紫外成像系統(tǒng)

紫外成像系統(tǒng)馬立新;黃大?！菊縁ortheharmofcoronadischargetopowersystemisgreat,itisnecessarytodetectthecorona.Asweallknow,theultravioletwavelengthwhichcoronadischargeemitsis200~400nm.Inordertolocatecoronadischargeaccurately,asolarblindultravioletimagingsystemwasdesignedbyusingthesun-blindbandfrom240to280nm.Thehighresolutionlens,narrowbandsolarblindfilterwiththecenterwavelengthof254nmandexternalacquisitionboxwereusedtorealizethefunctionofimageacquisition,imagefusionandimageoutput.Animagingexperimentwaswentthroughtoshoothighvoltageequipmentandthetargetfarawayfrom10metersonsunnydaywith25°C.Thebackgroundimages,UVimagesandfusionimageswereacquiredclearly.Likewise,anothertestwasputforwardtosimulatecoronadischargebytheuseofneedletipdischargeinthelab,fusingcollectedcoronaandvisibleimages.Theexperimentalresultsindicatevalidityofthesystem.%電暈放電對(duì)電力系統(tǒng)的危害巨大，因此有必要對(duì)電暈進(jìn)行檢測(cè)。電暈放電產(chǎn)生的紫外線波長為200-400nm，為了實(shí)現(xiàn)電暈放電位置的準(zhǔn)確定位，利用240~280nm這一日盲波段設(shè)計(jì)了一種日盲紫外成像系統(tǒng)。借助高分辨力鏡頭、中心波長為254nm的窄帶日盲濾光片和外部采集盒，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了圖像采集、圖像融合和圖像輸出的功能。在溫度25C的晴天，對(duì)10m夕卜的高壓設(shè)備進(jìn)行成像實(shí)驗(yàn)，獲得了比較清晰的背景圖像、紫外圖像和融合圖像。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)室里利用針尖放電模型模擬電暈放電試驗(yàn)，融合采集到的電暈和可見光圖像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)原理的正確性。期刊名稱】《光電工程》年(卷),期】2015(000)007【總頁數(shù)】6頁(P1-6)【關(guān)鍵詞】電暈放電;成像系統(tǒng);日盲;融合【作者】馬立新;黃大?！咀髡邌挝弧可虾＠砉ご髮W(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海200093;上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海200093【正文語種】中文【中圖分類】TN230引言隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國電網(wǎng)分布越來越廣泛，伴隨而來的是環(huán)境污染。環(huán)境的污染導(dǎo)致了輸電線路和高壓電氣設(shè)備的絕緣性能大幅下降。設(shè)備絕緣狀況的惡化勢(shì)必會(huì)加劇局部放電現(xiàn)象的發(fā)生，給人們的日常生產(chǎn)和生活帶來很大的危害。為了保障電網(wǎng)線路的穩(wěn)定運(yùn)行和重要電力設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，需要對(duì)高壓設(shè)備的放電狀況進(jìn)行深入的研究。電暈放電［1-2］是一種局部的自持放電，它的發(fā)生條件是：在極不均勻的電場(chǎng)環(huán)境下，當(dāng)電壓還未能引起擊穿前，電離現(xiàn)象已經(jīng)非常強(qiáng)烈，大量空間的電荷積聚一起，使得間隙中的電場(chǎng)發(fā)生畸變。電暈放電危害巨大，會(huì)產(chǎn)生高頻脈沖電流，干擾無線電通訊；會(huì)發(fā)出藍(lán)色的暈光，使周圍空氣溫度升高；能使空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生對(duì)金屬電極造成損壞或腐蝕的物質(zhì)；會(huì)產(chǎn)生大量的能量損耗。因此，很有必要對(duì)電暈放電進(jìn)行檢測(cè)［3-4］。由于電暈放電光譜主要是分布在紫外區(qū)域，所以可以應(yīng)用紫外成像技術(shù)來檢測(cè)電暈放電現(xiàn)象［5-6］，所檢測(cè)的是日盲紫外波段［7］。由于太陽輻射中240-280nm波段的紫外光能被大氣中的臭氧完全吸收，因此利用日盲紫外波段對(duì)電暈進(jìn)行檢測(cè)有助于提高檢測(cè)的準(zhǔn)確度。目前，歐美一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)廣泛應(yīng)用日盲紫外波段進(jìn)行高壓輸變電日間電暈的監(jiān)測(cè)，并且成為了高壓線路安全檢測(cè)的主要手段。而我國在這方面僅僅出于研究階段，一些技術(shù)難題尚未突破。相比較可見光段、紅外段的較廣泛應(yīng)用，我國在該波段的技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用開發(fā)尚未起步。所以，此方面的研究前景廣闊。目前國內(nèi)外設(shè)計(jì)的紫外電暈檢測(cè)系統(tǒng)大多是基于DSP的雙光譜檢測(cè)法［8-9］，其硬件成本昂貴，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，研發(fā)周期較長。文中設(shè)計(jì)了一種單通道的日盲紫外成像系統(tǒng)，利用光路自動(dòng)切換技術(shù)和紫外相機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓設(shè)備電暈放電后發(fā)出的可見光和紫外光的采集。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電暈放電故障點(diǎn)的定位，系統(tǒng)中引入圖像融合技術(shù)［10］。該系統(tǒng)能夠廣泛應(yīng)用于電暈放電的檢測(cè)和定位，為解決電暈問題提供了依據(jù)。1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)紫外成像法檢測(cè)的基本原理是：在高壓設(shè)備電氣放電過程中，空氣中的電子不斷獲得和釋放能量，當(dāng)電子釋放能量時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生紫外線。接收設(shè)備獲得紫外信號(hào)，經(jīng)處理后與可見光影像疊加，顯示在儀器的屏幕上，達(dá)到確定電暈的位置和強(qiáng)度的目的，從而為進(jìn)一步評(píng)估設(shè)備的運(yùn)行情況提供更可靠的依據(jù)。單通道日盲紫外成像系統(tǒng)如圖1所示，其中包含光路自動(dòng)切換模塊(10)、紫外相機(jī)(20)、采集輸出模塊(30)、圖像處理模塊(40)和接收顯示模塊(50)。與雙通道系統(tǒng)采用兩個(gè)CCD在同一時(shí)間采集可見光和紫外光不同，單通道系統(tǒng)只采用一個(gè)CCD，在同一空間不同時(shí)間點(diǎn)上采集圖像。圖1紫外成像系統(tǒng)Fig.1Ultravioletimagingsystem電暈放電產(chǎn)生的紫外光和可見光通過光路自動(dòng)切換模塊和紫外相機(jī)，實(shí)現(xiàn)圖像采集光路自動(dòng)切換模塊設(shè)有偶數(shù)個(gè)鏤空安裝槽，同時(shí)相隔一個(gè)安裝槽就設(shè)有日盲紫外光濾光片，轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)后實(shí)現(xiàn)可見光光路和紫外光光路的切換，要求紫外相機(jī)鏡頭正對(duì)安裝槽。隨著光路自動(dòng)切換模塊中的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)紫外相機(jī)分別采集到直接通過安裝槽的可見光信號(hào)和經(jīng)過日盲紫外濾光片后得到的過濾紫外光信號(hào)。通過圖像處理模塊對(duì)紫外相機(jī)采集到的圖像進(jìn)行處理后，得到既有紫外圖像信號(hào)又有背景圖像信號(hào)的融合圖像，最終將融合的圖像顯示在PC上，實(shí)現(xiàn)高壓設(shè)備上電暈放電的檢測(cè)與定位。硬件設(shè)計(jì)紫外相機(jī)及鏡頭的設(shè)計(jì)采用MicroVista-UV相機(jī)，相機(jī)光譜特性如圖2。MicroVista-UV相機(jī)外形小巧、功耗低、100%像素感應(yīng)加上獨(dú)特鍍膜形成的高量子效率使其在紫外區(qū)的靈敏度高并且提供百萬像素級(jí)別的分辨力和高達(dá)30f/s的全幀讀出速率。全數(shù)字輸出，接口為業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的CameraLink，能滿足試驗(yàn)要求。表1為相機(jī)性能指標(biāo)。圖2光譜特性曲線Fig.2Spectralpattern表1相機(jī)的性能指標(biāo)Table1PerformanceindexesofthecameraReadnoise30e-rmsFullwell40ke-Darkcurrent150e/pixel/sCoolingPassiveaircooling(nofan)Nonlineardegrees<2%ChoiceofROISoftwarecontrolled采用的鏡頭焦距為75mm,通光孔徑53mm，工作波段為200~700nm,F數(shù)為1.4，成像距離為1m到無窮遠(yuǎn)，鏡頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。圖3鏡頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.3Internalstructureofthelens光路切換電路的設(shè)計(jì)光路切換電路設(shè)計(jì)包括濾光片轉(zhuǎn)輪、日盲紫外濾光片、步進(jìn)電機(jī)、單片機(jī)和排線。相機(jī)正對(duì)轉(zhuǎn)輪其中的一個(gè)槽，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)輪的中軸固定在一起，單片機(jī)通過RS-232串口與PC上位機(jī)通信。為了使系統(tǒng)能夠同時(shí)工作，步進(jìn)電機(jī)的電刷通過排線與單片機(jī)連接，單片機(jī)用來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到切換濾光片的目的。系統(tǒng)開始檢測(cè)時(shí)，根據(jù)融合圖像顯示速率的大小要求，單片機(jī)控制轉(zhuǎn)輪按照一定速度切換，設(shè)定切換速度滿足實(shí)時(shí)顯示的目的。例如，當(dāng)輸出圖像為30f/s，因?yàn)檗D(zhuǎn)輪中共有4個(gè)安裝槽，旋轉(zhuǎn)一周可生成2幀融合圖像。則步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為30/2=15r/s。忽略其它因素的影響，可實(shí)現(xiàn)30幀/秒融合圖像，達(dá)到實(shí)時(shí)顯示的效果。在轉(zhuǎn)輪安裝槽內(nèi)相間隔地固定至少一個(gè)紫外濾光片，采用石英玻璃的日盲紫外濾光片，其中心波長為254nm，在峰值254nm處的透過率為20%，只允許波長240~280nm的紫外光通過。軟件算法設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用基于Pleora的IPORTPT1000-CL外部采集盒進(jìn)行圖像融合軟件的設(shè)計(jì)該采集盒能夠獲取CameraLink相機(jī)的圖像數(shù)據(jù)，通過eBUSSDK工具包，解決了CameraLink接口與千兆以太網(wǎng)接口間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}。紫外相機(jī)與采集盒之間通過BaseCameraLink線進(jìn)行圖像傳輸，采集卡與PC間通過千兆網(wǎng)線傳輸數(shù)據(jù)。在eBUSSDK工具包的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，增加圖像處理的功能。程序中圖像數(shù)據(jù)以bmp格式保存，需要對(duì)采集到bmp格式的可見光圖像和紫外圖像進(jìn)行處理，最終顯示融合的圖像。把圖像處理的函數(shù)所在的文件做成一個(gè)dll（動(dòng)態(tài)鏈接庫），將這些函數(shù)提供為庫函數(shù)接口，在視頻顯示過程中，加載dll模塊和獲取這些函數(shù)指針的代碼，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)融合的畫面。在紫外檢測(cè)過程中，首先利用閾值濾波法對(duì)紫外圖像信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，過濾出紫外相機(jī)所產(chǎn)生的增益噪聲，從而提高紫外圖像信號(hào)的分辨力。為確定電暈放電的位置和強(qiáng)度，需要對(duì)采集的可見光背景圖像和紫外圖像進(jìn)行融合處理。采用小波變換法的融合算法，將可見和紫外圖像分解成具有不同分辨力的子圖像，再根據(jù)不同的頻域采用不同的融合規(guī)則，合成同時(shí)具有兩幅源圖像的有用信息的圖像。圖像經(jīng)小波分解后，紫外信號(hào)和可見光信號(hào)的細(xì)節(jié)信息主要體現(xiàn)在高頻區(qū)域，模糊信息體現(xiàn)在低頻區(qū)域。假設(shè)待融合可見光圖像和紫外圖像分別為A、B，融合后的圖像為F。在高頻區(qū)，系統(tǒng)采用基于像素點(diǎn)絕對(duì)值取大的融合規(guī)則處理。為了獲取可見光信號(hào)中的背景信息，同時(shí)保留紫外信號(hào)的信息，在低頻區(qū)采用基于區(qū)域方差匹配度的融合規(guī)則。圖像A和B的低頻系數(shù)矩陣在r點(diǎn)的區(qū)域方差匹配度Q（r）為其中：r表示小波系數(shù)的空間位置（a，b），w（r）表示權(quán)值，Z（A，r）、Z（B，r）分別表示圖像A、B的小波低頻系數(shù)矩陣下空間位置為（a，b）元素的值，u（A，r）、u（B，r）分別表示圖像A、B的低頻系數(shù)矩陣以r為中心R區(qū)域的平均值。定義圖像X的低頻系數(shù)矩陣的區(qū)域方差顯著性S（X，r）:當(dāng)Q（r）＜0.5時(shí)，采用融合策略：當(dāng)Q（r）＞0.5時(shí)，采用融合策略：其中：S（A,r）、S（B,r）分別表示圖像A、B的低頻系數(shù)矩陣的區(qū)域方差顯著性H為區(qū)域方差匹配度閾值，這里取H=0.5。確定高頻區(qū)和低頻區(qū)的小波系數(shù)后，進(jìn)行小波逆變換，得到最終融合圖像。系統(tǒng)首先讀取一行的可見光背景圖像和紫外圖像數(shù)據(jù)，若無紫外圖像則輸出可見光圖像，否則直到讀取完一幀紫外圖像信號(hào)為止，然后輸出完整的一幀融合圖像信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析為了驗(yàn)證系統(tǒng)的正確性，文中進(jìn)行了兩組試驗(yàn)。一組試驗(yàn)：在相對(duì)濕度30%、溫度25°C的晴天，對(duì)10m外的高壓設(shè)備進(jìn)行成像試驗(yàn)，獲得的可見光背景圖像如圖4所示，紫外圖像如圖5所示，采用加權(quán)平均法融合結(jié)果如圖6所示，本系統(tǒng)融合結(jié)果如圖7所示。圖4可見光背景圖Fig.4Visibleimage圖5紫外圖像Fig.5UVimage圖6加權(quán)平均法融合結(jié)果Fig.6Fusedresultofweighted-average圖7本系統(tǒng)融合結(jié)果Fig.7Fusedresultofthesystem另一組試驗(yàn)：在相對(duì)濕度40%，溫度22C條件下對(duì)3m外的紫外光源和背景進(jìn)行成像試驗(yàn)，試驗(yàn)圖像來自同一場(chǎng)景下不同光譜圖像。圖8是可見光背景圖像，圖9是紫外圖像。需要說明的是，紫外光源由針尖放電模型的電暈裝置產(chǎn)生。圖10和圖11分別為加權(quán)平均法融合結(jié)果、本系統(tǒng)融合結(jié)果。圖8可見光背景圖Fig.8Visibleimage圖9紫外圖像Fig.9UVimage圖10加權(quán)平均法融合結(jié)果Fig.10Fusedresultofweighted-average圖11本系統(tǒng)融合結(jié)果Fig.11Fusedresultofthesystem目前市場(chǎng)上進(jìn)行高壓設(shè)備放電檢測(cè)常用的儀器有超聲波檢測(cè)儀和紅外熱像儀等，然而存在一些缺陷。超聲波檢測(cè)儀很難直觀準(zhǔn)確地定位放電點(diǎn)和進(jìn)行定量分析；紅外熱像儀檢測(cè)溫升是一種間接檢測(cè)放電的方法。與這兩種常用的檢測(cè)儀器相比，該紫外成像系統(tǒng)能夠直觀地觀察到放電的情況，迅速準(zhǔn)確地定位放電點(diǎn)的位置，準(zhǔn)確判斷運(yùn)行設(shè)備的健康程度，同時(shí)可檢測(cè)出設(shè)備及絕緣的早期故障和性能降低。然而，該紫外檢測(cè)技術(shù)與紅外檢測(cè)技術(shù)之間并不沖突，而是一種互補(bǔ)性的技術(shù)。一個(gè)完整的電力設(shè)施檢測(cè)應(yīng)該包括紫外成像、紅外成像和可見光檢測(cè)。電暈是一種發(fā)光的表面局部放電，由于空氣局部高強(qiáng)度電場(chǎng)而產(chǎn)生電離。該過程引起微小的熱量，通常紅外檢測(cè)不能發(fā)現(xiàn)。紅外檢測(cè)通常是在高電阻處產(chǎn)生熱點(diǎn)。兩者在檢測(cè)實(shí)踐中各有優(yōu)勢(shì)。歐美發(fā)達(dá)國家市場(chǎng)上普遍使用的OFIL公司生產(chǎn)的紫外成像儀，其融合模式大多是加權(quán)平均融合，適用于對(duì)融合圖像質(zhì)量要求不高而對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)合。與此相比，文中系統(tǒng)采用的融合算法耗時(shí)相對(duì)較長，然而能夠輸出更清晰的融合圖像，適用于固定目標(biāo)或?qū)?shí)時(shí)度要求不高而對(duì)放電點(diǎn)可識(shí)別度要求較高的場(chǎng)合。從兩組合成圖像中可以直觀地看到本系統(tǒng)的融合圖像更清晰，放電故障點(diǎn)的可識(shí)別度高，驗(yàn)證了系統(tǒng)的正確性。5結(jié)論針對(duì)高壓輸變電日間電暈的監(jiān)測(cè)，研制了一種單通道的日盲紫外檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)無需人工操作，光路切換過程全自動(dòng)化，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、定位故障準(zhǔn)確的特點(diǎn)。與當(dāng)前流行的雙通道結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)相比，有著明顯的優(yōu)勢(shì)：1)硬件成本降低。系統(tǒng)只對(duì)濾光片的要求嚴(yán)格，節(jié)省了雙通道系統(tǒng)的高性能DSP處理器和精密的光學(xué)器件等成本；2)簡(jiǎn)化了光路設(shè)計(jì)，減少了分光鏡和反光鏡，不但降低了圖像配準(zhǔn)的隨機(jī)誤差，而且提高了信號(hào)測(cè)量的靈敏度。通過成像實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。為了研究的方便，實(shí)驗(yàn)中并未考慮一些復(fù)雜因素影響，包括空氣的濕度、氣壓、海拔等，這些都會(huì)對(duì)成像產(chǎn)生影響，今后的研究會(huì)考慮到。另外，有一些需要改進(jìn)的地方。由于紫外檢測(cè)系統(tǒng)不能僅僅局限于PC平臺(tái)，今后研究方向是要能實(shí)現(xiàn)巡檢功能。對(duì)電暈放電強(qiáng)度的量化分級(jí)，還需要作進(jìn)一步深入的研究。參考文獻(xiàn)：張海峰，龐其昌，李洪，等?基于UV光譜技術(shù)的高壓電暈放電檢測(cè)J].光子學(xué)報(bào)，2006,35(8):1162-1166.ZHANGHaifeng,PANGQichang,LIHong,etal.DetectionofhighvoltagecoronabasedonUVspectrumtechnology[J].ActaPhotonicaSinica，2006，35(8):1162-1166.馬立新，胡博，徐如鈞，等?雙通道電暈放電紫外檢測(cè)及其圖像融合方法[J].測(cè)控技術(shù)，2012,31(10):16-19.MALixin,HUBo,XUNRujun,etal.DualchannelblinddetectionofUVcoronadischargeandmethodofimagefusion[J].Measurement&ControlTechnology，2012，31(10):16-19.葉柏松，袁永剛，王繼強(qiáng)，等?一種便捷式電暈檢測(cè)紫外相機(jī)的設(shè)計(jì)[J].紅外，2013，34(4):24-27.YEBaisong，YUANYonggang，WANGJiqiang，etal.DesignofaPortableUVCameraforCoronaDetection[J].Infrared，2013，34(4):24-27.王彥，梁大開，趙光興，等?基于ICCD的高壓電暈放電紫外光譜檢測(cè)[J].紅外與激光工程，2013,42(9):2431-2436.WangYan,LiangDakai,ZhaoGuangxing，etal.DetectionofultravioletspectrumbasedonICCDinthehighvoltagecoronadischarge[J].InfraredandLaserEngineering，2013，42(9):2431-2436.⑸靳貴平，龐其昌?紫外成像檢測(cè)技術(shù)[J].光子學(xué)報(bào)，2003,32(3):294-296.JINGuiping，PANGQichang.TheKeyPointsofUVImagingandDetectingSystem[J].ActaPhotonicaSinica，2003，32(3):294-296.王少華，梅冰笑，葉自強(qiáng)，等.紫外成像檢測(cè)技術(shù)及其在電氣設(shè)備電暈放電檢測(cè)中的應(yīng)用[J].高壓電器，2011,47(11):92-97.WANGShaohua,MEIBingxiao,YEZiqiang，etal.Ultravioletimagingdet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