随着直升机电力作业的快速发展，国网通航直升机电力作业区域已覆盖26个省(自治区、直辖市)，直升机电力巡视以快速准确、性价比高的优点被越来越多的用户接受。直升机巡线作业中，由于线路所处环境复杂，直升机易遇到多山、浓雾、阵风等状况，发生坠地、撞山、碰撞输电线路等事故的风险很大。目前，直升机飞行安全与控制关键技术研究成果缺乏，特别是直升机遇到突发气象情况时没有先进设备辅助防撞。通过直升机巡检安全技术及设备的研究与运用，能够切实提高直升机电力作业的安全水平，具有明显的经济与社会效益。

1 直升机避障关键技术研究 1.1 直升机与导线距离测量技术研究

直升机与导线间距检测的总体技术路线分为3个步骤：首先，通过直升机机载固定基线立体视觉系统拍摄的影像识别导线；然后，通过影像核线计算找出左右影像上的同名核线；最后，利用前方交会计算直升机与导线间距。

1.1.1 基于全局方向特征优先的导线提取

导地线在影像上呈一组平行直线，根据这一特征，针对提取的导线像素二值图像，本文设计了全局方向特征优先的线对象提取方法，这一方法是在Hough变换方法检测直线理论^[1]基础上改进而来的。

全局方向特征优先的线对象提取方法需构造特征聚集指数C(a)：

$C(a) = \sum {(H{{(a,L)}^2})} $

(1)

式中，a为坐标空间内直线与水平方向的夹角；L为原点到直线的距离；H(a, L)为特征空间内(a, L)所对应位置的相交点数。

如图 1所示，在Hough特征空间中，依次计算各斜率值所对应的特征聚集指数，当C(a)取得最大值时斜率为a，即为导地线整体走向。接下来，在Hough特征空间的x=a的直线上，搜索曲线相交次数的局部极大值点，这些点的坐标就对应着影像平面的若干条直线。

1.1.2 核线约束计算直升机与导线间距

为了计算导线上某点的空间三维坐标，需要在两幅以上影像中准确地找到该点对应的影像同名点。但是由于导线上缺少特征点，通过人工寻找同名点已经十分困难，更无法应用常规的灰度相关寻找同名点^[2]。Helava^[3]在20世纪70年代提出核线相关理论，指出左图像某一特征点在右图像中的同名点一定位于右图像核线所在直线上。在这里只需要分别计算同名核线与导线的交点，就可以方便地寻找到导线上的同名点。

由于直升机上立体视觉系统具有固定的基线，且各个相机彼此间的相对方位也已知，各个相机拍摄的影像上的同名核线间的对应关系也就能够确定下来。接下来能够通过计算各影像上的核线与导线的交点，找到位于导线上的同名点。最后通过前方交会计算出导线与直升机之间的距离。

1.1.3 立体实时测距原理

CCD₁和CCD₂根据双目视差测距原理^[4]计算障碍物与直升机之间的距离。双目视差测距的原理如图 2所示。

左右两个CCD像机光学中心相距b，光轴平行，焦距均为f，设目标点A距直升机距离为R，p如图 2所示，目标点A在左右图像中的像点坐标分别为a₁(x₁, y₁)、a₂(x₂, y₂)。由相似三角形可得：

$\left\{ \begin{array}{l} \frac{R}{p} = \frac{{R + f}}{{p + {x_2}}}\\ \frac{R}{{b + p}} = \frac{{R + f}}{{b + p + {x_1}}} \end{array} \right.$

(2)

解式(2)可得点A到飞机的距离R为：

$R = \frac{{bf}}{{{x_1} - {x_2}}}$

(3)

式中, (x₁-x₂)为目标点A在左右图像上同名像点的位置差(又称视差)。

1.2 毫米波雷达探测导线技术研究

毫米波防撞雷达是针对直升机在恶劣气候条件下低空飞行时，无法清晰判断前方危险障碍物，进而影响飞机飞行安全的情况而设计的。直升机防撞雷达对载机前方足够大空域进行快速天线扫描，检测包括电力线在内的各类障碍物，获取目标三维位置信息，并进行威胁分析、排序，通过直观有效的形式为飞行员提供安全飞行走廊。

直升机防撞雷达需能够在强地杂波背景中检测导线目标，在此重点分析导线散射特性。导线的结构形式如图 3所示，D为导线直径，d为单根导线直径，P为绞距，L为相邻导线间距。

麻省理工大学林肯实验室提出了高压线的雷达散射截面反射强度^[5]为：

$\begin{array}{l} {\sigma _{H/V}}(\theta ) = {\rm{ \mathsf{ π} }}a|1 \mp {F_{\rm{1}}} \times {{\rm{e}}^{jk{l_1}}} \pm {F_{\rm{2}}} \times {{\rm{e}}^{jk{l_2}}}{|^2} \times \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{\left[ {\frac{{\sin (kMd\sin \theta )}}{{\sin (kd\sin \theta )}}} \right]^2}\frac{S}{2} \end{array}$

(4)

式中，a为高压线的半径；F₁、F₂分别为双重反射和三重反射的幅度；l₁、l₂为双重反射和三重反射相对于直接反射的相位；k为波数；M为雷达波束照射区的电缆数目；d为相邻电缆散射中心的距离；S为外层电缆绕核螺旋状旋转一周的长度。

理论分析和实际测试均表明，电力线的结构特性决定了其只能在几个特定的角度产生较强的后向散射(称为布喇咯散射)。3个强散射方向位于偏离垂直导线入射角不超过θ的区域^[6]，其他角度处散射非常弱。这个角度θ由下式计算：

$\theta = {\tan ^{ - 1}}({\rm{ \mathsf{ π} }}D/P)$

(5)

1.3 毫米波雷达三维显示界面设计

由于嵌入式图像处理板的硬件限制，图像绘制速度慢，难以达到系统的实时性要求。针对这一问题，本文设计了地形分块加速绘制算法。该算法基于四叉树结构的多细节层次LOD算法^[7]思想，依据地形的复杂程度，对每个分块采用不同的细节层次描绘。

在显示界面中，不但要表现地形的真实感，而且需要突出表现地形的高度层次，以提示障碍物的危险级别。本文提出了利用Diamond-Square算法^[8]生成带有随机阴影的纹理图模拟地形表面凹凸不平的细节，再混合多种颜色表现地形的高度层次，这种混合着色的方法占用内存少，处理速度快，能够很好地满足系统的实时性要求。

为了能有流畅的漫游效果，地形纹理需要随视点位置的变化而同步移动。软件中，纹理移动通过变换纹理坐标来实现，每次渲染时，累加视点移动的距离，计算其对应到纹理图上的偏移值，将该偏移值添加到每个纹理坐标上。这种纹理与视点同步移动的漫游方法使得每次地形数据更新、场景交替时的画面非常流畅、自然。

3 实验结果与分析 3.1 双目立体视觉测距实验

本文通过双目立体视觉系统进行模拟实验，实验中采用的双目视觉系统如图 4所示。立体视觉系统的基线长度为1.133 m，影像分辨率为5 184像素×3 456像素，传感器尺寸为22.3 mm×14.9 mm。

图 5为通过立体视觉系统，在距离导线约50 m处获取的高分辨率立体影像对。

基于核线约束提取导线上的同名点，检测结果如图 6所示。虽然导线上并没有明显的特征点，但是通过本文方法还是获得了一组导线上的同名点。

通过立体视觉方法，计算导线上同名点的空间三维坐标和观测点之间的距离。

为了验证立体视觉方法的测距精度，本文采用全站仪现场实测数据与双目视觉系统进行对比分析，如表 1所示，测量误差随测距范围的增加而增大。

3.2 毫米波雷达探测导线实验

本文采用机载毫米波雷达系统，在现场开展地形和导线的探测实验。实验用毫米波雷达的基本性能参数如下：探测方向角±60°，俯仰角±10°，角度分辨率2°，距离分辨率达到5 m，能够探测1 000 m远处的20 mm直径导线。

图 7是一个山谷的现场照片，通过机载毫米波雷达对该区域进行扫描，自动实时生成地形的三维显示结果如图 8所示。

图 9是山头上有架空线路的一个实验现场，通过毫米波雷达探测到的导线以及根据距离导线的远近，对进入危险距离内的导线发出告警信息，如图 10所示。

从上述两个实验结果来看，毫米波雷达能够逼真地显示三维地形。另外，能够探测到飞机前方1 000 m以内的输电导线，并能够精确测量出障碍物的方位和距离，发出障碍物告警，辅助直升机驾驶员采取恰当的飞行动作避障。

随着本研究的深入和实用化，电网直升机巡线的安全系数将提升，成果的经济与社会效益就会显现。