无人机光电探测技术精选(九篇)
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第1篇：无人机光电探测技术范文
关键词：无人机巡检 中继链路 任务吊舱 三维地面站软件
中图分类号：TM75 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）10（a）-0026-02
传统的人工巡检方法不仅工作量大而且条件艰苦，特别是对山区和跨越江河的输电线路的巡检，以及在冰灾、水灾、地震、滑坡等灾情下巡线检查，所花时间长、人力成本高、难度大、风险高。近年来，为减轻人工巡视的负担，提高巡检工作效率和电网可靠性，无人机在电网输电线路巡检中的应用日益广泛[1-6]。
目前国家电网多家单位先后研发了各自的电网巡视专用飞行巡检系统，然而这些系统大多基于中小型无人机平台，系统存在航程短、载荷低、清晰度不足、抗风能力弱、自动化程度低等缺陷，在复杂地形气候环境下难以展开实用化应用。为此，该文重点从适用于复杂环境，提高巡视距离、巡检精细化和安全性入手，结合输电线路巡检、航空、飞行自动控制、通信、地理信息、图像识别和处理技术等多项技术，研发了一套大型无人机输电线路巡检系统。
1 系统设计原则
根据应用需求以及更远、更精、更安全的技术要求，系统设计应能够实现在中继数据链支持下30 km以上超视距飞行巡检；在70 m外自主跟踪导线，清晰识别3 mm销钉级设备缺陷；具有应对各种复杂环境的飞行安全控制技术和保护策略；避障系统能够在30～100 m范围内探测厘米级设备或障碍物能力，实现各种复杂环境下自主避让障碍物安全飞行。同时，为丰富系统功能，提高系统的实用性和智能性，系统应该能够实现无人机系统全自主盲飞、任务吊舱系统全自主执行拍摄任务、自主起降、精确规划三维航路、智能化评估诊断电网设备健康状况和故障情况等多项实用化功能。
按照设计原则，将大型无人机电网巡检系统设计分为无人机系统、中继数据链系统、任务吊舱系统、三维地面站测控导航系统、飞行避障系统、缺陷故障智能诊断系统等六个分系统。
2 大型无人机在电网巡检中的系统设计
2.1 无人机分系统
无人机分系统是飞行的主体平台，主要提供飞行能力和装载的功能。为满足远距离、长航时的飞行，并具有足够的载荷能力，本系统选用Z-5大型无人机作为飞行平台。
大型Z-5无人机与中型Z-3无人机技术参数对比如表1所示。
为了使无人机的飞行控制能力能够应对山区、丘陵、河流等复杂气候地形环境，无人机配套飞控系统具备飞行安全控制技术，可全自主盲飞、自主起降、具备一键返航、低油量返航、失控返航等多种安全归航保护措施。
2.2 中继数据链分系统
为解决山峰阻挡、多径折射衰弱和输电线路强电磁干扰等带来的通讯问题，有效拓宽无人机复杂地形巡线飞行的测控通信范围，本系统设计采用中继转发模式的解决方案。中继数据链系统采用地面光/电混合中继和空中中继两种模式，并结合具体使用情况选择。
数据链采用L频段作为通信频段，上行控制信号和下行图像与遥测信号均有120 MHz的总带宽。每个方向至少能够涵盖10个数据通信带宽，频点之间不会存在相互的干扰；能够实现灵活切换，降低外场频点干扰，确保无线链路的正常通信功能；数据链时延低，标清图像传输延迟不大于260 ms，高清图像传输延迟不大于300 ms，遥控传输延迟不大于130 ms，保证了数据链路的可靠通讯（见图1）。
2.3 任务吊舱分系统
任务吊舱系统包括可见光摄像机、红外热像仪、紫外成像仪、高分辨率照相机、稳定控制系统、图像跟踪系统等（见图2）。
可见光照相机/摄像机所获图像可检测是否存在物理缺陷，导线是否断股、线路是否有明显异物、绝缘子是否破损、防震锤否异常等缺陷；红外图像可检测设备是否存在热缺陷：接头、线夹、耐张管、接续管等；紫外图谱可检查由于连接不良、绝缘子内部缺陷等引起的电晕放电[7]。
稳定平台的精度是系统的重要技术指标。稳定控制系统利用高精度陀螺仪隔离吊舱平台的扰动，具备水平和垂直两种大角度自动扫描方式，可以解决吊舱抖动及视场角受限造成图像采集不清晰、不全面的难题。
图像跟踪系统根据高压电线的线状目标特点，运用智能的跟踪算法，可以实现复杂背景下的线状目标检出和输电线路自主跟踪；通过接受到飞机平台的载机和杆塔的GPS信息，可在无人机飞出测控范围后，全自主跟踪导线并瞄准杆塔拍照；吊舱设计杆塔凝视功能，通过综合计算得到跟踪输电线的方位角，送给稳定跟踪控制系统，使无人机偏离理论航向的情况下对前方杆塔进行凝视对准（见表2）。
2.4 三维地面站测控导航分系统
三维地面测控导航系统通过加载地理数据、三维电网数据开发与无人机结合应用系统，实现无人机全程自主飞行和实时状态监测，大幅提高无人机飞行精度和安全性。
系统设计三维航线的智能化规划功能，可实现与中继设备、中继飞机、飞控系统、缺陷诊断系统的数据通讯，为无人机在在电力线路巡检和大范围防灾减灾应用提供基础数据支撑。
2.5 飞行避障分系统
无人机避障系统基于毫米波高分辨率雷达探测技术[8]，包括机载信号采集模块及设置控系统内的机载避障分析模块，构建了无人机超低空飞行障碍预警与规避支撑理论和实用化系统。
系统可在前视半球面70 m内探测出26 mm直径的导线，实现智能避让输电导线、树木等障碍物，保证了无人机在复杂地形条件下与电力线路及其它障碍物的安全距离保持，同时能够为无人机飞行控制系统在飞行状态下提供实时预警和避障的安全保障。
2.6 缺陷故障智能诊断分系统
系统采用了算机技术、网络通信技术、图像处理、模式识别技术和数据融合技术等多种技术，通过对无人机巡检获取的线路设备多传感器视频及图像数据进行处理，建立高压线路缺陷特征数据图库[9]；应用图像识别技术和数据融合技术对线路设备缺陷进行自动辅助检测诊断和评估。
3 实例应用
2012年4月至今，国网福建省电力有限公司福州供电公司无人机飞行团队先后在500 kV福东线、220 kV闽建线等11条线路上进行无人机巡检飞行，租用福州市闽侯竹歧镇竹岐民用机场作为飞行保障基地和主要起降场地。巡检飞行期间，共巡检飞行78 h，飞行68架次，巡检797多公里，发现隐患故障95处。
通过实际飞行演练，无人机巡检系统逐步建立了在山区、高温条件下，无人直升机的小速度带悬停巡线飞行模式，建立了空中中继、双机同空飞行作业流程，充分验证了该套系统的可行性和合理性。
4 结语
大型无人机巡检系统，以Z-5大型无人直升机为飞行平台，搭载中继数据链系统、任务吊舱系统、三维地面站测控导航系统、飞行避障系统、缺陷故障智能诊断系统，具有不受地形环境限制的优势，可实现电网线路巡视、设备巡查和灾情监控的一体化管理，实现山区等复杂气候地形环境下远距离、长航时输电线路巡检和防灾减灾应用，提升电力系统防灾减灾和线路运行管理水平。在无人机电力巡检应用中，大型无人机巡检系统在复杂环境下远距离、长航时的应用需求中，具有很大的实用化应用前景。同时，通过无人机在电力巡检系统的研究应用，也推动了民用无人机在石油管线巡查、森林防火、勘测测绘等领域的发展，推动了国内无人机、数据链、光电侦察吊舱等高新技术的研发应用。
参考文献
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[2] 汤明文，戴礼豪，林朝辉，等.无人机在电力线路巡视中的应用[J].中国电力，46（3）：35-38.
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[4] 于德明，武艺，陈方东，等.直升机在特高压交流输电线路巡视中的应用[J].电网技术，2010，34（2）：29-32.
[5] 厉秉强，王骞，王滨海，等.利用无人直升机巡检输电线路[J].山东电力技术，2010，172（1）：1-4.
[6] 陈晓兵，马玉林，徐组舰.无人飞机输电线路巡线技术探讨[J].南方电网技术，2008，2（6）：56-61.
[7] 牛姣蕾，林世忠，陈国强.图像融合与拼接算法在无人机电力巡检系统中的应用[J].电光与控制，2014（3）：88-91.
第2篇：无人机光电探测技术范文
关键词：无人机系统；系统集成；项目管理
中图分类号：F23
文献标识码：A
doi：10.19311/ki.16723198.2017.17.055
1前言
无人机，简称UAV，是无人驾驶飞机的简称，是由无线电遥控设备程序控制操纵的、具有自主控制系统的，能执行多种任务的一类航空器。无人机具有使用灵活性强、造价成本低、存活率高、作战环境要求低及生存能力较强的优势特点，使其在民用方面包括城市管理、物流运输、农业建设、救灾救援、航拍测绘等有广泛用途，同样在军事侦察、监测、通信电子对抗、定位校射和定点打击等军事领域也扮演着重要角色。
电科特飞作为中国电科通用航空产业发展的牵头平台，充分整合中国电科在电子信息系统领域的经验和集成能力，专业从事综合航空电子系统、特种通用飞机系统、无人机系统和低空空管系统等产品的研发、生产、销售及售后服务，具有丰富的无人机系统集成项目研究案例。
2国内外无人机系统发展现状
2.1国外无人机系统发展现状
在全世界范围内，关于无人机的研究，最早开始于20世纪早期（1917年），由英国的一位飞机设计者研制出世界第一架无人机，距今已有百年的发展历程。美国是研制和发展无人机的主要国家之一，无人机的飞速发展和广泛应用是在海湾战争之后。20世纪90年代，美国开始部署和应用无人机，其中最有代表性的无人机是“捕食者”和全球鹰。以美国为首的西方国家充分认识到无人机在战争中的作用，竞相把不断发展的高新技术应用到无人机的研制与发展上。以欧美为首的国家同样将无人机广泛应用于民用领域，如城市管理、农业建设、抢险救灾、地质勘查等，与传统的人力相比，效果显著。例如，2015年10月，美国伯灵顿北方圣太菲铁路公司（BNSF）获得联邦航空管理局（FAA）的批准，可以使用无人机进行铁路线路基础设施监测（如观测钢轨裂缝、变形以及轨枕的状况等），还可以在极端条件下进行数据采集。
2.2国内无人机系统发展现状
我国研制无人机已有40多年的历史，先后研制成功长空一号无人靶机系列、长虹高空高速无人侦察机、T-6通用型无人机、Z-5系列无人机、ASN系列无人机等。无人机在军事领域，可以起到侦察卫星、空中预警、军用战斗等功能；在民用领域，航拍勘测、抗震救灾、森林防火应用广泛。印象深刻的是2008年汶川地震，无人机在恶劣的环境条件下提供了灾区图像信息，获取了宝贵的灾区数据信息，为后续的组织救援活动的科学性开展，起到了不可或缺的作用。
3无人机系统的发展趋势
3.1无人机系统集成合作不断发展
无人机系统集成是指在无人机平台上搭载任务载荷设备，通过机载设备进行作业，再通过通信链路实现数据传输，以实现一系列军民领域应用。常见的任务载荷有光电吊舱、航空相机、探测雷达、制导武器等。电科特飞作为专业的特种飞机、无人机系统集成商，凭借央企背景优势、良好的信誉记录，与专业的无人机平台生产商和任务载荷生产商进行合作，通过专业的研发团队和系统集成改装技术，对无人机平台和任务载荷进行系统集成研发，以满足用户使用需求。系统集成商并非无人机平台和任务载荷生产商，不需搭建生产环境和组建生产团队，这样就大幅降低了企业运营成本，而是通过掌握系统集成核心技术和市场渠道，与生产商创建发展命运共同体，实现技术优势互补和利益共享。
3.2无人机系统定制化研发已成常态
随着国家供给侧市场经济改革的不断深入，创新已成企业生存和发展所在。针对无人机系统，模块化、通用化、系统化已成发展趋势，一机多能将会是无人机未来的发展方向。进行无人机系统集成研发时，将平台性能参数和任务载荷的有机结合，根据不同的任务性能要求，来选择平台和任务载荷，以满足用户的多样化要求。电科特飞自2015年就开展了无人机平台和任务载荷的数据收集，建立了无人机平台数据库和任务载荷数据库，以便于市场开发人员市场拓展和研发人员平台、设备选型，大幅提高工作效率。
4无人机系统集成项目管理流程
无人机系统集成研制项目管理的主要工作有项目可行性研究与评估、项目立项、团队任命及型号、工号、项目策划、项目实施、项目监控与变更、项目验收与交付。其中，项目可行性研究与评估、项目立项由市场开发部门组织技术部门实施；团队任命及型号、工号由项目管理部门负责实施；项目启动后的工作由项目团队负责实施，项目管理部负责监督与变更控制，流程图见图1。
4.1项目可行性研究与评估
项目的可行性研究是项目立项前的重要工作，需要对项目所涉及的领域、投资额度、投资的效益、采用的技术、产生的社会效益等多方面进行全面的评价，以便能够对技术、经济、社会可行性进行研究，以确定投资价值。
可行性研究应保有科学性、客观性和公正性的原则。可行性研究一般采取投资估算法，投资费用一般包括固定资金及流动资金两大部分，固定资金中又分为设计费、设备使用费、场地费、试验费、管理费等，具体采取“0.6次方法则”，计算公式如下：
其中：
x―投资估算数
y―同类老项目的实际投资数
c2―新项目的研发能力
c1―老项目的研发能力
cF―价格调整系
通过以上方法对项目的可行性进行详细研究，最终将形成《项目可行性研究报告》，报告中应包含：项目概述、国内外发展现状、需求确定、现有资源、设施情况分析、投资估算和资金来源、经济和社会效益分析、合作/协助方式等方面内容。
4.2项目立项
项目的可行性研究报告经董事会/总经理办公会或公司领导（根据项目重要程度而定，一般重大项目须报董事会审议；重要项目须报总经理办公会或总经理直接批准；一般项目公司分管领导批准即可）批准通过后，市场开发部门便组织项目团队（初步，暂未任命）进行项目的立项报告的编写。报告中应包含：项目背景、系统设计（初步）技术方案、项目实施进度计划（初步）、项目资源保障需求、项目实施方案（初步）、项目风险分析等方面内容。
4.3项目团队任命及型号、工号
项目通过立项评审会后，项目管理部门将收到市场开发部门的项目开工令。项目管理部门将指派一名项目主管与技术部门领导进行沟通，确定初步的项目经理和项目团队名单，上报公司领导进行批准后随同项目型号、工号一同。一切就绪后，项目管理部门将组织召开项目启动会，宣读项目经理和团队成员，明确项目绩效考核办法和各岗位角色和职责，与客户确立正式的沟通交流渠道，对项目计划进行综合描述，建立以目经理为核心的项目管理制度。项目团队组织机构图见图2。
4.4项目策划
项目策划主要是项目经理组织项目团队实施，主要输出文件是《项目策划书》。《项目策划书》应包含：项目团队组织结构及分工、项目管理计划、技术管理计划、质量管理计划、风险管理计划、沟通管理计划、资源保障（需求）计划、执行标准与规范、项目成本预算及各阶段交付文件清单等方面内容。
4.5项目实施
项目实施是无人机系统集成中占用项目团队大部分时间和精力的关键过程。主要是根据项目策划中的进度安排，项目团队开展总体方案设计、各分系统方案设计、物资采购提请与领用、设备级测试、系统实验室联试、无人机平台改装和设备安装、机上地面联试、试验、飞行试验等工作。
4.6项目监控与变更
项目管理部门实时监控项目开展情况，定期收集和反馈各项目实施进度，与进度计划对标，协调解决项目团队面临的困难，组织年度、季度、每月计划的与总结。针对项目团队提出的变更申请，项目管理部门负责审核并报公司领导审批。
4.7项目验收与交付
无人机系统经过飞行试验（或具备规定的飞行时间）满足立项申请书要求后，项目团队需提出项目结题验收申请。项目管理部门组织相关专家（必要时客户需参加），协调时间召开项目结题验收评审会。会议成立验收评审组，评定无人机系统集成研发过程中所形成的技术文件和管理文件，对照测试、试验数据与项目立项申请书所提指标是否一致，检查文件齐套性，提出遗留问题和整改要求，最终确定项目是否通过验收，需评审组组长（或客户代表）签字确认。通过验收的产品即具备装箱交付条件，具体交付要求见商务合同要求。
5无人机系统集成项目管理方法
电科特飞无人机系统集成项目管理领域基本依据常用的PMP管理领域来划分。主要包含范围管理、时间管理、成本管理、质量管理、资源管理（含人力资源和外购设备）、风险管理和沟通管理（含干系人的沟通管理）。
5.1范围管理
项目通过立项报告评审会后，项目团队根据项目立项要求制定详细的项目工作说明书（SOW）和范围管理计划。SOW中应详细描述项目及其产品、服务或成果的最终形式或要求及必需开展的工作。然后利用WBS技术将项目范围和可交付成果分解成可操作的工作项，以指导项目开展。范围管理计划中对范围的控制和变更有明确规定，范围变更必须经过审批方能生效。
5.2时间管理
时间管理主要包含进度计划的制定和控制。进度计划主要是借用Office Project软件将WBS所分解的工作项遵循相互关联性和先后逻辑关系，估算工作所需时间而制定。针对时间的估算，主要采取三点估算法：
最可能时间（tM）：基于最可能的资源和工作效率情况所估算的时间。
最乐观时间（tO）：基于最好的资源和工作效率情况所估算的时间。
最悲观时间（tP）：基于最差的资源和工作效率情况所估算的时间。
针对进度计划的控制，项目管理部门应组织项目进展与进度计划进行实时对标，定期组织项目进展汇报。如因客观原因需要变更，项目团队需提出变更申请，经过审批后方可按调整后的进度计划开展项目活动。
5.3成本管理
项目策划阶段，项目团队需指定成本管理计划，成本分类应包含：设计费、专用费、材料费、外协费、燃料动力费、固定资产使用费、工资及劳务费、差旅费、会议费、事务费、专家咨询费、管理费、不可预见费等。成本管理计划应包含项目各阶段、各工作项所需费用预算，成本的估算同样常用三点估算法。成本控制是以项目成本管理计划和各项工作的成本预算为依据，以成本绩效报告为工具，成本变更同样需走审批流程方能生效。
5.4质量管理
无人机系统集成项目质量管理强调追求顾客满意，注重预防而非检查或发生质量问题后再行整改，强调全员参与，持续改进。质量控制是以工作结果为导向，以质量体系文件为准则，以“状态基线、质量红线、检验门线”、“三线”管理为手段，推动质量管理流程化、规范化。即产品设计开发时技术指标设定明确，余量控制分配到位；无人机任务载荷质量红线不容践踏，绝不放行有任何质量问题或隐患的产品出厂；规范设备入厂复验管理流程，提高设备入厂门槛，绝不接收有任何质量问题或隐患的产品入厂。
5.5资源管理
项目策划阶段，项目团队需罗列出项目研发过程中所需保障的资源清单。资源清单应包含：人力资源、外购设备资源、工作环境资源及仪器仪表等。制定资源管理计划时，应明确各类资源所需保障的时间段，以方便项目管理部门协调相关部门确保各类资源按时、按需保障到位。
5.6风险管理
UVA系统集成的特点决定了在项目管理过程中存在着较多风险源，主要是涉及平台生产商、任务载荷生产商和改装执行单位工作执行情况。风险管理的主要工作有风险管理策划、风险分析、风险识别、风险应对等。在项目策划阶段，项目团队应编写《风险分析报告》，描述风险分析过程及方法（风险评价指数矩阵，量化风险指数）、风险等级划分准则、风险排序准则和接受准则，列出风险源清单和风险排序清单，对高风险项目提出应对措施，最后得出项目实施的风险结论和建议。
5.7沟通管理
沟通管理主要分为内部沟通管理和外部沟通管理。项目策划阶段，项目团队需拟制《干系人清单》，干系人主要包括：客户、平台生产商、任务载荷生产商、公司内部领导、市场开发部门等；制定沟通管理计划应明确沟通媒介，如技术协议、技术协调单、年度、季度总结和周报等。沟通过程中所产生的信息应按外来文件或内部文件管理规定进行记录和存档，以便后续可查。
6结束语
从近几年无人机的技术发展趋势来看，搭载不同任务载荷的无人机系统以满足用户定制化需求的研发生产模式已成常态。无人机系统集成研发有节省无人机平台和任务载荷生产运营成本的优点，但也有供应商管理困难，进度、质量无法自主掌控等困难。因此，运用先进的项目管理理论，做到时间、成本、质量、资源等全面策划与统筹管理，科学制定风险管理计划及处置措施，确保无人机系统按要求交到客户手中。
参考文献
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[2]毛晓东.系统集成项目管理的步骤与分析[J].江苏科技信息，2009，（12）：2325.
第3篇：无人机光电探测技术范文
光电系统与工程
(193)潜望式观瞄系统的瞄准轴系误差分析与调校 杨海成 王章利
(198)线性振动、角扰动对机载光电吊舱图像质量的影响 柯诗剑 陈平 李杰 张一军 万菁昱 杨少康 惠渭锋 刘涛
(203)一种高分辨率电视制导连续变焦光学系统 宋岩峰 孙卫平 王国力
(209)6mm-60mm百万像素变焦安防镜头设计 罗春华 张齐元 李艳红
(215)大变倍比中波红外变焦系统的小型化设计 李岩 张葆 洪永丰
(220)太阳光光纤耦合光学系统设计 魏丹 王菲 房丹 王晓华
(225)飞控系统控制信息自动采集处理模块与自测试设计 王锐
(230)透射式变掺杂gaas光电阴极研究 陈怀林 常本康 牛军 张俊举
(235)某坦克炮长镜光学系统装调技术 陈强 周文哲 任鹏辉 刘永
光电信息获取与处理
(239)基于niflexrio的图像实时采集及处理系统 杨宁 霍炬 龚声民
(248)舰船尾迹光学信号特征的直方图提取方法 陈明荣 迟卫 谢田华 金良安
(255)无人机视频运动目标实时检测及跟踪 董晶 傅丹 杨夏
(260)基于干涉原理的双图像加密系统 秦怡 巩琼 吕晓东 马毛粉
无
(f0004)《应用光学》第8届编委会会议暨光电技术研讨会征文通知 无
(i0002)《应用光学》征稿／广告简则 无
光电信息获取与处理
(267)改进金字塔算法用于小视场星图识别 李辉 王安国 张磊
(273)干涉条纹密度的计算及其应用研究 莫卫东 傅振堂 张孟 张海防 范琦 冯明德
(279)hamming切趾技术提高体光栅光谱合成功率的研究 白慧君 汪岳峰 王军阵 殷智勇 雷呈强
光学计量与测试
(284)紫外光学传递函数测量装置研究 杨红 康登魁 姜昌录
(289)ccd成像电子学单元光电参量测试系统 孙景旭 刘则洵 万志 李宪圣 李葆勇 任建伟
(295)弧形光源镜头式光幕灵敏度分布研究 倪晋平 赵静远 高芬 刘璐
(300)大口径kdp晶体折射率非均匀性检测 魏小红 柴立群 高波 李强 徐凯源 何宇航 刘昂
(304)逆向成像法畸变测试技术研究 郭羽 赵生禄 郑雪 张玫 马世帮 杨红 姜昌录 康登魁
(308)成像法测量积分球的亮度均匀性 吕涛 张景旭 付东辉 陈小云 刘杰
(313)散焦光栅测量光束漂移的光路设计仿真 高国昌 龙超 司磊 景春元
光学器件与制造
(319)便携式多波段多光轴平行性检测仪设计 赵文峰 纪明 刘涛 张魁甲 孟合民
(325)基于自由曲面的led全反射准直透镜的设计 樊露青 李湘宁 王瑜 刘杰
(330)空间相机内部隔热板的性能优化方法 钱婧 孙胜利 孙丽崴
红外技术
(336)红外告警系统三站被动测距目标确认及精度分析 王东 赵威 梁冬明 张岩岫 岳寰宇
(341)动态红外三角形目标及干扰模拟技术研究 高泽东 朱院院 高教波 李俊娜 郑雅卫 解俊虎 王军 陈青
激光技术
(349)激光数据链路与irst信息融合方法研究 徐强 王海晏 杨海燕 王芳 陈鑫
(355)ld侧面泵浦nd：yag高重频电光调q激光器 毛鑫 沈兆国 付洁 唐刚锋 羊毅 程建新
(359)激光反射式光幕探测技术研究 高娟 董涛 倪晋平
光纤传感与光通信
(363)可调脉冲宽度的调q掺铥双包层光纤激光器 张灵聪 杜戈果 赵俊清 郭春雨 阮双琛
(368)基于外调制器的全双工无线信号光传输系统 李辉 赵强 李蕾 黄威 郭佳 梁栋
第4篇：无人机光电探测技术范文
关键词：安全避障 红外 毫米波雷达 吊舱 直升机
中图分类号：TN958.98 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）10（b）-0056-04
随着输电高压等级的不断提高，输电线路的巡线作业的安全、稳定、高效运行越来越重要。随着我国电网工程的不断发展，超高压、特高压输电线路将覆盖全国，输电线路距离长、沿线地形复杂、输电线路塔体很高，传统人工巡线方法不仅工作量大而且条件艰苦，特别是对山区和跨越大江大河的输电线路的巡查，以及在冰灾、水灾、地震、滑坡、夜晚期间巡线检查，所花时间长、人力成本高、困难大，某些线路区域和某些巡检项目人工巡查方法目前还难以完成。
针对上述问题，国内外已开始转向基于直升机或无人机的网巡作业方式，效率是地面人工巡视的20～30倍，为提升输电线路巡视效率，推进输电设备精益化管理，全网输电线路直升机巡视的作业需求日益迫切，该方式可及时发现人工巡视肉眼难以发现的缺陷，有力保障输电线路运行安全水平。直升机在行进过程中主要靠人工识别飞机周边障碍物情况，但在特殊情况或角度下，例如雨、雾、烟尘或其它复杂环境时，地面操控人员或机上驾驶人员很难判别周边环境，国内外已经发生多起飞行器碰撞坠毁事故，因此，飞行器避撞技术是直升机网巡作业的关键技术。为此，该文介绍一种基于红外视频与雷达一体化吊舱的直升机安全避障系统，给出系统的具体设计方案及其主要性能指标，可为其它用途直升机或无人机的安全避障系统设计提供参考意义。
1 安全避障系统方案分析及总体设计
1.1 方案分析
红外成像和毫米波雷达测距技术均是常见的两种避障手段，但具有各自的优缺点：（1）红外成像技术是基于物体表面热辐射的原理进行无接触温度测量、热状态分析、热轮廓描述，可在夜间及恶劣气候条件下进行目标监控、温度感知监控、伪装及隐蔽目标识别、物体距离及轮廓描述，但由于探测效果不随周围光照条件的变化而变化，红外成像技术无法实现较远距离的监控；（2）毫米波雷达测距技术可进行远距离测距，且具有抗干扰能力强、指向性强、测量精度较高、小型化等优点，适合作为直升机的自主避障系统传感器，但由于毫米波雷达只能探测平行距离，无法描述目标对象的轮廓和对象在视场中的角度。
基于红外成像和毫米波雷达测距技术的特性分析，本文将红外成像技术和毫米波测距雷达技术相结合，构建红外视频与雷达一体化安全避障系统，充分发挥红外轮廓成像和雷达远距离测距的优势。其中机载红外吊舱作为避障系统的主传感器，毫米波雷达测距系统作为安全避障系统的辅助传感器。
1.2 方案总体设计
直升机红外巡线吊舱安全避障系统主要由红外巡线吊舱、5路毫米波雷达空间测距、主控计算机、驾驶员指示屏及专用电缆等组成，如图1所示。其中，毫米波雷达测障系统安装在机体四周，红外吊舱安装于机体下方，主控计算机安装于驾驶室或由舱内人员携带。
当直升机进行巡逻时，空间毫米波雷达测障系统负责实时监测前、后、左、右及地面高度五个方向的空间障碍物信息，并将数据传输至主控计算机；此外主控计算机在采集红外视频信息的同时接收测障系统数据，通过角度计算确认包络红外吊舱当前指向的测距子系统并将其测距数据叠加至视频图像输出。系统通过结合5路毫米波雷达测距子系统组成的测距传感器网络实现空间测障功能，同时采集机载红外吊舱的视频信号，以“图形+数据”方式实时展示当前5方向的空间障碍物状态。当直升机与障碍物距离过近时，以声、光告警的方式提醒飞行员注意避让。
2 系统硬件设计
红外视频与雷达一体化安全避障系统如图2所示。
2.1 毫米波雷达空间测距系统设计
毫米波防撞测距系统可显示各障碍物离飞行器的距离、方位、角度，可对各类障碍物的类别进行评估，完成飞行器的合理避障。系统包含有五路毫米波防撞测距子系统，分别监测前、后、左、右及高度五个方向的障碍物状况，实时输出动态条件下飞行器与四周环境障碍物之间的距离，如图3所示。
5路毫米波防撞测距子系统作为从传感器节点通过RS422/RS485总线与计算机组网，由计算机点名实现测距数据轮询输出实现数据采集。组网方式为一主+多从，即主控计算机为总线主设备，其余测距子系统为从设备。毫米波雷达测距系统不主动向总线发送数据，主控计算机向总线广播数据请求指令，指令中包含对应请求对象传感器的地址，当测距子系统检测到广播指令中的地址与自身地址匹配一致后，向总线发出自身的测量数据，否则不回应广播数据请求指令，以此实现主控计算机对网络中各传感器节点的数据轮询。
2.2 红外巡线吊舱信号处理系统设计
由于系统需要接入PCI/PCI-E扩展的视频卡及数据通讯卡，普通笔记本电脑无法满足要求，一般工控机体积过于庞大且需外部供电。综合两方面考虑，主控计算机采用通用X86架构的便携式加固工作站并外扩扩展坞及PCI接口功能板卡的方式实现。加固型工作站具有很好的防水、防摔及抗震性，可靠性高，适合野外或机载条件下的使用。红外巡线吊舱信号处理系统的硬件架构及接口数据流如图4所示。
2.3 视频采集卡
视频采集卡采用海康威视DS-4300系列高清编码卡，暂选型号为DS-4304HFH-E。性能特点及部分指标如下：PCI-E接口，更高数据带宽；产品运行可靠稳定；高性能低功耗；实时完成视频和音频压缩，不丢帧；可设置编码的帧格式；可设置图像质量和码率；支持OSD、LOGO叠加和区域屏蔽提供完整SDK开发包；支持Windows XP、Linux操作系统。
2.4 数据通讯卡
数据通讯卡选型为宇泰UT-712 485/422光电隔离转换卡，PCI转2路RS-485/422。性能指标如下：PCI总线：32位；传输速率：高达115.2kbps；流控制：RTS/CTS XON/XOFF；工作温度：0℃～70℃；光电隔离：隔离电压2500 Vrms；接口保护：600 W浪涌保护、±15 kV静电保护；传输距离：高达1200 m；支持系统：Windows XP、Linux驱动。
2.5 红外视频与雷达数据联动设计
系统软件集成红外吊舱的控制接口及指令，用于同红外吊舱的通讯及双向控制，在某些设定条件下用户可通过系统软件对红外吊舱的进行手动或自动控制，亦可由红外吊舱的某些状态自动触发系统软件的特定功能，如自动启动视频录像。
红外视频与雷达数据联动数据流示意图如图5所示。以主控计算机及系统软件为中心实现子系统之间的通讯数据往来；以机载红外吊舱俯仰角及方位角输出信息为参考动态切换与当前红外摄像头指向对应的某一台毫米波雷达测距系统的输出数据，并将数据叠加进视频窗口；通过选定某一指向的毫米波雷达测距系统，控制机载红外吊舱调整摄像头的俯仰角及方位角使二者法向一致；以某一距离最小值为告警阈值，由毫米波雷达测距系统输出值通过系统软件自动触发红外吊舱收回镜头，防止设备受损；以某一距离最小值为工作阈值，由毫米波雷达测距系统输出值通过系统软件自动触发红外视频录像及拍照。
2.6 主控计算机选型
便携式加固工作站选型为神基科技GETAC X500，部分技术指标如下：全镁铝合金机壳，可防水、防尘、抗震耐摔；英特尔高性能处理器（酷睿i5-520M）；15寸阳光下可读的多点触控显示屏；离散图形控制器NVIDIA GeForce GT330M；整机可夜视功能，可插拔防震硬盘、多媒体扩展舱和PCI/PCIe扩充槽；电池板续航时间大于10 h。
2.7 电磁兼容性设计
结合直升机及其电子系统的电磁环境的特点，按照技术规范对电磁环境适应性的要求，从系统布局、内部布线、电磁屏蔽加固、电路板设计、元器件选择等方面进行电磁兼容设计。采取的措施有：在电源输入端加EMC电源滤波器；输入、输出插头座采用电磁屏蔽插头座；采取强度弱信号相互隔离，避免强信号对弱小信号的干扰；产品布线时，对于如电机电源等高频、强信号，工艺上采取正负级绞接地方法布线；在PCB设计时，采用多层板，设计专门电源层，吸收板上器件的电磁辐射；所有分系统内部的干扰源或敏感器进行电磁屏蔽设计。作为屏蔽体的外壳选用导电性能良好的金属材料，接口处的表面处理采用导电氧化处理，保证各屏蔽体良好连接，消除漏磁缝隙，以提高屏蔽效能。严格控制屏蔽体开口、孔洞、缝隙的数量、位置和大小，尽量避免降低屏蔽效能。
3 系统软件设计
3.1 工作模式
基于红外视频与雷达一体化吊舱的安全避障系统工作状态分为自检阶段和工作阶段：
（1）自检阶段。系统上电后，系统进行初始化并自检，自检内容有：通过数据通讯端口接收红外吊舱系统状态信息，判断吊舱是否进入正常工作状态；通过对5路毫米波雷达测距系统分别进行点名及数据读取，判断各个雷达测距系统是否进入正常工作状态；视频采集卡检测，判断视频采集卡通道是否正常打开，对应视频信号接入正常；录像区硬盘空间检测，确认录像区硬盘剩余空间充足。
（2）工作阶段。工作阶段系统启动如下功能有：实时接收各方向测距信息，动态展示空间障碍物状态；响应使用人员的操作；直升机进入与障碍物的危险距离后系统自动进行声光告警；触发自动录像及拍照，触发条件需与用户进一步协商。
3.2 软件开发设计
软件采用可视化集成开发环境Visual Studio开发，语言为C++；调用单机数据库管理系统Microsoft Access进行后台数据维护，数据库查询控制语言为SQL，并集成调用视频采集卡、数据通信卡等硬件设备的底层SDK，软件开发层次结构示意图如图6所示。
系统软件运行环境即操作系统为微软Windows 7或Windows xp，软件运行兼容32位和64位操作系统。软件主界面基于Microsoft MFC单文档应用程序模板SDI开发，基本界面示意图如图7所示。
4 系统性能测试及性能指标
4.1 环境适应性测试
（1）高温工作：将系统放入温度试验箱，当温度上升到+55℃温度时，保持2 h后，对系统进行功能检查，检测结果为：工作正常。
（2）高温存储：将系统放入温度试验箱，当温度上升到+65℃温度时，保持2 h后，待系统恢复到常温进行功能检查，检测结果为：工作正常。
（3）低温工作：将系统放入温度试验箱，当温度上升到-20℃温度时，保持2 h后，对系统进行功能检查，检测结果为：工作正常。
（4）低温存储：将系统放入温度试验箱，当温度上升到-40 ℃温度时，保持2 h后，待系统恢复到常温进行功能检查，检测结果为：工作正常。
（5）温度冲击检验：将系统置入温度冲击试验箱的低温箱内将箱内温度降到-40 ℃保持2 h，然后在1 min的时间内将系统移入温度为+55 ℃的高温箱内保持2 h，然后将温度恢复到常温进行功能检查，检测结果为：工作正常。
（6）温度-高度检验：将系统放置在试验箱内，将试验箱内的大气压力降到75.2 kPa，同时将试验箱内温度在低温-20 ℃和高温+50 ℃进行循环（在低温-20 ℃和高温+55 ℃的保持时间分别为1 h），进行1个周期的循环。试验后进行功能检查，检测结果为：工作正常。
（7）电磁兼容检验：按《GB/T17626.2 电磁兼容静电放电抗扰度试验》和《GB/T17626.6电磁兼容工频磁场抗扰度》进行试验，检测结果为：工作正常。
4.2 系统性能指标
系统性能指标如表1所示。
5 结论
为解决智能电网直升机网巡作业在复杂环境下的安全避障问题，该文提出了一种基于红外和雷达一体化吊舱的飞行器避障技术，充分结合红外成像和毫米波雷达分别在目标对象轮廓及视场角度感知和远距离监控探测方面的优势；完成了基于红外和5路毫米波雷达空间测距的吊舱系统硬件设计和软件系统开发。通过对各种环境适应性试验结果分析，避障系统的测距范围可覆盖10～1000 m，测距精度可满足±（1+0.03H） m，距离分辨率不大于1 m，工作频率在Ku或mm波段，波束宽度为6×6度，辐射功率不小于23 dBm，数据更新率为20 ms。飞行试验结果表明，该系统可满足直升机电力巡线的避障需求，同时还可对其它用途的直升机/无人机安全避障系统设计提供参考意义。
参考文献
[1]徐艳国.直升机防撞雷达关键技术及发展趋势[J].现代雷达，2011（33）：9-13.
第5篇：无人机光电探测技术范文
关键词： 耕地; 人工建筑; 阈值; 图像分割
中图分类号： TN964?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）06?0105?03
Research on automatic segmentation of agricultural land and artificial buildings in remote sensing image
WANG Min?yan1， ZHAO Kun2
（1. Commission for Discipline Inspection and Supervision Bureau of Jining， Jining 272045， China;
2. The 27th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Zhengzhou 450047， China）
Abstract： An image processing algorithm which can automatically divide up agricultural fields and artificial buildings in remote sensing images from satellite or aerial photo is proposed. With the technologies of image area synthesis， filtering， histogram statistics and background segmentation， the artificial buildings and roads in large?scale agricultural lands can be segmented by the algorithm， and the area calculation can be realized. Some solutions and test results are given in this paper. It is significant for this algorithm to improve the automation statistic level of agricultural land.
Keywords： agricultural field; artificial building; threshold; image segmentation
0 引 言
作为人口大国，农林业对我国家安全和社会稳定有重要意义，随着经济的高速发展，乡镇及城市建设对土地需求日趋增长，合理有效地使用土地资源，监控土地实际使用情况是国家研究的重要课题。随着现代航天技术、航空技术、探测器技术高速发展，国家投入大量卫星、飞机及无人机进行耕地普查，新技术的广泛应用给农业用地统计、普查、灾害预警带来革命性发展，提供了丰富的数据资源。但社会各界对农业统计信息的需求越来越大，对统计质量要求越来越高，按照传统的方法，仅仅依靠手工作业是远远不能适应实际海量数据筛选需要的。本文提出一种可在卫星或航拍遥感图像中自动分割农用田地与人工建筑的图像处理算法，该算法使用图像区域合成、滤波、灰度统计、背景分割等处理技术，可实现农用田地中疑似建筑及道路进行分割，并给出面积的估算。为后续土地和人工建筑确认标注提供预先提示。
1 遥感图像预处理
遥感图像在形成、传输、记录过程中，成像系统、传输介质和记录设备都会引起图像质量的下降[1?2]，典型表现为图像模糊、失真、有噪声等。图像预处理的目的就是尽可能恢复退化图像的本来面目。引起图像退化的因素很多，图像预处理将根据退化的原因，建立相应的数学模型，并沿着图像降质的逆过程恢复原图像。
农用土地遥感图像所关注的信息大部分集中在低频和中频段，为了有效抑制图像的噪声并尽可能多的保留有用的信息，采用均值滤波、中值滤波、低通滤波、匹配滤波等多种滤波器相结合，综合线形滤波器和非线形滤波器的优点，研究具有实时特性的滤波网络，最大程度滤除噪声，提高图像的信噪比，减少图像的失真[3?4]。
原始图像中各点的灰度值f（x，y）用该点邻域的灰度平均值代替，以抑制具有突变性质的噪声点。设g（x，y）为处理后的灰度值，则该方法可表示为：
[g（x，y）=1MN（m，n）∈S（x，y）f（m，n）] （1）
式中：[S（x，y）]为[（x，y）]的邻域;m，n为[S（x，y）]中的像素数。
图像的预处理在空域中进行，也可在频域中进行，将一维信号低通滤波器在二维图像中应用，图像经过二维傅里叶变换后，噪声频谱位于空间频率较高的区域，而图像中关键信息处于空间频率较低的区域，从而实现对高频分量的预制[5]。
转移函数为：
[H（x，y）=11+[D（x，y）D0]2n] （2）
式中：[D0]为截止频率;[n]为阶数。
2 遥感图像分割与处理
严格意义上的图像分割是指每一个物体都能和它的背景区分开来而成为一个独立完整的区域，人的视觉就包括这个过程。但是，在实际应用中这是很困难的，因为图像分割没有统一的判别标准，也没有通用的分割方法，一般来说，只要能把感兴趣的部分从背景中分割出来就可以接受[6]。对遥感图像进行分割就是把图像中不同于农业用地的人工建筑或道路等具有特殊意义的区域分割开来，这些区域本身并不相关，但每一个区域都不同于农业用地[7?8]。
2.1 大面积耕地直方图分析
由于大面积农用耕地的主背景的分布相对均匀，从图像的直方图分析明显存在单峰（背景），如果有道路或人工建筑，则直方图中将存在背景峰之外的多个。
<E：＼王芳＼现代电子技术201506＼现代电子技术15年38卷第6期＼Image＼05t1.tif>
图1 大面积农用田地图及直方图
2.2 基于大面积耕地背景的分割阈值提取
[H（x）]为图像直方图分布，则图像的平均灰度为[9?10]：
[hx=x・hxhx] （3）
图像的灰度分布误差为：
[σ=h（x）-h（x）?x2h（x）] （4）
将[h（x）]-ks作为图像分割的第一个阈值，[h（x）]+ks作为图像分割的第二个阈值。将灰度在[[h（x）]-ks，[h（x）]+ks]内的像素判为背景，其他灰度图像像素判为目标，则就可以将目标从背景中“分割”出来。如图2，图3为原始图像及经过预处理后的图像，应用式（4）求解出[σ]及分割门限，经二值化后分割图像如图4所示。
<E：＼王芳＼现代电子技术201506＼现代电子技术15年38卷第6期＼Image＼05t2.tif>
图2 原始图像
<E：＼王芳＼现代电子技术201506＼现代电子技术15年38卷第6期＼Image＼05t3.tif>
图3 图像预处理
<E：＼王芳＼现代电子技术201506＼现代电子技术15年38卷第6期＼Image＼05t4.tif>
图4 图像分割
根据分割出的图像可对目标像素面积的统计，采用投影方法，可获得图像不同列中非农用地的像素数，如图5所示，通过累加计算可获得设定区域非农用地占用比例，从而获得实际农用地面积。
2.3 应用
通过对遥感图像处理，可对耕地或建筑面积进行估算、统计，对疑似建筑物、道路进行标注，提高农业用地统计自动化水平，并提高土地管理部门、农业部门、农业统计部门及其他有关部门在技术手段和行政管理方面的优势，采用先进的遥感技术、全面统计和抽样调查等各种方法，对耕地及其他农业用地的数量进行全面的监测和管理，及时对不利于耕地和其他农业用地保护及使用的情况进行处理和纠正。
<E：＼王芳＼现代电子技术201506＼现代电子技术15年38卷第6期＼Image＼05t5.tif>
图5 目标面积统计
3 结 语
本文根据大面积农用地统计需求，结合其图像特性，提出一种大面积耕地背景的耕地及人工建筑分割方法，可以有效提高耕地统计自动化水平，并辅助监测农用耕地占用情况。
参考文献
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