直升機(jī)高壓線防撞處理研究綜述

□ 中國民用航空飛行學(xué)院飛行技術(shù)學(xué)院 肖艷平 潘建 黃波/文

直升機(jī)自誕生以來以其獨(dú)特的飛行能力和氣動(dòng)特性受到軍民航各領(lǐng)域的熱愛，比如低空復(fù)雜環(huán)境飛行、垂直起降和空中懸停等。然而，正是由于直升機(jī)具備其他飛行器所不具有的特點(diǎn)，經(jīng)常需要在低空復(fù)雜環(huán)境中完成一些特殊的任務(wù)，給飛行安全帶來極大的挑戰(zhàn)。在低空復(fù)雜環(huán)境中障礙物包括山丘、樹木、電線桿、高壓線以及樓房等，高壓線因其體積小，復(fù)雜環(huán)境下難以被肉眼識(shí)別等被視為對直升機(jī)飛行安全影響的首要因素。直升機(jī)由于撞擊高壓電纜線損失的數(shù)量已經(jīng)超過在戰(zhàn)場上損失的數(shù)量。根據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，在1000小時(shí)的飛行時(shí)間里，直升機(jī)事故發(fā)生次數(shù)大約為10次，事故率遠(yuǎn)高于固定翼飛機(jī)。其中，由于直升機(jī)低空復(fù)雜環(huán)境飛行與障礙物相撞占事故比重的35%。2015年，直升機(jī)在全世界的事故次數(shù)為507次，引起死亡人數(shù)464人。在中國，通航委對外宣稱，2015年1月到7月，直升機(jī)事故就有6起，其中3起事故是與高壓線有關(guān)。因此，直升機(jī)的高壓線防撞處理研究是非常有意義的。

直升機(jī)防撞方法

最初，美國軍方提出使用夜視鏡、圖像增強(qiáng)儀作為直升機(jī)高壓電纜線防撞的一種手段，但是由于受到天氣狀況（降雨、沙塵暴、煙霧等）、作用距離等因素的限制，不能提供較長的預(yù)警時(shí)間，很快便被淘汰了。電纜切割器（WSPS）是早期作為直升機(jī)防撞高壓電纜線的有效手段，極大地降低了直升機(jī)與電纜線碰撞后發(fā)生損壞的風(fēng)險(xiǎn)。但是WSPS只能作為應(yīng)急時(shí)期的被動(dòng)措施，并不能從根本上避免直升機(jī)與高壓線的相撞問題。如若要起到切割作用，直升機(jī)的飛行速度必須大于30節(jié)，并且需要以大于60°的角度撞線，否則可能無法切割高壓線。

隨著直升機(jī)防撞設(shè)備不斷更新，1980年電磁場探測器的構(gòu)想被提出，這種利用電磁場的強(qiáng)度和方向來提取距離和方向信息的儀器，質(zhì)量輕、造價(jià)低，但若高壓電纜線并未在電力輸送期間，電磁場探測器的作用微乎其微，所以它的適用范圍被極大的限制了。直升機(jī)高壓線防撞設(shè)備還有飛行報(bào)警系統(tǒng)（FLARM），它是以全球定位系統(tǒng)為基礎(chǔ)的現(xiàn)有機(jī)載系統(tǒng)，它會(huì)對所存儲(chǔ)的區(qū)域內(nèi)的障礙物（比如：高壓線、天線等）進(jìn)行比較，能夠?qū)o止的障礙物提供聽覺和視覺報(bào)警。

近年來，陳國君、安妮等人提出了基于紅外技術(shù)的機(jī)載高壓電纜線防撞線裝置，設(shè)計(jì)了一種機(jī)載高壓線躲避障礙物算法，利用紅外成像技術(shù)結(jié)合數(shù)字圖像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對高壓電纜線的提取與識(shí)別，從而能有效地避免直升機(jī)撞擊高壓電纜線?？傊鄙龣C(jī)載防撞方法的發(fā)展呈多元化發(fā)展趨勢，給直升機(jī)避免撞擊高壓線帶來越來越多的幫助。

直升機(jī)機(jī)載防撞雷達(dá)

高壓線有很多種探測方法，目前直升機(jī)上高壓線探測設(shè)備主要是激光防撞雷達(dá)與毫米波防撞雷達(dá)。激光防撞雷達(dá)精度高、顯示畫面直觀、探測能力強(qiáng)，但是技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)大、成本高、在白天工作時(shí)其系統(tǒng)性能會(huì)被太陽射線干擾，并且不能穿透煙霧和沙塵。毫米波防撞雷達(dá)全天候能力強(qiáng)、掃描視場大、抗地波能力強(qiáng)并且能在煙霧、沙塵和雨雪等狀況下工作，對高壓線能有效地實(shí)現(xiàn)高掃描率和高分辨率，但相較激光防撞雷達(dá)，其角分辨率和探測能力等優(yōu)勢不明顯。

（一）激光防撞雷達(dá)

機(jī)載激光雷達(dá)結(jié)合了高精度動(dòng)態(tài)DGPS技術(shù)、姿態(tài)測量技術(shù)與激光測距技術(shù)等，能夠獲得精確的物體三維坐標(biāo)和高分辨率的數(shù)字地理模型。相關(guān)研究表明，直升機(jī)載激光雷達(dá)探測高壓線時(shí)主要為以下兩點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)：一是需要準(zhǔn)確地識(shí)別與模擬出高壓線；二是能夠高效地處理大量數(shù)據(jù)。

從機(jī)載設(shè)備方面，為了準(zhǔn)確地識(shí)別出高壓線，安妮針對高壓線的特點(diǎn)，在基于局部自適應(yīng)閾值分割算法的條件下，采用數(shù)字圖像處理技術(shù)與灰度圖像特性，降低了圖像處理難度。但是，識(shí)別高壓線不僅僅要求機(jī)載設(shè)備卓越的性能，對于飛行員的識(shí)別能力同樣具有相當(dāng)高的要求。在直升機(jī)進(jìn)行爬升或者轉(zhuǎn)彎時(shí)，在激光雷達(dá)探視場內(nèi)引入相應(yīng)的俯仰角與側(cè)滾角時(shí)，飛行員對翻轉(zhuǎn)變形的探測圖像難以快速讀取。對此，張清源、李麗等人設(shè)計(jì)出一種激光雷達(dá)綜合信息處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)改進(jìn)了人機(jī)界面，有效地修正了機(jī)動(dòng)條件下探測的數(shù)據(jù)、快速提取出高細(xì)微目標(biāo)，解決了飛行員難以高效地解讀探測信息的難題。

激光雷達(dá)在發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)與信息處理過程中會(huì)產(chǎn)生大量的干擾信息，容易產(chǎn)生冗余數(shù)據(jù)，對激光雷達(dá)識(shí)別能力有一定影響，但是對其數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后能大大優(yōu)化。于是對于高壓線識(shí)別的過程中，湯春俊、許劍等人設(shè)計(jì)出一種激光防撞雷達(dá)對高壓線交跨距離的自動(dòng)檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)對掃描頻率進(jìn)行了優(yōu)化，同時(shí)采用了數(shù)據(jù)預(yù)處理的方法。對該系統(tǒng)驗(yàn)證表明，該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性均符合相關(guān)設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，激光防撞雷達(dá)的每一幅障礙物圖像的數(shù)據(jù)量也十分巨大，并且校正處理的算法較復(fù)雜。于是王蔚然、潘曉強(qiáng)等人提出了縮略修正法，解決了實(shí)時(shí)獲取目標(biāo)信息與修正運(yùn)算之間的矛盾。

（二）毫米波防撞雷達(dá)

毫米波防撞雷達(dá)的關(guān)鍵技術(shù)主要集中在對于高壓線的檢測與識(shí)別，其中最為重要的是研究高壓線電磁散性。然而，大多數(shù)研究會(huì)把高壓線近似等于同型號(hào)圓柱體，但是張瑞、魏璽章等人根據(jù)毫米波段高壓線的R C S分析了電磁散性，確定該理論不適用于毫米波雷達(dá)，因?yàn)閬G失了大量有效信息，影響了毫米波雷達(dá)監(jiān)測與識(shí)別的性能。同時(shí)，在對高壓線的電磁散射特征理論分析的基礎(chǔ)上，葛貴勛利用了脈沖積累技術(shù)提高了高壓線回波的信噪比，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的機(jī)載毫米波雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)。

衛(wèi)青春、楊曉亮等人對高壓線分別以靜態(tài)與動(dòng)態(tài)的處理方法進(jìn)行了研究。靜態(tài)檢測試驗(yàn)表明，高壓電纜線的布喇咯散射效應(yīng)和其輸電鐵塔的強(qiáng)回波特征，是檢測高壓線存在的重要信號(hào)，能夠作為檢測高壓線的依據(jù)；同時(shí)，在動(dòng)態(tài)檢測試驗(yàn)中，通過有效探測布喇咯散射回波峰和輸電鐵塔的強(qiáng)回波，經(jīng)過增強(qiáng)目標(biāo)散射中心、坐標(biāo)變換運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、多幀積累和霍夫變換提取直線，進(jìn)而檢測到高壓線。但是，由于布喇咯效應(yīng)作用距離短，雷達(dá)照射角度有限，張明、唐堯等人提出用計(jì)算機(jī)視覺處理方法處理對高壓鐵塔識(shí)別以及高壓線的走向，并且根據(jù)馬爾科夫隨機(jī)場的領(lǐng)域處理解決了在地面雜波干擾情況下提取高壓線的難題。

障礙物標(biāo)識(shí)

對直升機(jī)低空作業(yè)的障礙物（高壓線）進(jìn)行標(biāo)識(shí)，也有利于提高直升機(jī)低空飛行的安全水平。對于超過地面200 f t的任何物體（包括其附屬零件），不論是臨時(shí)還是永久構(gòu)建物，都應(yīng)進(jìn)行標(biāo)識(shí)。在對障礙物標(biāo)識(shí)中，球形標(biāo)志主要用于提示飛行員架空地線與飛機(jī)的相對位置，避免發(fā)生飛機(jī)撞線事故。國家能源局對直升機(jī)電力巡視作業(yè)規(guī)定球形標(biāo)志的直徑應(yīng)不小于40 c m，顏色要求為紅色。球形標(biāo)志應(yīng)安裝在地線上，且兩根地線都要安裝，間隔為120～150 m。這樣，在飛行員低空目視飛行時(shí)，有利于直接觀察到高壓線，對直升機(jī)避免撞擊高壓線有一定作用。

建議

直升機(jī)超低空作業(yè)時(shí)需要在不同的能見度下進(jìn)行近地飛行，因此無法完全消除由于線纜及其他障礙物而帶來的危害。但是隨著機(jī)載設(shè)備以及其他各方面的不斷改進(jìn)，可大大減少直升機(jī)與高壓線撞擊事故概率。對此，本文提出以下3點(diǎn)建議，以盡可能避免出現(xiàn)直升機(jī)撞擊高壓線的事故。

1.選裝機(jī)載設(shè)備：隨著直升機(jī)機(jī)載防撞設(shè)備的不斷進(jìn)步，可選裝兩種及其以上的設(shè)備（比如裝置毫米波雷達(dá)與電纜切割器），進(jìn)而可以從主動(dòng)探測與被動(dòng)處理兩個(gè)方面更加有效地解決撞擊高壓線的問題。

2.加強(qiáng)飛行管理：對于直升機(jī)低空復(fù)雜環(huán)境飛行時(shí)，一定要嚴(yán)格按照批準(zhǔn)的飛行計(jì)劃執(zhí)行，操作程序應(yīng)嚴(yán)格遵守相關(guān)的法規(guī)和政策。

3.低空目視航圖：目前我國低空目視航圖處于起步階段，但是隨著低空空域的不斷開放，低空目視航圖將會(huì)是直升機(jī)低空飛行安全的重要保障。所以，加快我國低空目視航圖的發(fā)展將是一個(gè)可行的方案。