吊舱输电线路巡线的优势

机载光电吊舱包括吊挂球形转塔和机上控制显示系统[3]。转塔主要包括载物平台、可见光摄像机、红外摄像机和电子控制回路。光电系统固定在稳定平台上，陀螺稳定平台通过反馈调节隔离直升机上的振动，使得光学系统能够对电力设施进行稳定成像、识别和判断，它为整个吊舱的光电系统提供了稳定的平台空间。机载光电吊舱因其集成的光学系统，能够实现目标物体的测量、光电制导侦查和目标的追踪等，因此其在军用、准军用和民用中应用广泛[4]。由于光电技术的发展，GPS定位、智能导航、高速数据采集处理、无线通信及电子控制都能够在吊舱中实现，而且操作简单，运行稳定可靠，且对恶劣环境的抵抗性强，巡检速度快。采用机载光电吊舱巡线与传统的巡线方式相比较，具有如下多方面的优势。

1)减小了劳动强度，提高了巡线效率。运用集成的光学系统，采集多方面图像数据。电力巡视全方位，降低了巡检遗漏率。巡检人员的人身安全也得到了保障，作业安全性得到了提高。

2)受气候条件的影响小。人工巡线在天气恶劣的情况下不能进行有效的巡检工作，而光电吊舱其光学系统和电子系统都密封于壳体内，对于如雨、风、雪等环境有一定的抵抗力，使电力巡线工作在相对恶劣的环境条件下仍能正常巡检。

3)受地理环境的影响小。架空电力线路通常会穿越人烟稀少的森林、江河和高原，还会遭到自然灾害的破坏。采用人工巡线方式无法在保障安全的情况下进行巡线工作，而光电吊舱能够利用非接触、低高空作业的优势完成巡线工作。

4)巡线速度快。直升机本身的速度远快于人工巡线方式，光电吊舱内置摄像系统会快速对线路杆塔、导地线和金具等元器件进行拍摄、识别，图像数据可快速回传或者进行实时处理，从而提高了巡线速度。

5)准确率高。采用图像识别和跟踪，架空输电线路中大部分的部件，尤其是重点部件，可以被准确地检测出缺陷。低空飞行也能够很好地检测线路中自然环境条件的改变(如超高树木、高楼房建筑)对线路安全的影响。

6)简化了巡线过程，降低了巡线复杂度。以往巡线工作前的繁杂准备得以简化，而使用集成程度高的光电吊舱只需要操作控制台，不需要携带和操作大量的仪器设备。

2 吊舱研究现状及趋势

机载光电吊舱是一个集光学、机械、电气于一体的复杂系统[5]。用户所需的稳定精度、传感器种类以及设备数量都对其结构形式有一定的影响。因此，根据用户需求的不同，吊舱的体积、质量以及整体的结构都会有所不同。随着吊舱市场需求的增加，光电吊舱技术也在迅猛发展，国内外都投入了大量的人力、财力和物力去研究新型的吊舱。

2.1 国外吊舱研究现状

吊舱研究起源于发达国家，为了精确的军事打击，研制了具有导航功能的光电吊舱。目前，这些国家已经掌握了吊舱研究的先进技术，在吊舱领域中处于领先地位。在现阶段中，吊舱技术已逐步向集成化和智能化的方向发展，应用领域也由军用向警用和民用拓展。

美国在海湾战争时期就使用多种机载光电吊舱，其中技术比较成熟、装备数量最多的是马丁马利埃塔公司制备的夜用低空导航和红外瞄准系统——LANTIRN[6]。这是一种吊舱系统，它能使攻击机在时速超过804.5 km的飞行中跟踪并击毁目标。该系统包括AN/AAQ—13导航吊舱和AN/AAQ—14瞄准吊舱。随后该公司研制出了LANTIRN的变型“探路者”和“神枪手”吊舱，分别用于导航和瞄准。在海湾战争中，英国将未经试验的热成像和电视成像机载激光指示器(TIALD)系统交付使用，它是由英国费兰蒂公司、CEC传感器有限公司和英国航空航天公司联合研制的成果。TIALD视场为+30°～-150°，直径为30.5 cm，长度为2.6 m，质量为150 kg。法国、瑞典也相继研发出了自己的光电吊舱。以色列通过与美国诺思罗普·格鲁曼公司的合作，研发了蓝盾系列LITENING I和LITENING II吊舱等。

近20年来，机载光电吊舱发展非常迅速，具有代表性的有：在OH—58D侦察直升机上安装的前世红外吊舱(FLIR)，它的光学设备集成在一个由复合材料制成的73 kg的球体内，整个球体放在旋翼桅顶之上，它为机内人员提供了开阔的视野，可在复杂和气象条件恶劣的环境下执行任务；在AH—64武装直升机装备的具有目标捕获与指示的TADS/PNVS吊舱，其前视红外运用先进的红外探测技术，能够高分辨地提供障碍物视野；以及能够允许飞行员夜间贴地飞行的意大利A—129吊舱、具有红外火探系统的英国Lynx—3吊舱和具有夜间导航能力的以色列Msis吊舱。随着社会发展，威胁世界和平安全的恐怖主义不断活动，世界各国也开始研究各种反恐措施。这样吊舱的应用便延伸到警用领域，为了更好地适应警用的要求，瑞典、美国和以色列相继推出全球先进的警用光电吊舱。瑞典POLYTECH公司WhiteStar 275Ⅰ执法监视系统，光电吊舱重13.5 kg，使用四轴光纤陀螺平台，采用可见光摄像机和红外热像仪对周围环境进行检测和识别。美国的FLIR公司机载吊舱系列，典型的如Ultra 7500、Ultra 8500和以色列飞机工业公司生产的“插入式光学有效负载”吊舱POP200在质量上与POLYTECH没有很大区别，只是在稳定平台和光学传感器上参数各有不同。

与此同时，光电吊舱也开始广泛应用于民用中，如环保监测和电力巡线。电力巡线中的光电吊舱很多是基于警用吊舱改造而来，根据用户的需求增加或减少探测器。目前，国内电力巡线吊舱更多的是依赖进口，如瑞典和美国。

2.2 国内吊舱研究现状

国内在吊舱领域起步较晚，因此在吊舱的研制技术上与发达国家仍存在不小的差距。目前，国内已经具备自主设计研制光电吊舱的实力[7]，生产厂家主要集中在光电研究所中，如洛阳电光设备研究所、中船重工717所、洛阳空空导弹研究院及北京618所。上述研究院中，除北京618所主要研究无人机上的小型吊舱外，其他都是大型的光电吊舱。各研究所的光电吊舱虽然主攻方向有所差别，但是基本上都能满足直升机电力巡线中机载吊舱的需求。随着光电技术的发展，国内也有少数企业在光电吊舱研制上取得了突破性的进展，如彼岸科仪有限公司和北航峰科装备技术有限公司。上述主流光电吊舱综合性能比较见表1～表3。

表1 国内吊舱研制情况1

表2 国内吊舱研制情况2

表3 国内吊舱研制情况3

2.3 吊舱发展趋势

未来吊舱的发展趋势包括如下几个方面。

1)吊舱结构体积和质量的微型化。随着微电子学和新型复合材料的发展，光电吊舱在未来的发展趋势是简化结构，减小质量。对于电力巡线来说，光电吊舱不是直升机自带的，是后期改装悬挂的，所以如果吊舱的质量过大，长期使用将会造成直升机变形，影响直升机的使用寿命。另外微电子学和新型复合材料的发展使得在进一步增加探测传感器数量的基础上，吊舱体积不会增大反而减小。

2)信息采集处理的实时化。在电力巡线工作中，使用新型的巡线技术虽然解决了很多因素对巡检技术的约束，但目前仍需将数据通过空地无线电通信设备或卫星通信设备传送到地面指挥控制中心，这样在巡检缺陷的判断上仍会有一定的滞后性；因而光电吊舱平台的数据采集、处理和分析需进一步提速。全面实现数据处理的实时性和缺陷诊断准确率，一方面需要进一步加大数据处理的吞吐量；另一方面要在图像采集前端将数据做部分处理，如图像滤波、识别锐化等。

3)探测传感器先进智能化。在电力巡线应用中，光电吊舱的性能最终取决于侦察设备和探测器的先进程度，如恶劣环境适应能力、探测精准度、有效范围和成像清晰度等，可见，光传感器技术不断地朝着高分辨率、小型化和智能化的方向发展，成像技术也越来越成熟。但是在红外成像技术上，存在一定的技术短板。红外成像技术昂贵的造价和高度的技术封锁，使得在巡线过程中不能进一步地提升准确率。

4)高速图像采集处理稳定化。使用直升机进行电力巡线时，飞机本身的震动将会对光电吊舱仪器设备产生重要的影响，所以在系统的设计中应充分克服机身震动，保证图像数据处理的稳定。目前，光电吊舱都采用机械或电子的防抖措施，这对巡线中直升机的飞行状态要求比较高，同时也约束了巡线工作的效率，所以进一步地稳定图像数据采集处理，是未来吊舱发展的必然要求。

5)光电吊舱系统功能模块化。近年来，随着光学、电子学和材料学的发展，光电系统的功能越来越强，在各个领域的应用也直线上升。光电吊舱作为军事、准军事和民用中广泛应用的侦查设备，功能也越来越多[8]。随着红外、雷达、测距仪、电子地图、智能导航及无线通信的引入，光电吊舱也亟需对这些功能进行灵活的配置，实现模块化。系统模块设计是将繁多的功能进行封装处理，使得系统能够应对多种需求，例如，能进行3种配置的以色列POP200，能够在FLIR+电视、FLIR+激光测距仪、FLIR+电视+激光指示器这种配置中选择，使得整个系统能够轻松地应对需求。系统功能的模块化，也使得电力巡线在工作中能够灵活应对突发情况，降低了成本。今后的机载光电系统将朝着功能综合化、体积小、质量小和小型化的方向发展。

3 机载光电吊舱关键技术和研究思路

3.1 机载光电吊舱关键技术

本文从电力巡线应用方面分析机载光电吊舱未来发展研究的关键技术。现阶段机载光电吊舱在电力巡线工作中的关键技术如下。

1)识别目标。通过可见光和红外技术，对电力设备进行归类识别，在巡线飞行中能够及时识别有效目标。

2)巡线跟踪。电力巡线是对电力线路的追踪巡检，在飞行过程中，通过光电系统将巡线目标始终保持在视场中心。

3)位置确定。使用GPS和电子导航地图，时刻记录飞行位置，同时标记电力巡线杆塔。能够保证巡线工作不出遗漏。

4)缺陷诊断。通过对光电系统传回的图像综合分析、判断识别，在巡检过程中确定杆塔等缺陷问题，供后续维护参考。

5)数据融合。通过建立数据库，保存各个巡检线路的数据；数据库同时可以存储各个缺陷描述和判断规则，能够快速通过图像来识别缺陷。数据库中存储的巡检数据还包括巡检时间、地点和人员等，方便巡检数据查询，为线路巡检提供更多数据信息。

3.2 机载光电吊舱研究思路

3.2.1 硬件设计

光电吊舱的硬件设计包括吊舱内部光学系统、陀螺稳定平台和电动机反馈控制等。这些设计都应按吊舱总体设计要求来做。针对不同用户需求，系统内部的硬件选型也会不同。从电力巡线角度来看，光学系统应具备高清成像和红外成像的能力，这些可以选择国内外比较成熟的产品，并进行整合和二次开发，在后续不断的改进中，应选择性能更好、更稳定的探测器件。对于陀螺稳定平台的设计，在实现吊舱防抖的同时，应控制体积和稳定精度，稳定平台的设计包括陀螺仪选型、平台结构设计和平台控制系统设计等，电动机控制在巡线过程中应保证对吊舱的俯仰和水平角度平滑控制。电动机反馈控制系统设计包括电动机选型、数据接口和固定结构设计。机上的操作平台与吊舱内部数据传输也需要稳定的通信接口。机上控制系统包含了微处理器软硬件设计、图像的显示、相机间的切换、时间地理位置显示和相机参数设置等部分。光电吊舱的整个系统是软硬件充分结合的具备侦查、分析和诊断功能的智能化平台。它的硬件设计在吊舱的发展中，将持续成为吊舱研究和开发的热点和难点。

3.2.2 软件设计

软件设计包括图像采集处理、目标识别跟踪、缺陷诊断显示和数据保存传输等。为了出色地完成巡线任务，下述功能缺一不可。

1)图像采集处理。吊舱的光电系统在图像数据采集处理上是同步实时的。使用高频率的处理器完成图像的并行采集，在数据转移存储过程中，实现对数据的初步处理，并在控制操作平台上清晰显示，同时为后续目标识别提供可靠的信息源。

2)目标识别跟踪。在电力巡线中，目标的识别包括两部分：一方面是在飞行过程中对电线的持续识别跟踪，防止出现遗漏；另一方面是对杆塔附近重要的零部件进行识别，基于各种ATR技术分类来选取需要观测的部件，并在巡检过程中不断关注和监测。目标识别后，系统经过Kalman滤波确定出跟踪位置，计算出误差，用以控制瞄准线对准目标，实现自动跟踪。

3)缺陷诊断显示。通过红外成像仪显示的温度图，参照可见光的成像，对比数据库中的缺陷模型，实时判断出杆塔等存在的缺陷问题。记录杆塔地理位置，在操作控制台界面上显示缺陷问题。依据实际巡检的情况，建立缺陷数据库，将采集的图像数据与数据库中的模型进行对比，从而准确诊断缺陷。

4)数据保存传输。检测器性能的提升必然会增加图像数据容量，因而在实际工作中，应及时将数据保存起来，并通过无线传输的方式传到地面的数据控制中心。应按照一定格式，将带有地理位置、缺陷等各种信息的图像数据打包储存在存储器里。

4 结语

巡线方式从常规的输电线路人工巡线方式到直升机巡线方式的转变，极大地提高了巡线效率，降低了巡线成本；同时也克服了很多自然因素对巡线工作的约束[9]。现阶段，随着直升机巡线技术的日益成熟，机载光电吊舱成为进一步改善巡线工作的重要一环。随着材料学、电子学和光学技术的发展，机载光电吊舱也随着技术改进向着微型化、智能化方向发展，这样使得光电吊舱的悬挂不局限于直升机，同样能悬挂在未来的无人机[10-11]上。无人机技术相比于直升机技术更加便捷，对场地人员要求更低，已经成为现阶段研究的热点和重点，随着技术的不断革新，无人机和光电吊舱的结合将会有更加广泛的应用。随着巡线技术的提高和巡检内容的丰富，光电吊舱在未来电力巡线行业中将继续发挥举足轻重的作用，光电吊舱技术仍是电力巡线中不可或缺的关键技术。

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