新型激光远程点云装置研究

2020-08-31刘世鸣沈志毅

机电信息 2020年17期

刘世鸣沈志毅

摘要：采用最新研制的多尺度相位差式激光点云装置，对电网铁塔上的绝缘端子进行了远程非接触式检测。利用测距激光对被测物体整体或局部进行从左到右的步进扫描，获取目标的空间三维数据，从而发现绝缘端子破损等缺陷，验证了多尺度相位差式激光点云装置在电网运维检测中的应用可行性，可以保障输电线路的运行安全性与稳定性。

关键词：输电线路;带电检测;远程检测;激光点云装置

0 引言

随着激光技术的不断发展，其在电网中的应用越来越广泛。国内多家研究机构已经成功研制出激光远程点云装置，该激光远程点云装置利用激光瞬间高能量、定向性、远距离传输等特点，可实现非接触式检测电网安全隐患，速度快，检测过程安全、稳定，精度高。传统的激光点云测距系统多是采用脉冲激光时间差或连续激光单一尺度相位差方式来测距。其中，脉冲激光时间差方式在200 m内的分辨率效果差，测量数据误差在米级;连续激光单一尺度相位差方式的激光能量低，有效距离短，测量误差大。为此，本文创新性地采用多尺度相位差测量技术，弥补了脉冲激光时间差和连续激光单一尺度相位差方式原理上的不足，并利用此技术研制点云装置实际测试了电网端子，结果表明达到了设计预期效果。

1 远程激光点云测距原理

1.1 单一尺度相位差测距原理

激光点云系统最核心的部分就是目标距离的获取，激光测距是整个系统原始数据获取的重要方法。本文采用多尺度相位差测量技术，因此在搜索目标清晰度和距离上非常具有优势。设定高频调制光的角频率为ω，待测距离LAB上往返一次产生的相位差为ψ+Δψ，则对应时间可以表示为：

式中，m表示往返距离LAB经历的整数个波长;Δm表示往返LAB经历的不足整数个波长的余量。

则待测距离可以表示为：

式中，λ表示波长;LS表示光尺。

测量精度可以表示为：

在电网的实际测量中，测量距离通常在1 000 m以内，因此光尺为1 000 m。根据式（5）可以算出测量精度为1 m。电网中很多物体非常小，1 m的精度根本无法识别出物体的详细情况，所以上述单一相位差方式测量无法满足电网实际需要。

1.2 多尺度相位差测距原理

基于1.1的分析，我们重新定义一个高频调制频率。

其在1 000 m以内的测量精度为：

根据式（7），我们可以看到测量精度达到分米级，完全符合电网常规用品的尺寸要求。基于实际应用需求，我们可以选取调制频率ω=15 kHz，ω1=150 MHz双调制相位差同时测量电网用物体的好坏。具体测量方式为：采用15 kHz的调制相位差作为粗测距离，采用150 MHz的调制相位差进行精细测量。可以定义双调制测试距离为：

1.3 三维测距的转换方式

上文1.1和1.2描述的都是平面测距方式，但在实际应用中，距离位置都是三维的，所以我们要将1.1和1.2的测距结果在三维坐标系中体现，如图1所示。

在直角坐标系XYZ中，P点为待测物体，距离原点O的长度为S，PO与Z轴夹角为θ，PO在XY平面的投影与X轴夹角为α，则P点在直角坐标系XYZ中可以表示为：

2 多尺度相位差式激光点云系统组成

多尺度相位差式激光点云技术是近些年来发展兴起的新测绘技术，通过测距激光对被测物体整体或局部进行从左到右的步进扫描，获取目标的空间三维数据，因此也被称为“实景复制技术”。激光远程点云装置主要由激光发射器、接收器、相位差解码器、马达控制可旋转的滤光镜、控制电路板、微电脑和软件等组成，如图2所示。

多尺度相位差式激光点云仪获取点位信息的原理是：激光发射器周期性地驱动激光二极管发射激光信号，由接收透镜接受目标表面后向反射信号，产生接收信号，利用相位解码器计算激光波长周期，最后由微电脑通过软件计算出采样点的空间距离，再由设备本身所记录的水平和竖直方向旋转角度，由空间三角关系计算出目标相对于仪器起算中心的空间位置。扫描仪操作模块原理如图3所示。

3 多尺度相位差式激光点云装置在电网端子上的实验测试

3.1 测试流程

激光点云扫描仪的使用主要分为3个步骤：前期勘察、布设扫描、数据处理。整个户外作业的测量流程如图4所示。

3.2 数据处理流程

数据处理是对扫描到的电网数据进行拼接、着色、编辑、生产、应用的一系列的操作过程。通过户外数据的获取，选择相应的处理和生产软件对点云数据进行编辑，同时，可以融合其他元素进行分析和应用。例如，将点云数据生成精确的模型，如果目标是不规则的曲面，我们可以选择Geomagic进行处理，如果目标是比较规则的平面，可以选择CAD等进行处理。初步生成模型后我们可采用CAD、3D max等进行优化处理，然后再进行分析应用;如果想进行震撼的渲染，可以使用Maya等软件进行处理。模型建立后，可以选择VR交互展示，也可以导入到ArcMap、ArcGIS中进行应用。数据处理整体流程如图5所示。

3.3 实验成像结果

选择户外常见的绝缘子线路进行检测，将激光点云扫描到的数据进行拼接、着色、编辑、生产，选择软件Geomagic进行处理，然后进行渲染，绝缘子三维模型效果如图6所示，最亮的地方表示绝缘子有破损，很容易检测出电网的安全状态。

经过激光点云生成的三维模型，很容易找到电网零值点，方便巡检人员检测和维护，提高工作效率。

4 结语

本文采用基于多尺度相位差式新型激光点云装置进行户外电网绝缘子测试，通过测距激光对被测物体整体或局部进行从左到右的步进扫描，获取目标的空间三维数据，对空间三维数据进行处理，得到电网绝缘子的当前状态。该绝缘子检测方法省时省力，整个检测过程对输电线路没有损伤，验证了多尺度相位差式新型激光点云装置在电网端子测试中的可行性。

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