直升机高压线防撞处理研究综述

□ 中国民用航空飞行学院飞行技术学院 肖艳平 潘建 黄波/文

直升机自诞生以来以其独特的飞行能力和气动特性受到军民航各领域的热爱，比如低空复杂环境飞行、垂直起降和空中悬停等。然而，正是由于直升机具备其他飞行器所不具有的特点，经常需要在低空复杂环境中完成一些特殊的任务，给飞行安全带来极大的挑战。在低空复杂环境中障碍物包括山丘、树木、电线杆、高压线以及楼房等，高压线因其体积小，复杂环境下难以被肉眼识别等被视为对直升机飞行安全影响的首要因素。直升机由于撞击高压电缆线损失的数量已经超过在战场上损失的数量。根据相关机构统计，在1000小时的飞行时间里，直升机事故发生次数大约为10次，事故率远高于固定翼飞机。其中，由于直升机低空复杂环境飞行与障碍物相撞占事故比重的35%。2015年，直升机在全世界的事故次数为507次，引起死亡人数464人。在中国，通航委对外宣称，2015年1月到7月，直升机事故就有6起，其中3起事故是与高压线有关。因此，直升机的高压线防撞处理研究是非常有意义的。

直升机防撞方法

最初，美国军方提出使用夜视镜、图像增强仪作为直升机高压电缆线防撞的一种手段，但是由于受到天气状况（降雨、沙尘暴、烟雾等）、作用距离等因素的限制，不能提供较长的预警时间，很快便被淘汰了。电缆切割器（WSPS）是早期作为直升机防撞高压电缆线的有效手段，极大地降低了直升机与电缆线碰撞后发生损坏的风险。但是WSPS只能作为应急时期的被动措施，并不能从根本上避免直升机与高压线的相撞问题。如若要起到切割作用，直升机的飞行速度必须大于30节，并且需要以大于60°的角度撞线，否则可能无法切割高压线。

随着直升机防撞设备不断更新，1980年电磁场探测器的构想被提出，这种利用电磁场的强度和方向来提取距离和方向信息的仪器，质量轻、造价低，但若高压电缆线并未在电力输送期间，电磁场探测器的作用微乎其微，所以它的适用范围被极大的限制了。直升机高压线防撞设备还有飞行报警系统（FLARM），它是以全球定位系统为基础的现有机载系统，它会对所存储的区域内的障碍物（比如：高压线、天线等）进行比较，能够对静止的障碍物提供听觉和视觉报警。

近年来，陈国君、安妮等人提出了基于红外技术的机载高压电缆线防撞线装置，设计了一种机载高压线躲避障碍物算法，利用红外成像技术结合数字图像技术，实现对高压电缆线的提取与识别，从而能有效地避免直升机撞击高压电缆线。总之，直升机载防撞方法的发展呈多元化发展趋势，给直升机避免撞击高压线带来越来越多的帮助。

直升机机载防撞雷达

高压线有很多种探测方法，目前直升机上高压线探测设备主要是激光防撞雷达与毫米波防撞雷达。激光防撞雷达精度高、显示画面直观、探测能力强，但是技术风险大、成本高、在白天工作时其系统性能会被太阳射线干扰，并且不能穿透烟雾和沙尘。毫米波防撞雷达全天候能力强、扫描视场大、抗地波能力强并且能在烟雾、沙尘和雨雪等状况下工作，对高压线能有效地实现高扫描率和高分辨率，但相较激光防撞雷达，其角分辨率和探测能力等优势不明显。

（一）激光防撞雷达

机载激光雷达结合了高精度动态DGPS技术、姿态测量技术与激光测距技术等，能够获得精确的物体三维坐标和高分辨率的数字地理模型。相关研究表明，直升机载激光雷达探测高压线时主要为以下两点关键技术：一是需要准确地识别与模拟出高压线；二是能够高效地处理大量数据。

从机载设备方面，为了准确地识别出高压线，安妮针对高压线的特点，在基于局部自适应阈值分割算法的条件下，采用数字图像处理技术与灰度图像特性，降低了图像处理难度。但是，识别高压线不仅仅要求机载设备卓越的性能，对于飞行员的识别能力同样具有相当高的要求。在直升机进行爬升或者转弯时，在激光雷达探视场内引入相应的俯仰角与侧滚角时，飞行员对翻转变形的探测图像难以快速读取。对此，张清源、李丽等人设计出一种激光雷达综合信息处理系统，该系统改进了人机界面，有效地修正了机动条件下探测的数据、快速提取出高细微目标，解决了飞行员难以高效地解读探测信息的难题。

激光雷达在发射系统、接收系统进行传输数据与信息处理过程中会产生大量的干扰信息，容易产生冗余数据，对激光雷达识别能力有一定影响，但是对其数据进行预处理后能大大优化。于是对于高压线识别的过程中，汤春俊、许剑等人设计出一种激光防撞雷达对高压线交跨距离的自动检测系统，该系统对扫描频率进行了优化，同时采用了数据预处理的方法。对该系统验证表明，该系统的实时性、准确性均符合相关设计要求。同时，激光防撞雷达的每一幅障碍物图像的数据量也十分巨大，并且校正处理的算法较复杂。于是王蔚然、潘晓强等人提出了缩略修正法，解决了实时获取目标信息与修正运算之间的矛盾。

（二）毫米波防撞雷达

毫米波防撞雷达的关键技术主要集中在对于高压线的检测与识别，其中最为重要的是研究高压线电磁散性。然而，大多数研究会把高压线近似等于同型号圆柱体，但是张瑞、魏玺章等人根据毫米波段高压线的R C S分析了电磁散性，确定该理论不适用于毫米波雷达，因为丢失了大量有效信息，影响了毫米波雷达监测与识别的性能。同时，在对高压线的电磁散射特征理论分析的基础上，葛贵勋利用了脉冲积累技术提高了高压线回波的信噪比，设计并实现了基于现场可编程门阵列（FPGA）的机载毫米波雷达信号处理系统。

卫青春、杨晓亮等人对高压线分别以静态与动态的处理方法进行了研究。静态检测试验表明，高压电缆线的布喇咯散射效应和其输电铁塔的强回波特征，是检测高压线存在的重要信号，能够作为检测高压线的依据；同时，在动态检测试验中，通过有效探测布喇咯散射回波峰和输电铁塔的强回波，经过增强目标散射中心、坐标变换运动补偿、多帧积累和霍夫变换提取直线，进而检测到高压线。但是，由于布喇咯效应作用距离短，雷达照射角度有限，张明、唐尧等人提出用计算机视觉处理方法处理对高压铁塔识别以及高压线的走向，并且根据马尔科夫随机场的领域处理解决了在地面杂波干扰情况下提取高压线的难题。

障碍物标识

对直升机低空作业的障碍物（高压线）进行标识，也有利于提高直升机低空飞行的安全水平。对于超过地面200 f t的任何物体（包括其附属零件），不论是临时还是永久构建物，都应进行标识。在对障碍物标识中，球形标志主要用于提示飞行员架空地线与飞机的相对位置，避免发生飞机撞线事故。国家能源局对直升机电力巡视作业规定球形标志的直径应不小于40 c m，颜色要求为红色。球形标志应安装在地线上，且两根地线都要安装，间隔为120～150 m。这样，在飞行员低空目视飞行时，有利于直接观察到高压线，对直升机避免撞击高压线有一定作用。

建议

直升机超低空作业时需要在不同的能见度下进行近地飞行，因此无法完全消除由于线缆及其他障碍物而带来的危害。但是随着机载设备以及其他各方面的不断改进，可大大减少直升机与高压线撞击事故概率。对此，本文提出以下3点建议，以尽可能避免出现直升机撞击高压线的事故。

1.选装机载设备：随着直升机机载防撞设备的不断进步，可选装两种及其以上的设备（比如装置毫米波雷达与电缆切割器），进而可以从主动探测与被动处理两个方面更加有效地解决撞击高压线的问题。

2.加强飞行管理：对于直升机低空复杂环境飞行时，一定要严格按照批准的飞行计划执行，操作程序应严格遵守相关的法规和政策。

3.低空目视航图：目前我国低空目视航图处于起步阶段，但是随着低空空域的不断开放，低空目视航图将会是直升机低空飞行安全的重要保障。所以，加快我国低空目视航图的发展将是一个可行的方案。