基于边缘信息融合的输电线路防外破监测系统研究与应用

针对大型工程车辆施工过程中误碰高压输电线路造成电网事故和人员事故的问题,基于边缘计算对工频电场传感器、激光雷达、双目视觉测距系统进行数据融合,研制了输电线路防外破监测装置,开发了输电线路防外破监控平台和移动终端应用程序,并进行了现场应用验证。该系统为输电线路防外破提供了新的技术手段,能够有效提高输电线路安全管控的智能化水平,具有很高的应用价值和良好的社会推广价值。     

V型啁啾调频单脉冲激光测速测距方法与实现EI北大核心CSCD

为实现雷达远距离动目标实时跟踪探测,单脉冲线性调频脉冲压缩算法和V型啁啾调频脉冲压缩算法为快速获得运动目标的距离速度信息提供算法基础。结合脉冲压缩算法优势以及两种波形脉压算法的弊端,利用V型啁啾调频脉冲发射波形,提出采用三角调频滤波处理方法,以解决目标的距离、径向速度值及速度方向信息同时获取的难题,为单脉冲实现速度矢量信息的隐蔽探测提供解决方案。通过搭建脉冲激光相干测量实验平台,在接收镜头后连接17.618 km延迟光纤以延长目标往返距离,对转速从−3.67~3.67 m/s的转盘进行速度距离测量。在40 MHz调制带宽,4.096μs调制脉宽,2.5 GS/s采样率条件下成功实现单脉冲距离速度多维信息获取,并对测速准确性进行评估,距离测量精度达到0.33 m,速度测量精度为0.061 m/s。     

高光谱激光雷达后向散射强度的粗糙表面二向反射模型EI北大核心CSCD

高光谱激光雷达是同时获取光谱和空间信息的主动遥感探测方法。在激光扫描过程中,激光入射角是重要的影响因素之一。在实际应用中,目标表面粗糙度会使其入射角效应偏离朗伯模型。因此,基于Oren-Nayar模型对粗糙表面建立二向反射模型,研究了入射角效应的辐射校正方法。选取8种典型的粗糙表面作为实验对象,分析了各波段后向散射强度与入射角的关系,并量化了粗糙度对强度的影响。基于构建的模型,对该研究样本的入射角效应进行辐射校正。辐射校正后,不同入射角反射率的标准差均不大于0.06;与校正前相比,标准差平均改善率为67.86%。结果表明,所提出的方法提高了提取目标反射特性的准确性,为高光谱激光雷达更好地为开展数据分析与应用提供良好的物理基础。     

非均匀转动空间目标天基逆合成孔径激光雷达成像

由于没有大气的影响,天基逆合成孔径激光雷达(ISAL)可在远距离上获取空间目标的高分辨率图像,因此具有重要的应用前景。建立了空间目标天基ISAL成像的方位向回波信号模型,在目标非均匀转动二阶近似下,即匀加速转动时,ISAL方位向回波信号可近似为调频斜率和起始频率各异的多分量线性调频(MLFM)信号,采用传统的FFT方法难以实现方位图像聚焦。提出了一种基于Radon-Wigner变换的方位快速成像算法,利用Radon-Wigner变换并结合逐次消去法,在每个距离单元对回波中的MLFM信号由强至弱逐个进行估计,将估计获取的峰值点直接提取并线性叠加,即得到该距离单元的方位像。通过对所有距离单元进行上述处理,即可获得二维ISAL图像。由于该方法在估计出MLFM信号后无需再进行瞬时多普勒成像处理,因此减少了处理流程,算法效率大幅提高。仿真试验表明,相比传统的距离瞬时多普勒成像算法,该算法平均处理时间从222.66 s降低至23.51 s,在低信噪比情况下图像中目标轮廓更显著,更易于检测识别。     

基于盖革APD阵列的单通道激光雷达信号读出电路设计

随着测量技术的发展,激光雷达技术成为研究的热点,选取工作在盖革模式下的集成APD阵列雪崩二极管作为激光雷达的光电探测器,在探测距离为100-200m范围内,选择上升沿为5ns的激光脉冲,则接收带宽在70MHz~88MHz范围内,在此范围内APD探测器将接收到的回波信号转化为电信号,用TIA跨阻放大器反向放大模式将电流信号转化为电压信号,并将信号有效放大,输入至时刻鉴别电路,时刻鉴别电路用电压比较器来实现,最终可输出COMS逻辑电平信号;用TINA仿真软件进行仿真,仿真结果表明在接收带宽范围内TIA放大器的增益动态范围达到了54dB,总体电路延迟约为10ns。     

激光雷达的多源数据融合点云分类算法研究

根据单档输电线空间分布特性,提出了改进随机采样一致的输电线点云分割方法。首先优化初始样本点选择原则、引入最小二乘原理参数求解等改进策略,提高了随机采样一致性算法输电线模型重建精度;然后以直线-抛物线方程为单根输电线识别的约束条件,利用逐根提取方式实现输电线激光点云分割。选择两组典型代表性的机载激光点云数据进行实验分析,该方法有效解决了数据缺失、点云噪声等复杂背景环境的输电线激光点云分割,准确率、召回率和整体精度最小值分别为99.19%、99.25%、99.10%。较之已有方法,本文方法具有点云分割精度高、算法普适性强的优势;随机采样一致性(RANSAC)算法是常见的激光点云分割方法,但该算法推广至输电线场景时存在点云分割效率低、抗噪性差等不足,不利于高精度的输电线模型重建及后续线路风险检测。     

山地地理测绘勘探中反射式激光雷达回波特征优化

地理测绘勘探激光雷达回波特征在山地区域应用,会出现光斑回波叠加,导致坐标混乱,特征监测效果差。本研究结合反射式激光雷达,在采集山地地理特征光斑数据的基础上,优化设计反射式激光雷达在山地地理测绘勘探中的应用过程,并确定其相关参数。通过分区对山地地理一一扫描,整合扫描结果,采集该山地地理特征的激光雷达回波数据。设计一种光斑回波波形分解模型,通过分解处理获取地理特征,去除光斑回波叠加干扰,在通过坐标和高程转换,解决坐标混乱问题,完成特征的监控。实验结果表明：该方法与传统的方法比较,能够更加有效监测出山地地理的变形量,监测效果好、监测性能较高。     

基于机载LiDAR的架空输电线路通道速生植被提取

在实际工作中巡检周期的存在,使得架空输电线路树障判定不仅需考虑现时点上树木是否满足安全距离要求,还需考虑下一个巡检周期内因树木生长而导致安全距离不足的情况。针对点云数据缺乏细致纹理,无法对树木种类进行判别,从而不能对下一个采样周期内树障变化情况进行预测的问题,提出一种基于多时序网格高度对比的速生植被提取方法。该方法将生长速度大于2 m/半年的植被视为速生植被,并基于网格化思想将输电线路通道划分为多个小网格,通过对比多期点云网格内植被点的最高高度确定网格内树木生长速度,进而实现速生植被提取。实验证明,该方法能有效区分输电线路通道中的速生植被点,对后续的树障隐患判定具有重要意义。     

调频连续波相干激光雷达的多脉冲频域相干累积研究

针对相干激光雷达在低空、远距离、高动态目标探测等应用场景中存在的弱信号探测问题,基于调频连续波相干激光雷达,采用多脉冲频域相干累积方法提高激光雷达弱回波信号的信噪比。结合调频连续波理论,分析了信号幅度起伏和相位起伏对多脉冲频域相干累积信噪比效果的影响,实验结果表明,经过M脉冲周期的频域相干累积,微弱回波信号对数信噪比可提升10lg M dB,并且信号幅度起伏、相位起伏可导致多脉冲相干累积信噪比低于理想相干累积信噪比,对于均值分别为2.25×10^-4、1.65×10^-4和相对起伏幅度分别为0.69、0.93的回波信号而言,相位补偿后的回波信号在50脉冲周期内相干累积信噪比的误差因子最大为0.57%、0.3%,该多脉冲频域相干累积方法对相干激光雷达在远距离目标探测、微弱信号接收方面的应用具有重要意义。     

MEMS-LiDAR的光源准直透镜设计

半导体激光器能量转换效率高、体积小、稳定性好,因此激光雷达常以半导体激光器作为光源。针对半导体激光发散角大,而传统的分离式双柱面准直透镜组存在装调误差大、结构复杂、稳定性低的缺点,提出一体化非球面柱透镜准直方案,分别在两面的相互正交的两个方向设计不同的面型,压缩发散角,同时实现半导体激光器快慢轴两个方向的准直。根据费马原理及扩束准直理论初步确定两正交方向准直面面型参数,以最小光斑半径和最大光通量为目标,以MEMS微镜尺寸为限制因素进行优化,最终完成发射端光学设计。准直后光束快轴发散角2 mrad,慢轴发散角9.6 mrad,准直效果接近车规级激光雷达的平均角分辨率,透镜体积为10×10×24 mm~3,发射端系统总长40 mm,系统通光率大于98.6%,满足MEMS-LiDAR对光源准直度、发射端系统集成度和稳定性的要求。