1應用軟件MultigenCreator和VegaPrime介紹

1.1MultigenCreator軟件

MultigenCreator是美國MultigenParadigm公司開發(fā)的強大的三維建模軟件，是世界上領先的實時三維數(shù)據(jù)庫生成系統(tǒng)，它擁有針對實時應用優(yōu)化的OpenFlight模型數(shù)據(jù)格式，強大的多邊形建模、矢量建模、大面積地形精確生成功能，以及多種專業(yè)選項及插件，能高效、最優(yōu)化地生成實時三維(RT3D)數(shù)據(jù)庫，可以用來對戰(zhàn)場仿真、娛樂、城市仿真和計算可視化等領域的視景數(shù)據(jù)庫進行產(chǎn)生、編輯和查看。用Creator的基本建模(Modeling)工具，能手工創(chuàng)建三維模型，可對地形、特征、模型加入如顏色、材質(zhì)、紋理等以使其更真實，在建模過程中借助CreatorWizards將提高場景建模的效率，在滿足實時性的前提下可以生成實時逼真的大面積場景。所有的這些元素：地形、特征、模型和各種屬性，組成了Creator視景數(shù)據(jù)庫，且OpenGLAPI是支持的。它的層次細節(jié)(LOD)、多邊形篩選、邏輯篩選、繪圖優(yōu)先級、自由度設置等高級功能使得其數(shù)據(jù)格式OpenFlight(*.flt)在實時三維領域成為流行的圖像生成格式。Creator還可以接受DXF、DEM和其他矢量格式的數(shù)據(jù)，與AutoCAD和GIS軟件結合方便。

1.2VegaPrime軟件

VegaPrime(以下簡稱VP)是MultigenParadigm公司專門應用于實時視景仿真、聲音仿真和虛擬現(xiàn)實等領域的渲染軟件環(huán)境，支持MicrosoftWindows、SGIIRIX、Linux、SunMicros等操作系統(tǒng)，并且用戶的應用程序也具有跨平臺特性，用戶可在任意一種平臺上開發(fā)應用程序，而且無須修改就能在另一個平臺上運行。它同時支持OpenGL

1.2和Direct3D8，支持MetaFlight文件格式，支持雙精度浮點數(shù)。與C＋＋STL(StandardTemplateLibrary)兼容，并且可定制用戶界面和可擴展模塊，其中包括VegaPrimeFX：爆炸，煙霧，彈道軌跡等等；VegaPrime：分布式渲染；VegaPrimeLADBM：非常大的數(shù)據(jù)庫支持；DIS/HLA：分布交互仿真；Blueberry：3D開發(fā)環(huán)境；DI-GUY：三維人體；GL-Studio：儀表；VegaPrimeIRScene：傳感器圖像仿真；VegaPrimeIRSensor：傳感器圖像實際效果仿真；VegaPrimeRadarWorks：基于物理機制的雷達圖像仿真；VegaPrimeVortex：剛體動力學模擬；VegaPrimemarine：三維動態(tài)海洋。

1應用軟件MultigenCreator和VegaPrime介紹

1.1MultigenCreator軟件

MultigenCreator是美國MultigenParadigm公司開發(fā)的強大的三維建模軟件，是世界上領先的實時三維數(shù)據(jù)庫生成系統(tǒng)，它擁有針對實時應用優(yōu)化的OpenFlight模型數(shù)據(jù)格式，強大的多邊形建模、矢量建模、大面積地形精確生成功能，以及多種專業(yè)選項及插件，能高效、最優(yōu)化地生成實時三維(RT3D)數(shù)據(jù)庫，可以用來對戰(zhàn)場仿真、娛樂、城市仿真和計算可視化等領域的視景數(shù)據(jù)庫進行產(chǎn)生、編輯和查看。用Creator的基本建模(Modeling)工具，能手工創(chuàng)建三維模型，可對地形、特征、模型加入如顏色、材質(zhì)、紋理等以使其更真實，在建模過程中借助CreatorWizards將提高場景建模的效率，在滿足實時性的前提下可以生成實時逼真的大面積場景。所有的這些元素：地形、特征、模型和各種屬性，組成了Creator視景數(shù)據(jù)庫，且OpenGLAPI是支持的。它的層次細節(jié)(LOD)、多邊形篩選、邏輯篩選、繪圖優(yōu)先級、自由度設置等高級功能使得其數(shù)據(jù)格式OpenFlight(*.flt)在實時三維領域成為流行的圖像生成格式。Creator還可以接受DXF、DEM和其他矢量格式的數(shù)據(jù)，與AutoCAD和GIS軟件結合方便。

1.2VegaPrime軟件

VegaPrime(以下簡稱VP)是MultigenParadigm公司專門應用于實時視景仿真、聲音仿真和虛擬現(xiàn)實等領域的渲染軟件環(huán)境，支持MicrosoftWindows、SGIIRIX、Linux、SunMicros等操作系統(tǒng)，并且用戶的應用程序也具有跨平臺特性，用戶可在任意一種平臺上開發(fā)應用程序，而且無須修改就能在另一個平臺上運行。它同時支持OpenGL

1.2和Direct3D8，支持MetaFlight文件格式，支持雙精度浮點數(shù)。與C＋＋STL(StandardTemplateLibrary)兼容，并且可定制用戶界面和可擴展模塊，其中包括VegaPrimeFX：爆炸，煙霧，彈道軌跡等等；VegaPrime：分布式渲染；VegaPrimeLADBM：非常大的數(shù)據(jù)庫支持；DIS/HLA：分布交互仿真；Blueberry：3D開發(fā)環(huán)境；DI-GUY：三維人體；GL-Studio：儀表；VegaPrimeIRScene：傳感器圖像仿真；VegaPrimeIRSensor：傳感器圖像實際效果仿真；VegaPrimeRadarWorks：基于物理機制的雷達圖像仿真；VegaPrimeVortex：剛體動力學模擬；VegaPrimemarine：三維動態(tài)海洋。

摘要：雷達模擬機課程設計與編寫訓練是管制技能培訓的關鍵因素。DRS98雷達管制模擬機作為民航高校管制模擬訓練的主要運行設備，其相關系統(tǒng)較于當前管制發(fā)展有一定的滯后性。通過添補編寫訓練系統(tǒng)的遺漏部分，修正與一線管制運行的差異部分，升級管制模擬機培訓系統(tǒng)，從而達到管制指揮的基本要求。

關鍵詞：雷達模擬機；訓練編寫；DRS98

近年來，極速增長的航班量刺激了管制人員的需求，同時也加大了管制培訓的數(shù)量及要求。目前管制培訓分為院校學生初級訓練，入崗人員崗前訓練和在崗人員復訓三大部分。國內(nèi)管制模擬機教學研究主要針對在模擬機培訓制度，大多從教員角度、設備角度、教材角度、培訓人數(shù)等方面探析，極少分析管制課件制作。訓練編寫系統(tǒng)作為模擬機訓練的根本，由于長時間處于未更新狀態(tài)，模擬機編寫環(huán)境與相關設備存在功能局限，造成與管制一線的運行差異，導致模擬訓練與實際管制指揮的嚴重脫節(jié)［1］。目前民航院校使用的雷達管制模擬訓練設備主要為川大智勝生產(chǎn)的DRS98航管雷達模擬機和南京萊斯公司生產(chǎn)的”NUMEN-2000”型雷達管制模擬機。文章以DRS98航管雷達模擬機系統(tǒng)為參考編寫環(huán)境，將訓練計劃與實際運行進行差異化比較，在模擬仿真數(shù)據(jù)生成上提出可行性建議，更為貼合管制員訓練需求。

1DRS98編寫環(huán)境描述

訓練計劃由DRS數(shù)據(jù)庫NTBASE生成，完整的訓練計劃包括空域數(shù)據(jù)、飛行航跡數(shù)據(jù)、航路數(shù)據(jù)、管制席與機長位拓撲關系、航空器性能數(shù)據(jù)，以機場四字代碼、航班號、訓練計劃名、機型型號來命名識別。從訓練計劃ROUTE*.FIL，TRACE*.DAT，BASIC.INF三個文件數(shù)據(jù)，與Ntbase編寫數(shù)據(jù)進行對比參照［2］。Ntbase的編寫窗口為Aircraft（機型數(shù)據(jù)）、Scenario（訓練腳本數(shù)據(jù)）、Utility（通用數(shù)據(jù)）三大板塊，需要實際運行數(shù)據(jù)進行填寫，生成訓練計劃數(shù)據(jù)項，并加載到FTP在模擬機上指揮運行。

2差異與修正建議

摘要：本文主要探討在民航空管監(jiān)視雷達崗位工作中，針對近幾年民航航線日益增多，航運需求日益增加的情況，民航安全越來越被大家關注，對民航空管監(jiān)視雷達的崗位應急處理工作應加強實效，本人在從事空管監(jiān)視雷達崗位將近20年的工作積累中，對于監(jiān)視雷達崗位的應急處理工作進行分析。

關鍵詞：民航空管；監(jiān)視雷達技術；雷達崗位；應急處理

隨著新疆地區(qū)航空市場需求持續(xù)增長，烏魯木齊區(qū)域飛行架次增幅顯著，尤其是疆內(nèi)航路、航線飛行沖突明顯增加，烏魯木齊機場日起降架次已進入全國單跑道機場前列。新疆空管安全形勢雖然整體平穩(wěn)，但穩(wěn)中有險、穩(wěn)中有憂，安全壓力日益加大。在民航全面加大強安全、強效率、強智慧、強協(xié)同的“四強空管”建設力度，努力實現(xiàn)空管高質(zhì)量發(fā)展的背景下，本文結合監(jiān)視雷達一線崗位的工作實際，從應急管理工作中的應急處置能力方面、崗位培訓方面和各單位間相互協(xié)作方面，淺談對于如何提高監(jiān)視雷達崗位工作應急處理能力問題的思考。

1雷達

1.1空管監(jiān)視雷達是提供空中飛行情報及態(tài)勢的重要信息源之一，是確保飛行安全、實現(xiàn)雷達管制、提高空域流量和空域資源利用率的基礎?？展芟到y(tǒng)中常用的雷達有一次監(jiān)視雷達（PrimarySurveillanceRadar，PSR）和二次監(jiān)視雷達（SecondarySurveillanceRadar，SSR）之分。1.2一次監(jiān)視雷達的主要優(yōu)點：一是由于采用非協(xié)同監(jiān)視的手段,因此對機載航電設備的要求最低；二是一次監(jiān)視雷達通常具有氣象通道，具有較強的獲取航路和機場的氣象信息。在航空科技高度發(fā)展的今天，大部分飛行事故和延誤都是由于天氣因素引起的所以，這一優(yōu)點對空管系統(tǒng)非常重要。一次監(jiān)視雷達和二次監(jiān)視雷達相比，存在沒有目標識別碼和高度信息（除相控陣雷達外）和易受氣象和地雜波干擾的缺點。因此在應用中，通常和二次監(jiān)視雷達合裝使用。1.3二次雷達和一次雷達相比具有如下優(yōu)點：二次雷達具有識別碼，可以和ATC/ATM系統(tǒng)中的飛行計劃相關聯(lián)，具有高度碼和應急標志；受地雜波和氣象雜波的影響較??；以較小的發(fā)射功率實現(xiàn)較遠的探測距離。二次雷達目前是現(xiàn)代空管系統(tǒng)必配的設備之一。1.4雷達室組織二次雷達培訓①技術保障中心雷達運行保障室3月11日-3月15日舉行了二次雷達實操培訓，采用理論與實操相結合的方式對擬參加技能競賽的選手開展有針對性地培訓，力求讓學員近距離接觸此次監(jiān)視信息探測系統(tǒng)專業(yè)的實操演練：恩瑞特電子DLC-100C二次雷達、深入掌握設備組成、系統(tǒng)操作，維護排故要點，設備技術指標測量等，增進學員對該套設備的理論和操作技能水平。②2019年是民航空管監(jiān)視崗位職業(yè)技能大賽年，技能大賽對于一線監(jiān)視人員來說既是展現(xiàn)自我的試金石，又是資質(zhì)提升的鋪路石，為使參加技能大賽的選手和教練熟練掌握常用的儀器儀表，提高設備維護維修方面的業(yè)務能力，同時提升培訓的專業(yè)性和針對性，增強培訓的效果，雷達室提前準備了培訓需求，讓授課工程師制定了培訓課程。二位老師通過理論講解和實操測試相結合的方式展開了講解。通過五天的時間，從二次雷達的基本原理、測試技術及應用、操作規(guī)范、故障檢測等方面詳細介紹了DLC-100C型二次雷達、矢量網(wǎng)絡分析儀、功率計、頻譜分析儀、信號發(fā)生器、示波器、頻率計，并分享了設備及儀表使用的注意事項。在二次雷達設備實操與儀表培訓結束后，雷達室及時組織了實際操作考試，科室參加技能大賽的選手均參加了技能考試，考試現(xiàn)場嚴謹有序，選手們有條不紊，完成了實操考核大賽。③通過培訓，參訓學員不僅掌握了二次雷達設備的實際操作，同時也熟悉了儀表的日常使用，通過與技術工程師面對面的交流，了解到各類儀表的更多的適用背景和場合，進一步提高了儀表的利用率以及技術保障人員對監(jiān)視設備的維護維修能力，同時也為2019年通導能競賽做好了準備工作。

2平時加強民航應急模擬演練，熟悉掌握空管應急流程

摘要:本文主要研究線性調(diào)頻連續(xù)波(LFMCW)雷達對呼吸信號的非接觸式跟蹤技術。首先由雷達發(fā)射線性調(diào)頻連續(xù)波,采集含有人體生命體征信息的回波信號,然后進行濾波得到差拍信號,提取差拍信號的相位信息并進行展開,最后使用快速傅里葉變換來計算呼吸頻率。

關鍵詞:線性調(diào)頻連續(xù)波雷達；呼吸頻率監(jiān)測；非接觸式監(jiān)測；距離跟蹤

近年來,雷達技術在生產(chǎn)、生活等各個方面給人們提供了極大地便利。相較于傳統(tǒng)接觸式的生命體征檢測方法,非接觸式雷達傳感器在災難救援、反恐響應和緊急搜索等日常領域有著更廣泛的應用。本文采用LFMCW雷達進行人體非接觸生命體征檢測[1],LFMCW雷達功耗低,具有較高的分辨率和系統(tǒng)集成度,且其目標信息保存在接收相位中,硬件處理相對簡單,具有不可替代的優(yōu)勢。

1調(diào)頻連續(xù)波雷達原理

LFMCW雷達系統(tǒng)包括信號發(fā)生器、發(fā)射天線、接收天線、濾波器和模數(shù)轉換器等,圖1為LFMCW雷達系統(tǒng)的簡化框圖。LFMCW雷達發(fā)射由信號發(fā)生器產(chǎn)生的線性調(diào)頻連續(xù)波信號,雷達信號在遇到目標時被反射回來。正交接收機負責捕獲回波信號并與發(fā)射信號正交混合,通過濾波器后得到差拍信號,差拍信號再經(jīng)模數(shù)轉換器后進行后續(xù)信號處理。

2雷達信號建模

摘要：L波段二次測風雷達，是一種體制較新、自動化程度較高的新型雷達。其新型的探測系統(tǒng)基本實現(xiàn)了探測數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測和集成的自動化，提高了高空氣象資料的質(zhì)量和精度，但在運行中故障時有發(fā)生。分析了放球過程中方位驅動器告警、方位角顯示數(shù)值跳變等常見的故障原因，對充分發(fā)揮雷達性能，延長雷達使用壽命，及時保證設備正常運作有一定借鑒作用。

關鍵詞：L波段雷達；故障；原因；排除方法

高空探測雷達是高空氣象探測的重要手段。L波段高空探測系統(tǒng)屬于國家重點投資項目，是我國新一代高空氣象探測系統(tǒng)的重要組成部分。它由地面L波段二次測風雷達和高空數(shù)字化電子探空儀組成，具有自動化程度高、精度高、時效快、能耗少、體積小、重量輕等特點。鄭州站已于2005年建成投入使用，該臺站的建成投用，將為河南省氣象預報、防災減災，特別是重大災害性天氣提供更加全面、及時、準確的高空氣象基本數(shù)據(jù)。為了充分發(fā)揮雷達的性能，延長雷達的使用壽命，現(xiàn)把實際工作中遇到的雷達故障現(xiàn)象進行分析，將故障個例和解決方法列舉出來，以供維修人員參考。

一、放球過程中方位和仰角驅動器告警

(1)打開驅動分機的蓋板，觀察方位驅動器顯示情況，一般都是26號告警。這是由于發(fā)射機和方位驅動電機都裝配在天線座里，相互之間有輕微干擾，如果屏蔽不好，發(fā)射機高頻信號干擾方位驅動電機，使得方位驅動電機的編碼器信號受到發(fā)射機影響，方位產(chǎn)生過速告警，導致天線方位不轉，驅動分機的“A報警”亮紅燈，“A準備好”燈不亮。

解決方法：將方位驅動電機及插頭重新包裹，盡量將驅動電機上兩根電纜線全部放進屏蔽罩里，以達到最佳的屏蔽效果，故障即可排除。

1基本原理

通過語音提示告訴司機前方車輛的行駛方向，在顯示器上顯示出兩車相距距離，前方車輛的速度；根據(jù)兩車的速度和相距的距離判斷車輛到達危險距離時，通過蜂鳴器進行安全警報，如果在危險時刻司機未采取任何措施，系統(tǒng)經(jīng)過判斷給自建的剎車系統(tǒng)一個加速，讓車輛的速度減下來避免兩車相撞。

2主要技術

系統(tǒng)用到的技術有倒車雷達技術、單片機對信息處理技術、顯示器顯示技術、語音提示技術、蜂鳴器技術、數(shù)字電阻芯片控制加速度技術。A、關鍵技術描述系統(tǒng)的關鍵技術有數(shù)字電阻芯片控制加速度技術和倒車雷達技術。B、主要技術及性能指標主要功能：顯示出前方車輛的速度，兩車相距的距離，語音提示前方車輛行駛的方向，聲音警報，自動減速避免車輛相撞。性能指標數(shù)據(jù)及關鍵技術指標：探測兩車距離范圍：0.3m～80m。探測速度的精確度：<1m/s。加速度的大小由兩車的速度和兩車的相聚距離決定。加速度的精度：<0.1m/s2。C、優(yōu)勢和特點本系統(tǒng)可以測出前方車輛的速度和行駛方向，這在濃見度極低和探測遠距離目標是傳統(tǒng)的霧燈無法實現(xiàn)的。通過這可以讓司機對前方車輛行駛的方向了如指掌。D、實現(xiàn)方法、檢測方法項目技術實現(xiàn)的具體方法：第一，將超聲波傳感器安裝在一個特定裝置(一個半球與一個圓筒無縫銜接,圓筒的一端無蓋)中，以防止其他車載雷達對本車車載雷達的影響；第二，讓超聲波傳感器的發(fā)射器在接收器的前面，發(fā)射器后面固定一個大小適中的薄板；第三,在汽車的前方安裝兩個上述的裝置,左右各一個，數(shù)據(jù)處理的是距離本車較近的一個超聲波傳感器輸出的數(shù)據(jù)；第四,將驅動和超聲波傳感器相連，再將驅動和放大器相連，再將放大器與單片機相連；第五，將回波放大裝置和超聲波傳感器相連，再將回波放大裝置和整形裝置相連，然后將整形裝置和單片機相連；第六，選擇合適的單片機以實現(xiàn)相應的功能；第七，將汽車中的自帶的測速裝置和單片機相連，來測算出前方車輛的速度；第八，將一個顯示器和單片機相連，以便顯示出前方車輛的速度和本車與前方車輛的距離；第九，將一個蜂鳴器和單片機相連，在車輛到達危險距離時進行聲音警報，將語音提示系統(tǒng)加入，提示前方車輛的行駛方向；第十，將一個存儲器和單片機相連，里面存儲電阻和加速度對應關系的數(shù)據(jù)庫；第十一，再建立一套剎車裝置，由數(shù)字電阻芯片、放大器和電動機組成。當兩車相距在危險距離時，單片機輸出的相應信號傳到動機進行減速，并不一定是停車，通過這可以防止司機在注意力不集中或者上面的警報裝置出現(xiàn)問題等情況下進行應急，自動減速，可以防止前后車輛追尾；第十二，在整套系統(tǒng)中安裝開關以控制本是否使用系統(tǒng)；第十三，對單片機進行相應的編程，以實現(xiàn)上述的功能；第十四，將程序燒錄到單片機中。E、成果形態(tài)及未來設想成果形態(tài)：（原理圖）從目前的技術來看，雷達技術經(jīng)過上百年的發(fā)展已經(jīng)變得很完善了，這也讓我們這片的技術變得非?？煽?。隨著近些年的發(fā)展單片機技術也相當成熟，單片機的價格也降了下來，這將為我們的產(chǎn)品推廣帶來很大的推動作用，同時另一項重要組成元件——數(shù)字電阻芯片，技術上也已經(jīng)很成熟了而且價格在可接受的范圍內(nèi)。我們產(chǎn)品的缺點是主要強調(diào)了預警作用而自動處理危機情況的功能太少。隨著我們研究的深入以及對各種出現(xiàn)情況數(shù)據(jù)統(tǒng)計，將增強產(chǎn)品自動處理危機情況的功能。該項智能雷達預警系列產(chǎn)品在市場上有很大的前景，前期沒有特別強勁的競爭對手。而該項目的高智能化、無人化，對人的快節(jié)奏生活方式帶來很大程度上便利，安全可靠。故而全方位智能預警雷達定將取代老式的后視雷達。本項目推廣應用長途貨車，客車，私家汽車。

本文作者：程亞平孫喜紅工作單位：黃淮學院

摘要：介紹了基于DDS技術的自適應米波雷達自動頻率控制系統(tǒng)?熏該系統(tǒng)以直接數(shù)字頻率合成技術（DDS）為基礎，以單片機為控制核心，采用高速高精度脈內(nèi)測頻技術精確測量米波脈沖雷達的發(fā)射頻率，并根據(jù)測量結果由單片機控制本機振蕩器，改變其輸出的本振頻率，保證中頻頻率穩(wěn)定，確保雷達接收機的技術、戰(zhàn)術性能得到充分的發(fā)揮。

關鍵詞：本機振蕩器直接數(shù)字頻率合成自動頻率控制脈內(nèi)測頻

雷達系統(tǒng)根據(jù)其工作頻率一般分為米波雷達、分米波雷達和厘米波雷達，其接收機通常是超外差形式的。分米波雷達和厘米波雷達由于其工作頻率較高，一般都有自動頻率控制（AFC）系統(tǒng)，控制本振頻率自動跟蹤發(fā)射頻率的變化，或者控制發(fā)射頻率自動穩(wěn)定在本振頻率對應的頻率點上，保證雷達接收機的中頻頻率穩(wěn)定。但是傳統(tǒng)的模擬式單環(huán)路或雙環(huán)路AFC系統(tǒng)由于受模擬電路本身的局限，使得AFC的跟蹤速度慢、跟蹤頻率范圍窄、精度低，甚至有可能出現(xiàn)錯誤跟蹤的情況；此外，控制本振的自頻控雷達由于在本機振蕩器上加裝了頻率調(diào)整裝置，影響了本振的頻率穩(wěn)定度，這對動目標雷達而言是難以接受的。米波雷達由于其工作頻率較低，基本上沒有自動頻率控制系統(tǒng)，但是米波雷達的發(fā)射機工作頻率和接收機本機振蕩頻率由于環(huán)境溫度、電源電壓和負載變化而發(fā)生一定的變化，其變化范圍從幾十千赫茲到數(shù)百千赫茲，通常在500～600kHz之間。雖然由此造成的中頻頻率變化量的絕對值不會超出中頻放大器的通頻帶范圍（中頻放大器的通頻帶通?！?MHz），但是數(shù)百千赫茲的變化量使回波信號不能得到最有效的放大，造成雷達接收機技術、戰(zhàn)術性能降低，此時即使加裝DSU（DigitalStableUnit）設備，也由于中頻頻率漂移的影響，使DSU的性能無法得到最有效的發(fā)揮。

應用鎖相環(huán)頻率合成技術實現(xiàn)雷達自動頻率控制系統(tǒng)已經(jīng)是比較成熟的技術方案，這種方案的應用解決了非相參雷達的自動頻率跟蹤與本振頻率穩(wěn)定度之間的矛盾，但是鎖相環(huán)固有的大慣性、大步進間隔和非線性誤差卻嚴重地限制著鎖相環(huán)自動頻率控制系統(tǒng)的性能，使其無法滿足高速、高頻率分辨率、大帶寬的要求。

DDS技術是近幾年來迅速發(fā)展的頻率合成技術，它采用全數(shù)字化的技術，具有集成度高、體積小、相對帶寬寬、頻率分辨率高、跳頻時間短、相位連續(xù)性好、可以寬帶正交輸出、可以外加調(diào)制的優(yōu)點，并能直接與單片機接口構成智能化的頻率源。基于DDS技術的自適應米波雷達自動頻率控制系統(tǒng)是新一代的自動頻率控制（AFC）系統(tǒng)，它以直接數(shù)字頻率合成技術（DDS）為基礎，以單片機為控制核心，通過高速高精度脈內(nèi)頻率測量模塊對雷達發(fā)射頻率進行精確測量，然后由單片機控制DDS，對發(fā)射頻率進行搜索和跟蹤。因此它是一種易于實現(xiàn)的數(shù)字式智能化自適應頻率控制系統(tǒng)。

圖2DDS頻率合成模塊結構圖

摘要：介紹了激光雷達在輸電線路巡檢中的關鍵技術，總結了點云精細分類和三維重建的方法并探討了未來研究方向，歸納了激光雷達在線路巡檢中的具體應用，可為相關行業(yè)提供參考。

關鍵詞：激光雷達；輸電線路；點云分類；三維重建；關鍵應用

我國不斷發(fā)展電力事業(yè)，電網(wǎng)建設得到迅速發(fā)展，現(xiàn)已形成華北、東北、華中、華東、西北、南方六大區(qū)域電網(wǎng)，規(guī)模位居世界首位。我國在“十三五”規(guī)劃期間又對電力行業(yè)提出更高要求，指出要在2016－2020年間開始建設±1100kv高壓輸電線路，同時提升大電網(wǎng)調(diào)度運行能力，加強電網(wǎng)災害預防，使電網(wǎng)安全運行技術達到世界前列。如今電網(wǎng)結構日益復雜，線路長度不斷增長，采用傳統(tǒng)人工巡檢不但耗時耗力，而且無法做到及時發(fā)現(xiàn)隱患、排除隱患。機載激光雷達技術作為一種新型對地觀測技術，能夠快速進行探測，獲取目標探測物的三維空間信息，并利用點云數(shù)據(jù)構建真三維模型，還原輸電線路走廊地貌，彌補了人工巡檢的不足，無疑成為輸電線路巡檢技術未來探索和發(fā)展的方向。自20世紀50年代起，歐美、日本等發(fā)達國家開始將激光雷達系統(tǒng)應用于輸電線路搶修。我國則起步較晚，在2009－2013年間還處于技術探索階段，主要進行小規(guī)模科研實驗，2013年以后開始大規(guī)模應用，該技術在國網(wǎng)、南網(wǎng)等大型電網(wǎng)公司的生產(chǎn)項目中取得了不錯的成果，如國網(wǎng)通用航空有限公司在國內(nèi)率先應用機載激光雷達進行輸電線路巡線，結合帶電維修，形成了系統(tǒng)的運維業(yè)務。2016年河南省電力公司首次將無人機與激光雷達三維成像技術結合用于500kv線路巡檢。同年，廣東電網(wǎng)采用無人機機載激光雷達對汕頭110kv崗河線、棉河線進行掃描。2018年國網(wǎng)雅安電力（集團）公司對220kv下石一、二線輸電線路開展了實驗工作。機載激光雷達技術的產(chǎn)生大量減少了人力物力的投入，提高了生產(chǎn)效率，隨著成本逐步降低，必將在全國范圍內(nèi)擴大應用。本文將對機載激光雷達關鍵技術和在電力巡檢中的具體應用進行論述，展望了激光雷達技術的發(fā)展前景。

1關鍵技術

1.1激光雷達系統(tǒng)。激光雷達技術是近十幾年發(fā)展起來的一種新的空間信息采集技術，通過發(fā)射高頻率激光脈沖，對目標地物進行掃描，獲取海量點云數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)不僅包含目標物體的三維信息，還包含幾何結構、弱紋理和語義信息。激光雷達系統(tǒng)在功能上整合了激光雷達技術、全球定位系統(tǒng)（GPS）和慣性導航系統(tǒng)（INS），通過搭載于不同的遙感平臺，實現(xiàn)了高精度地形地貌數(shù)據(jù)的快速采集。其擁有以下幾個特點：①數(shù)據(jù)精度高，目前激光雷達可獲得毫米甚至微米級別的探測。②數(shù)據(jù)量大。激光雷達每秒可以獲取數(shù)十萬個點云數(shù)據(jù)，這為后期對目標地物進行還原和建模提供了大量可靠的數(shù)據(jù)資源。③不受天氣、太陽高度角、地形等自然條件影響，支持全天候作業(yè)。④激光雷達不受電磁波的干擾，因此在低空、超低空的條件下仍可獲得清晰的影像。激光雷達系統(tǒng)根據(jù)搭載平臺的不同可分為星載、機載、車載和地面4類，其中機載激光雷達（如圖1）受天氣影響小，掃描角度靈活，應用最為廣泛，目前已有70余種機載激光雷達系統(tǒng)投入市場，如瑞士Leica公司研發(fā)的ALS60、加拿大Optech公司的ALTM、奧地利IGI公司的RIGEL等。1.2數(shù)據(jù)存儲。激光雷達系統(tǒng)獲取的海量點云數(shù)據(jù)在豐富了地理空間信息的同時也產(chǎn)生了數(shù)據(jù)存儲管理問題。面對GB甚至TB級別的點云數(shù)據(jù)，單機內(nèi)存有限，基于全內(nèi)存的存儲方式不再適用，如何進行高效存儲是一項重要的研究課題?；诜植际降拇鎯夹g為海量數(shù)據(jù)存儲提供了新的思路，其采用可擴展的系統(tǒng)架構，利用多臺普通服務器組成分布式服務集群共同分擔存儲負荷，利用位置服務器定位存儲信息，提高了系統(tǒng)的可靠性、可用性和存取效率、降低了開發(fā)成本。分布式存儲系統(tǒng)分為關系型數(shù)據(jù)庫和非關系型數(shù)據(jù)庫，其中非關系型數(shù)據(jù)庫更適合于非結構化的點云數(shù)據(jù)存儲。目前已經(jīng)成熟的技術有HBase、Cassandra和MongoDB等，研究人員基于非關系型數(shù)據(jù)庫進行了海量數(shù)據(jù)存儲的方案設計和研究。2010年崔鑫[1]提出了基于HBase的海量數(shù)據(jù)分布式存儲的解決方案，并設計了并行處理引擎MapReduceGIS；2012年張廣弟[2]提出一種基于MongoDB和MapReduce的數(shù)據(jù)存儲與并行處理解決方案；2016年郭瑞[3]基于MongoDB搭建Sharding集群，對激光點云數(shù)據(jù)存儲和并行處理進行了測試，結果表明該集群具有良好的故障轉移恢復和可擴展性等特性。1.3激光點云精細分類。激光點云精細分類（如圖2）是將一系列離散的、不連續(xù)的點云按照一定的標準規(guī)范進行提取和識別。這一部分內(nèi)容是激光雷達數(shù)據(jù)處理的重中之重，約占整個數(shù)據(jù)后處理60%～70%的工作量，是構建數(shù)字地面模型、復雜場景建設等后續(xù)應用的基礎，因此研究也最多。由于激光雷達獲取的點云數(shù)據(jù)包含了所有地物點，所以對輸電線路走廊進行分析前需要先從海量點云數(shù)據(jù)中分離出地面點（即濾波），然后將非地面點按照一定的規(guī)則細分出輸電線路（桿塔、導線）、建筑、植被（高植被、低植被）、橋梁等，主要流程如圖3所示。其中地面點濾波主要分為基于坡度[4]、基于形態(tài)學、基于曲面擬合、基于不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）[5]、基于分割和基于機器學習6種方法。其中基于不規(guī)則三角網(wǎng)算法最為穩(wěn)健，能夠較好地處理具有階躍特征的地貌[6]，其原理是首先對區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，然后將各網(wǎng)格中的最低點作為地面種子點建立不規(guī)則三角網(wǎng)，通過測量非種子點到所在三角形的反復角和反復距離，將滿足閾值條件的點加入TIN中，最終分離出地面點[7]。對于除地面以外的其他地物，多利用其自身點云形態(tài)、點云密度、高度差和回波次數(shù)等特征進行區(qū)分。例如導線位于電力走廊最上部，呈線狀分布且只具有一次回波；桿塔在空間上點云密度大，俯視時輪廓為矩形；樹木的點云形態(tài)多不規(guī)則、密度較大，具有多次回波；建筑物屋頂則多呈規(guī)則矩形，一般只具有一次回波。利用這些特性，通過一定算法可將不同地物從點云中分別提取出來。由于輸電線路地處環(huán)境復雜，探索不同地形情景下的點云濾波仍是今后的熱點，融合不同濾波算法的優(yōu)勢將有利于提高地面點云提取精度。此外目前地物分類技術多針對單一地物的提取，不同地物需要采取不同的分類算法，為了降低地物分類的復雜程度，擺脫過度依賴人工定義特征[8]，提高工作效率，研究人員正在朝著機器學習、神經(jīng)網(wǎng)絡等方向進行輸電線路走廊地物自動識別和提取。李曉天等[9]基于層次分析和神經(jīng)網(wǎng)絡對滁州市郊區(qū)地物進行自動分類，能夠較好的區(qū)分出大比例尺地形圖要素；熊艷等[10]利用隨機森林法分類，有效降低了數(shù)據(jù)特征維度。機器學習將在未來電力走廊地物分類中有很大的發(fā)展空間，但是在樣本特征選擇、樣本數(shù)量、分類器選擇、模型訓練等多個方面還需進行深入研究。此外由于激光雷達設備自身性能原因導致采集到的點云數(shù)據(jù)質(zhì)量不高，常會出現(xiàn)點云數(shù)據(jù)缺失等問題，因此除了對方法進行改進外，對于硬件設備的研發(fā)也是突破地物精細分類的一個重要途徑。1.4三維重建技術利用激光雷達獲取的海量高精度點云數(shù)據(jù)，采用三維重建技術可真實再現(xiàn)輸電線路及走廊內(nèi)地物、地貌特征以及輸電設備的空間信息，便于巡檢人員進行危險點檢測，分析不同工況條件下線路安全情況，便于在電力走廊建設前期進行優(yōu)化選線，提高線路設施集中數(shù)字化管理效率和水平，具有很好的社會效益和經(jīng)濟效益。三維重建主要包括導線重建和桿塔、絕緣子等其他地物的重建（如圖4）。輸電導線重建是后期散股、斷股等缺陷識別和交跨距離量測的基礎，因此是輸電線路設施重建的主要對象。輸電導線模型歸結起來主要分為兩類，一類是“間接法”，另一類是“直接法”。“間接法”在建模時考慮了點云的水平誤差和高程誤差，并將電力線三維重建模型分為兩部分，例如直線和懸鏈線模型[11]、直線和一元二次多項式（拋物線）模型[12]、直線和二元多次多項式模型[13]；而“直接法”僅考慮點云的高程誤差、直接對電力線進行建模，如多項式模型[13]。直線與懸鏈線相結合的模型是最為經(jīng)典的算法，主要涉及導線在水平面的投影和在鉛錘面的投影。其中水平投影采用法線式方程構建，如式（1）：d=x×cosα+y×sinα（1）含義為過原點向直線做一條垂線段，該垂線段所在直線的傾斜角為α，其中d代表導線在水平面的長度。導線在鉛錘面上近似作為懸鏈線，如式（2）：y=×αh−cos1αx（2）式中，k、C1、C2為懸鏈線系數(shù)。對于導線模型構建的研究很多，梁靜等[14]采用人機交互法提取導線點云，利用多項式模型進行擬合；林祥國等[15]基于隨機分層抽樣和懸鏈線模型進行了單檔單根導線重建擬合；周汝琴等[16]利用二分法對分裂導線子導線進行提取，并采用懸鏈線模型擬合；汪駿等[17]基于點云分段、聚類分析和懸鏈線擬合進行分裂導線精細三維重建研究。基于激光點云的其他地物重建多依據(jù)點云空間分布特點，采用人工勾畫或通用模型替代。以桿塔重建為例，國外雖有軟件可以利用人機交互方式生成模型，但是比較粗糙，因此一般通過點云獲取桿塔高度、桿塔掛點、絕緣子長度及類型等數(shù)據(jù)，生成簡易桿塔模型，該模型可用于分析導線的安全距離及受力情況，如不同工況的安全距離分析、風偏模擬分析、覆冰模擬分析、桿塔傾斜分析等。三維重建技術為實現(xiàn)輸電線路三維可視化提供了技術支撐，為輸電線路信息管理提供了便利，其中仍存在一些問題：①在導線重建研究中，對于單一導線三維重建算法研究較多，而對于分裂導線的研究較少。由于分裂導線跨度大，相鄰導線間隔小，加之點云數(shù)據(jù)缺失、激光雷達系統(tǒng)噪聲等不可避免的因素影響使得擬合重建困難，通常只把分裂導線當作單導線處理，造成了許多細節(jié)丟失，在高壓、超高壓、特高壓電路分析時往往得不到理想結果；②目前電力走廊中的其他地物的模型多為輔助導線安全距離分析等簡單功能而建，其自身的缺陷無法識別分析，例如桿塔傾斜、絕緣子自爆別以及其他電力設施的故障。難以滿足輸電線路精細建模以及高精度分析等需求。

2機載激光雷達主要應用

1呂梁新一代天氣雷達站供電環(huán)境

1.1供電線路及轉接組成

鳳山山下的公園廣場地勢平坦，并且建有公園管理委員會等辦公機構，在這里安裝著負載為250kW的變壓器，為雷達站供電。當我們模擬供電時，適當開啟供暖（估算功率為15kW）模擬雷達開機工作。電壓發(fā)生很大跳便（發(fā)電機已經(jīng)自動啟動），同時用手觸摸那根6mm2的線纜，感覺有明顯的發(fā)熱現(xiàn)象。這是因為6mm2線纜只能承載單項6kW的額定功率，無法滿足雷達站的供電要求。目前已對供電線纜進行改進，將原有6mm2的線纜改為25mm2，保證了供電系統(tǒng)的安全性。

1.2雷達站的配電情況

在雷達站一樓配電房，安裝著大功率的發(fā)電機組，它可以在外來電源發(fā)生異常時保證天氣雷達的正常工作，同時也向整個雷達站的所有設備供電。呂梁雷達站的雷達用電從一樓配電房連接到二樓雷達機房的UPS。雷達機房按建筑設計為雙電源進線，即一路市電供電線路，另一路柴油發(fā)電機供電線路，由雙電源轉換開關控制。由于在雙電源轉換開關工作時，有一小段的時間間隔，考慮雙電源進線，所以將UPS安裝在雷達機房。發(fā)電機房與UPS之間連接著專用配電柜。經(jīng)過實地勘察發(fā)現(xiàn)，機房四周防靜電地板下的接地銅條選材厚度不夠，應選用厚度為5mm的優(yōu)質(zhì)銅條，現(xiàn)場所用為3.5mm的銅條。另外，在發(fā)射、接收機柜附近應增加布設一條以上標準要求的接地銅條。這樣可以滿足相關防雷規(guī)范的要求。需要注意，這里的地排為雷達機房的機柜設備接地和防雷接地，為了保證用電安全，應將兩者接地分開布置。

2存在的問題