基于CCD 成像的便携式光学远程清障系统设计

吕艳霞，张首军，吴志群，贾丰榕，赵子明

（国网黑龙江省电力有限公司鹤岗供电公司，黑龙江鹤岗 154101）

对于高处、深处、危险等人为无法清障的位置，常常积累很多障碍物。例如电网放入金属丝通过杆塔被置于空中，风、风筝线、塑胶片、广告布等漂浮的异物很容易吹落到裸露金属线上，容易造成短路现象[1]。以往光学清障是利用激光传感器辐照燃烧异物，并将杂质蒸发掉，从而与待清障物体分离，实现远程清除，从而简化了工作流程，提高了工作人员的安全性[2]。但是，目前的光学障碍清除方法很难掌握激光传感器的光束辐照时间长度，也很容易导致激光传感器和燃烧梁的异物辐照，而光束和激光传感器将继续照射，不仅造成浪费，甚至造成网面熔化[3]。采用低功率密度的激光清障技术，可实现补光、照明等功能；采用中等功率密度的激光清障技术，可通过其热效应等作用，加速冰层融化和胶体凝固；采用高功率密度的激光清障技术，可使被照射物体燃烧、碳化、熔化，从而达到清障的目的。但是现在市场上的清障设备功能单一，携带不便，无法满足使用要求。针对现有技术的不足，设计出了一种便携式CCD 成像光学远距离清障系统，可快速设定CCD 传感器的发射功率和发散角度，携带方便。

1 系统硬件结构设计

基于CCD 成像技术，设计了一种便携式远距离清障系统[4-6]。内装重箱小车上设有电池盒，电池装在蓄电池盒内，重箱小车的前接触头设置有平/斜/平/斜，通过平移/倾斜翻盖上端连接的CCD 传感器发射器[7]。CCD 传感器发射装置具有一外壳，该外壳内装有CCD 传感器，传感器的前端连接光学瞄准器[8]。

光学瞄准器包括静态瞄准器和动态瞄准器，利用CCD 传感雷达收集外来物体数据，并对其进行实时图像处理，使工作人员能够观察物体在CCD 传感光线下燃烧或蒸发的程度，从而确定CCD 传感物体的照射时间。图1 为系统硬件结构。

图1 系统硬件结构

如图1 所示，控制中心模块通过通信模块与智能设备通信，智能设备控制和连接摄像机[9]。在CCD传感器清洗系统的同时，摄像机将目标图像传送给智能装置，建立包含目标的视野，在自动跟踪模块收集到数据信息的外来对象后，通过控制中心模块，实现对外来对象的自动跟踪、自动清理功能，达到协同控制[10]。

1.1 CCD传感器

CCD 传感器是一种半导体器件，能够将光学图像转换为信号形式，模拟电荷为载体，可得到真实图像[11-12]。利用信号放大和模数转换技术，将光信号转换成数字信号，便于存储和处理。该传感器具有体积小、功耗低、抗冲击振动、性能稳定、响应速度快等特点。图2 为CCD 设备结构，包括输入、传输和输出3 个部分。

图2 CCD传感器结构

由图2 可知，与以电流或电压为信号的其他设备不同，CCD 以电荷为信号，其基本功能就是储存和传输光或电刺激产生的信号电荷[13-14]。在固定时间内加载脉冲信号，能够通过CCD 定向传输，为电荷产生、储存、传输提供帮助[15]。

1.2 光谱采集子系统

利用CCD 测量物质吸收光谱的基本思想，是根据散射器件波长，在CCD 有效像素上分散单色光。随着CCD 有效像素增加，色散器件色散能力增强，频谱采集系统分辨率提高[16-19]。第一个光源使用了色散器(通常是光栅和其他单色装置)，根据不同波长色散位置分散入射单色光。图3 为TCD1208AP 光谱采集子系统。

图3 TCD1208AP光谱采集子系统

1.3 LED驱动电路设计

发光二极管驱动电路的主要作用是提供对内窥镜操作的照明，因为内窥镜没有光源，所以无法获取真实图像。为此，设置内窥镜，保证接口上光源成为内窥镜设计的必要照明条件。使用发光二极管，可将电流转换为光能，采用大功率输出方式，可满足光源需求。图4 为LED 驱动电路。

图4 LED驱动电路

因为高功率LED 在工作时会释放出大量的热量，LED 需要焊接在铝基板上，而铝基板需要通过导热润滑脂与热传导器连接来实现导热。发光二极管驱动电路的主要元件为LM2596S 开关稳压器，可稳定输出3 A 驱动电流，线性度好，负载调节特性好。

2 系统软件部分设计

2.1 基于CCD成像电荷分析

摄像机内部由三晶片CCD 捕捉，相机内没有使用彩色滤镜，通过分光棱镜的光信号可以得到红、绿、蓝3 种光。由3 个相同的光束采集的红、绿、蓝3 种光，分别被反射两次，这种收集方法属于完全收集和无损接收。就清晰度和色彩重现而言，它远超单片成像系统，图5 为三晶片CCD 成像原理图。

图5 三晶片CCD成像原理

每盘选择1/3 英寸的单色CCD，体积小，适用于便携设备。摄像机电路借助DSP 信号处理芯片，其由3 个单色CCD 连接，通过这3 个单色运算，能够得到彩色输出图像。

输入部分主要负责将光/电注入信号电荷存储到CCD 转移栅中，电荷注入计算公式如式（1）所示：

式（1）中，η表示量子效率；q表示电荷量；Neo表示光子流速；S表示光敏受光面积；tc表示光注入时间。通过改变这些参量，可以将注入的信号依次转移。

2.2 CCD驱动脉冲产生流程

图6 为线阵CCD 驱动脉冲产生流程。

图6 线阵CCD驱动脉冲产生流程

由图6 可知，由CPLD 产生l0 MHz 时钟，根据其产生的脉冲信号，设定寄存器作用域。重新设置1 MHz 脉冲频率，即使CCD 受到整控脉冲频率影响，但传送门脉冲频率也不低于0.5 MHz。线阵CCD的每一个输出像素时间为1 μs，其输出频率与驱动脉冲输出频率始终一致，都是450 Hz。

2.3 清障流程设计

依据上述内容，设置清障流程，如下所示：

step1：使用时先将LHW-3A 便携式CCD 传感器清洗装置放在适当位置，打开设备盒，取出CCD 传感器清洗装置；

step2：上锁前自锁轮，打开电池盒，检查电池电量等参数，保持工作状态，确保没有问题；

step3：将云台侧卧垂直状态从水平位置移至垂直位置，并固定4 个扣子，连接5HDM 数据电缆的遥控器CCD 传感器清洁仪表，与CCD 传感器连接；

step4：打开自动调焦装置，打开急停开关，提示CCD 传感器工作指示灯亮(能听到冷却风扇的声音)；

step5：远程控制CCD 感应器，开机或关机时，清洁器显示能力随屏幕闪烁，左有红绿灯，右有信息栏，选择适当的速度，运行云台接近目标方向，观察遥控，调整目标显示；

step6：如果显示对象不太明显，利用CCD 传感器变焦调整按钮可对焦距调整，确定两点为CCD 传感器的切削起点，并作为预置位置；

step7：CCD 感应器的切削速度取决于目标材料，对CCD 传感器的切割，可随意切换CCD 传感器的切割方式；

step8：遇有紧急情况，按紧急停止开关。在消除危险之后，打开紧急停止开关继续工作，直到障碍物被清除。

3 实 验

在Altium Designer summer09PCB 版图下，对基于CCD 成像的便携式光学远程清障系统设计的合理性，进行实验验证分析。

3.1 实验环境

清障仪向地面发射激光烧断树枝，传输室的运营和维护部门为国家电网襄阳供电公司，其利用无人驾驶飞机三维建模实现了数字树障自动检测，发现在110 千伏顺桃线#016-017 线下大约有300 棵树障，如图7 所示。

图7 树枝障碍

离线地形复杂，为提高清障效率，操作者利用激光清障装置远程清除工作人员难以触及的障碍物。

3.2 实验结果与分析

分别使用低功率密度激光清障技术、中等功率密度激光清障技术、高等功率密度激光清障技术和基于CCD 成像清障技术，对清障效果对比分析，结果如图8 所示。

图8 不同技术清障效果对比分析

由图8 可知，使用低功率密度激光清障技术、中等功率密度激光清障技术、高等功率密度激光清障技术随着时间增加，清障数目不同，但都无法达到300 棵故障电线都被清除的预期效果。而使用基于CCD 成像清障技术可达到300 棵树障都被清除的预期目的，由此可知，使用该系统具有良好的清障效果。

4 结束语

该文设计的基于CCD 成像的便携式光学远程清障系统，可对光波段光谱分析，并保证光信号顺利注入转移栅中。由实验结果可知，所设计的系统具有高效清障效果。

受时间和条件的限制，对光谱采集系统的设计原则仅作了初步探讨，取得的效果与实际应用尚有一定差距。为使便携式清障系统在实际中得到应用，认为有以下几个方面需要改进：

1）通过使用现在流行的光纤探针，将单色光引入光谱系统，设计了一套完整的光谱曲线测量系统。

2）微处理器具有可定制的操作系统，这个系列处理器属于ARMCortex-M3 系列，它是一个单片机和嵌入式处理器，无需PC 上的软件就可以实现更为精确的光谱曲线绘制。

3）采用16 比特、24 比特等高转换比特的模数转换设备，可提高光谱数据转换精度，减少数据量化误差。