基于CCD 成像的便攜式光學(xué)遠(yuǎn)程清障系統(tǒng)設(shè)計

呂艷霞，張首軍，吳志群，賈豐榕，趙子明

（國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司鶴崗供電公司，黑龍江鶴崗 154101）

對于高處、深處、危險等人為無法清障的位置，常常積累很多障礙物。例如電網(wǎng)放入金屬絲通過桿塔被置于空中，風(fēng)、風(fēng)箏線、塑膠片、廣告布等漂浮的異物很容易吹落到裸露金屬線上，容易造成短路現(xiàn)象[1]。以往光學(xué)清障是利用激光傳感器輻照燃燒異物，并將雜質(zhì)蒸發(fā)掉，從而與待清障物體分離，實現(xiàn)遠(yuǎn)程清除，從而簡化了工作流程，提高了工作人員的安全性[2]。但是，目前的光學(xué)障礙清除方法很難掌握激光傳感器的光束輻照時間長度，也很容易導(dǎo)致激光傳感器和燃燒梁的異物輻照，而光束和激光傳感器將繼續(xù)照射，不僅造成浪費(fèi)，甚至造成網(wǎng)面熔化[3]。采用低功率密度的激光清障技術(shù)，可實現(xiàn)補(bǔ)光、照明等功能；采用中等功率密度的激光清障技術(shù)，可通過其熱效應(yīng)等作用，加速冰層融化和膠體凝固；采用高功率密度的激光清障技術(shù)，可使被照射物體燃燒、碳化、熔化，從而達(dá)到清障的目的。但是現(xiàn)在市場上的清障設(shè)備功能單一，攜帶不便，無法滿足使用要求。針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計出了一種便攜式CCD 成像光學(xué)遠(yuǎn)距離清障系統(tǒng)，可快速設(shè)定CCD 傳感器的發(fā)射功率和發(fā)散角度，攜帶方便。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于CCD 成像技術(shù)，設(shè)計了一種便攜式遠(yuǎn)距離清障系統(tǒng)[4-6]。內(nèi)裝重箱小車上設(shè)有電池盒，電池裝在蓄電池盒內(nèi)，重箱小車的前接觸頭設(shè)置有平/斜/平/斜，通過平移/傾斜翻蓋上端連接的CCD 傳感器發(fā)射器[7]。CCD 傳感器發(fā)射裝置具有一外殼，該外殼內(nèi)裝有CCD 傳感器，傳感器的前端連接光學(xué)瞄準(zhǔn)器[8]。

光學(xué)瞄準(zhǔn)器包括靜態(tài)瞄準(zhǔn)器和動態(tài)瞄準(zhǔn)器，利用CCD 傳感雷達(dá)收集外來物體數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行實時圖像處理，使工作人員能夠觀察物體在CCD 傳感光線下燃燒或蒸發(fā)的程度，從而確定CCD 傳感物體的照射時間。圖1 為系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，控制中心模塊通過通信模塊與智能設(shè)備通信，智能設(shè)備控制和連接攝像機(jī)[9]。在CCD傳感器清洗系統(tǒng)的同時，攝像機(jī)將目標(biāo)圖像傳送給智能裝置，建立包含目標(biāo)的視野，在自動跟蹤模塊收集到數(shù)據(jù)信息的外來對象后，通過控制中心模塊，實現(xiàn)對外來對象的自動跟蹤、自動清理功能，達(dá)到協(xié)同控制[10]。

1.1 CCD傳感器

CCD 傳感器是一種半導(dǎo)體器件，能夠?qū)⒐鈱W(xué)圖像轉(zhuǎn)換為信號形式，模擬電荷為載體，可得到真實圖像[11-12]。利用信號放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)，將光信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，便于存儲和處理。該傳感器具有體積小、功耗低、抗沖擊振動、性能穩(wěn)定、響應(yīng)速度快等特點。圖2 為CCD 設(shè)備結(jié)構(gòu)，包括輸入、傳輸和輸出3 個部分。

圖2 CCD傳感器結(jié)構(gòu)

由圖2 可知，與以電流或電壓為信號的其他設(shè)備不同，CCD 以電荷為信號，其基本功能就是儲存和傳輸光或電刺激產(chǎn)生的信號電荷[13-14]。在固定時間內(nèi)加載脈沖信號，能夠通過CCD 定向傳輸，為電荷產(chǎn)生、儲存、傳輸提供幫助[15]。

1.2 光譜采集子系統(tǒng)

利用CCD 測量物質(zhì)吸收光譜的基本思想，是根據(jù)散射器件波長，在CCD 有效像素上分散單色光。隨著CCD 有效像素增加，色散器件色散能力增強(qiáng)，頻譜采集系統(tǒng)分辨率提高[16-19]。第一個光源使用了色散器(通常是光柵和其他單色裝置)，根據(jù)不同波長色散位置分散入射單色光。圖3 為TCD1208AP 光譜采集子系統(tǒng)。

圖3 TCD1208AP光譜采集子系統(tǒng)

1.3 LED驅(qū)動電路設(shè)計

發(fā)光二極管驅(qū)動電路的主要作用是提供對內(nèi)窺鏡操作的照明，因為內(nèi)窺鏡沒有光源，所以無法獲取真實圖像。為此，設(shè)置內(nèi)窺鏡，保證接口上光源成為內(nèi)窺鏡設(shè)計的必要照明條件。使用發(fā)光二極管，可將電流轉(zhuǎn)換為光能，采用大功率輸出方式，可滿足光源需求。圖4 為LED 驅(qū)動電路。

圖4 LED驅(qū)動電路

因為高功率LED 在工作時會釋放出大量的熱量，LED 需要焊接在鋁基板上，而鋁基板需要通過導(dǎo)熱潤滑脂與熱傳導(dǎo)器連接來實現(xiàn)導(dǎo)熱。發(fā)光二極管驅(qū)動電路的主要元件為LM2596S 開關(guān)穩(wěn)壓器，可穩(wěn)定輸出3 A 驅(qū)動電流，線性度好，負(fù)載調(diào)節(jié)特性好。

2 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計

2.1 基于CCD成像電荷分析

攝像機(jī)內(nèi)部由三晶片CCD 捕捉，相機(jī)內(nèi)沒有使用彩色濾鏡，通過分光棱鏡的光信號可以得到紅、綠、藍(lán)3 種光。由3 個相同的光束采集的紅、綠、藍(lán)3 種光，分別被反射兩次，這種收集方法屬于完全收集和無損接收。就清晰度和色彩重現(xiàn)而言，它遠(yuǎn)超單片成像系統(tǒng)，圖5 為三晶片CCD 成像原理圖。

圖5 三晶片CCD成像原理

每盤選擇1/3 英寸的單色CCD，體積小，適用于便攜設(shè)備。攝像機(jī)電路借助DSP 信號處理芯片，其由3 個單色CCD 連接，通過這3 個單色運(yùn)算，能夠得到彩色輸出圖像。

輸入部分主要負(fù)責(zé)將光/電注入信號電荷存儲到CCD 轉(zhuǎn)移柵中，電荷注入計算公式如式（1）所示：

式（1）中，η表示量子效率；q表示電荷量；Neo表示光子流速；S表示光敏受光面積；tc表示光注入時間。通過改變這些參量，可以將注入的信號依次轉(zhuǎn)移。

2.2 CCD驅(qū)動脈沖產(chǎn)生流程

圖6 為線陣CCD 驅(qū)動脈沖產(chǎn)生流程。

圖6 線陣CCD驅(qū)動脈沖產(chǎn)生流程

由圖6 可知，由CPLD 產(chǎn)生l0 MHz 時鐘，根據(jù)其產(chǎn)生的脈沖信號，設(shè)定寄存器作用域。重新設(shè)置1 MHz 脈沖頻率，即使CCD 受到整控脈沖頻率影響，但傳送門脈沖頻率也不低于0.5 MHz。線陣CCD的每一個輸出像素時間為1 μs，其輸出頻率與驅(qū)動脈沖輸出頻率始終一致，都是450 Hz。

2.3 清障流程設(shè)計

依據(jù)上述內(nèi)容，設(shè)置清障流程，如下所示：

step1：使用時先將LHW-3A 便攜式CCD 傳感器清洗裝置放在適當(dāng)位置，打開設(shè)備盒，取出CCD 傳感器清洗裝置；

step2：上鎖前自鎖輪，打開電池盒，檢查電池電量等參數(shù)，保持工作狀態(tài)，確保沒有問題；

step3：將云臺側(cè)臥垂直狀態(tài)從水平位置移至垂直位置，并固定4 個扣子，連接5HDM 數(shù)據(jù)電纜的遙控器CCD 傳感器清潔儀表，與CCD 傳感器連接；

step4：打開自動調(diào)焦裝置，打開急停開關(guān)，提示CCD 傳感器工作指示燈亮(能聽到冷卻風(fēng)扇的聲音)；

step5：遠(yuǎn)程控制CCD 感應(yīng)器，開機(jī)或關(guān)機(jī)時，清潔器顯示能力隨屏幕閃爍，左有紅綠燈，右有信息欄，選擇適當(dāng)?shù)乃俣?，運(yùn)行云臺接近目標(biāo)方向，觀察遙控，調(diào)整目標(biāo)顯示；

step6：如果顯示對象不太明顯，利用CCD 傳感器變焦調(diào)整按鈕可對焦距調(diào)整，確定兩點為CCD 傳感器的切削起點，并作為預(yù)置位置；

step7：CCD 感應(yīng)器的切削速度取決于目標(biāo)材料，對CCD 傳感器的切割，可隨意切換CCD 傳感器的切割方式；

step8：遇有緊急情況，按緊急停止開關(guān)。在消除危險之后，打開緊急停止開關(guān)繼續(xù)工作，直到障礙物被清除。

3 實 驗

在Altium Designer summer09PCB 版圖下，對基于CCD 成像的便攜式光學(xué)遠(yuǎn)程清障系統(tǒng)設(shè)計的合理性，進(jìn)行實驗驗證分析。

3.1 實驗環(huán)境

清障儀向地面發(fā)射激光燒斷樹枝，傳輸室的運(yùn)營和維護(hù)部門為國家電網(wǎng)襄陽供電公司，其利用無人駕駛飛機(jī)三維建模實現(xiàn)了數(shù)字樹障自動檢測，發(fā)現(xiàn)在110 千伏順桃線#016-017 線下大約有300 棵樹障，如圖7 所示。

圖7 樹枝障礙

離線地形復(fù)雜，為提高清障效率，操作者利用激光清障裝置遠(yuǎn)程清除工作人員難以觸及的障礙物。

3.2 實驗結(jié)果與分析

分別使用低功率密度激光清障技術(shù)、中等功率密度激光清障技術(shù)、高等功率密度激光清障技術(shù)和基于CCD 成像清障技術(shù)，對清障效果對比分析，結(jié)果如圖8 所示。

圖8 不同技術(shù)清障效果對比分析

由圖8 可知，使用低功率密度激光清障技術(shù)、中等功率密度激光清障技術(shù)、高等功率密度激光清障技術(shù)隨著時間增加，清障數(shù)目不同，但都無法達(dá)到300 棵故障電線都被清除的預(yù)期效果。而使用基于CCD 成像清障技術(shù)可達(dá)到300 棵樹障都被清除的預(yù)期目的，由此可知，使用該系統(tǒng)具有良好的清障效果。

4 結(jié)束語

該文設(shè)計的基于CCD 成像的便攜式光學(xué)遠(yuǎn)程清障系統(tǒng)，可對光波段光譜分析，并保證光信號順利注入轉(zhuǎn)移柵中。由實驗結(jié)果可知，所設(shè)計的系統(tǒng)具有高效清障效果。

受時間和條件的限制，對光譜采集系統(tǒng)的設(shè)計原則僅作了初步探討，取得的效果與實際應(yīng)用尚有一定差距。為使便攜式清障系統(tǒng)在實際中得到應(yīng)用，認(rèn)為有以下幾個方面需要改進(jìn)：

1）通過使用現(xiàn)在流行的光纖探針，將單色光引入光譜系統(tǒng)，設(shè)計了一套完整的光譜曲線測量系統(tǒng)。

2）微處理器具有可定制的操作系統(tǒng)，這個系列處理器屬于ARMCortex-M3 系列，它是一個單片機(jī)和嵌入式處理器，無需PC 上的軟件就可以實現(xiàn)更為精確的光譜曲線繪制。

3）采用16 比特、24 比特等高轉(zhuǎn)換比特的模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備，可提高光譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換精度，減少數(shù)據(jù)量化誤差。