CN103308833A - 一种用于电晕探测的紫外图像故障定位处理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种紫外图像故障定位系统，包括分光镜、日盲滤镜、可见光透镜、可见光成像、紫外透镜、紫外成像探测器、图像处理单元和图像合成单元，分光镜将目标光辐射信号分成透射光和反射光两路光，透射光穿过可见光透镜进入可见光成像CCD，反射光先经过日盲滤镜，之后穿过紫外透镜进入，紫外成像探测器的紫外图像经过图像处理单元进行图像处理后，与可见光成像CCD形成的普通图像一起，输出到图像合成单元，经过图像合成单元的处理得到合成的输出图像。本发明对紫外动态图像进行分析和处理，有效抑制背景噪声和紫外成像探测器的热噪声，图像经过处理之后，可以清晰地观察到高压设备电晕放电图像信号，从而有效地提高了对高压放电故障点定位的准确性。

Description

一种用于电晕探测的紫外图像故障定位处理系统及方法

技术领域

本发明涉及电晕探测技术，尤其涉及用于电晕探测的紫外光谱探测技术。

背景技术

当架空输电线路表面的电场强度超过空气分子的游离强度，空气分子就会被电离，这时可以听到“刺刺”的放电声，嗅到臭氧的气味，在夜间还可以看见导线周围发出的蓝紫色荧光，这种现象称为“电晕放电”或简称“电晕”。电晕要消耗电能，电晕放电时产生的脉冲电磁波对无线电和高频通信会产生干扰。此外，电晕还会使导线表面发生腐蚀，从而降低了导线的使用寿命。

目前，架空输电线路的线路巡检主要采取远红外望远镜、超声电晕探测器及人工目视检查。由于电晕放电的目标小、强度弱，目视很难观察到；而太阳光中含有很强的红外线，用红外线望远镜观察误检率较高。另外红外线检查仪的响应速度慢，不适于航拍。有人曾试图用沿线设置无线电探测器的方法进行电晕的测量，其唯一的优点是可连续检测，但费用高，准确度低，安全性差是致命的弱点，难以实现。紫外光谱探测技术是一种新的探测方法，使用它可以在日光下获得清晰的紫外光图像，可靠方便，误报率低。

电晕放电的紫外光谱主要在200～400nm波段。在空气中，电晕放电的峰值波长在300～360nm。但是在300～360nm波段，地表太阳辐射比电晕强得多，而在“日盲”紫外波段(240～280 nm)电晕放电的强度要弱得多，但此时太阳在地表的背景辐射为零，因此，通常选择在日盲波段进行电晕放电检测。

用于电晕放电检测的紫外成像系统的成像质量主要取决于其核心部件紫外像增强器和“日盲”紫外滤光片。这种核心部件的高端器件的具有高性能，但购买这些高性能的高端器件一直受到严格的限制。因此，常常不得不选用性能较低的低端紫外像增强器和低端“日盲”紫外滤光片作为核心部件。低端的紫外像增强器噪声大，成像质量要差一些；另外紫外滤光片的性能指标也达不到高端的先进水平。因此，在现有条件下，系统的成像质量受到一定影响，噪声较大，在信号较弱时，人眼直接观察无法判别故障点的位置。

因此，需要提出一种紫外图像故障定位处理装置，可以清楚地定位故障点的位置。

发明内容

为解决本发明所提出的问题，本发明的目的是提供一种可以对紫外动态图像进行分析和处理的系统和方法，可以有效抑制背景噪声和紫外像增强器的热噪声并清晰地看到故障点所在位置。

所述紫外图像故障定位处理系统包括分光镜、日盲滤镜、可见光透镜、可见光成像、紫外透镜、紫外成像探测器、图像处理单元和图像合成单元，分光镜将目标光辐射信号分成透射光和反射光两路光，透射光穿过可见光透镜进入可见光成像CCD，反射光先经过日盲滤镜，之后穿过紫外透镜进入，紫外成像探测器的紫外图像经过图像处理单元进行图像处理后，与可见光成像CCD形成的普通图像一起，输出到图像合成单元，经过图像合成单元的处理得到合成的输出图像。

所述紫外成像探测器包括紫外成像镜头、日盲紫外滤光片、光电阴极、微通道板、荧光屏和光纤光锥耦合CCD相机，光束经过紫外成像镜头后，再通过日盲紫外滤光片，照到光电阴极上，光束在光电阴极形成光电子，光电子经过微通道板204后，信号被增强放大并通过荧光屏转化为可见光信号输出，然后由光纤光锥耦合CCD相机得到紫外图像。

所述紫外成像探测器和所述可见光成像CCD的视场范围相同。

本发明的另一目的是提供一种用于电晕探测的紫外图像处理方法。

所述紫外图像处理方法，包括以下步骤：

1）输入灰度图像；

2）将灰度图像进行自适应门限二值化，再将二值图像加入到一个预先建立好的长度为N的图像队列，如果队列长度大于N则删除第1帧，那么此图像队列所存储的便是最近的N幅二值图像；

3）空间区域概率统计，对N幅二值图像进行分析，统计在指定区域内不同坐标点1出现的概率，得到一幅概率图像；

4）图像滤波，概率图像中每个坐标点的值代表这个位置上信号出现的概率，将当前灰度图像的每一点像素的灰度值与对应坐标点的出现概率相乘，得到可以输出的图像；

5）输出图像。

空间区域概率统计步骤中还包括将整幅二值图像划分为很多个不同区域，在指定的图块中出现1就认为这个区域有信号出现，计数加1，统计N幅二值图像中，指定区域出现信号的次数，当出现次数大于阈值时，计算每个像素点的信号出现概率，当出现次数小于阈值时，这个区域的所有像素点的信号出现概率为零。

本发明的另一目的是提供一种用于电晕探测的紫外图像故障定位处理方法，对紫外动态图像进行分析和处理，查找故障位置。

本发明对紫外动态图像进行分析和处理，有效抑制背景噪声和紫外像增强器的热噪声，使得在处理前原本较难对故障进行定位的情况下，采用本方法处理之后，可以清晰地看到故障点所在位置。

附图说明

图1为根据本发明一个实施例的紫外图像故障定位系统结构示意图。

图2为根据本发明一个实施例的紫外成像探测器的结构示意图。

图3为根据本发明一个实施例的图像处理单元的处理流程示意图。

图4为根据本发明一个实施例的整幅二值图像划分为多个不同区域的示意图。

图5a-5f为根据本发明一个实施例的紫外图像处理实验结果。

具体实施方式

图1为根据本发明一个实施例的紫外图像故障定位系统结构示意图。如图1所示，紫外成像系统包括分光镜101、日盲滤镜102、可见光透镜103、可见光成像CCD104、紫外透镜105、紫外成像探测器106、图像处理单元107和图像合成单元108。

如图1所示，目标光辐射信号经过分光镜101分光作用后分成透射光和反射光两路光，透射光穿过可见光透镜103进入可见光成像CCD104。反射光先经过日盲滤镜102，之后穿过紫外透镜105进入紫外成像探测器106。根据本发明的一个实施例，可以在光学设计上使得紫外成像探测器106和可见光成像CCD104的视场范围相同。

在紫外成像探测器106光路上，紫外滤光片滤除了自然光的紫外辐射（280nm～400nm），保留了电晕的紫外辐射，因此可以探测到太阳盲区的电晕。可见光成像CCD104可以探测目标的普通图像。紫外成像探测器106获得的电晕图像和可见光成像CCD104获得的普通图像在图像合成单元进行合成后，呈现一个最终的彩色图像，用于对产生电晕部位的识别与定位。根据本发明的一个实施例，紫外成像探测器106输出的电晕紫外图像还要经过图像处理单元107进行图像处理后，再输出到图像合成单元108，与可见光成像CCD104输出的普通图像在图像合成单元108合成后获得一个最终的彩色输出图像。

图2为紫外成像探测器106的结构示意图。紫外成像探测器包括紫外成像镜头201、日盲紫外滤光片202、光电阴极203、微通道板204、荧光屏205和光纤光锥耦合CCD相机206。光束经过紫外成像镜头201后，有一部分背景光被滤除，有另一部分背景光仍然存在。光束再通过“日盲”紫外滤光片202，照到光电阴极203上。光束在光电阴极203形成光电子，从光电阴极203发射出的光电子经过微通道板204后，信号被增强放大并通过荧光屏205转化为可见光信号输出，然后由光纤光锥耦合CCD相机206得到紫外图像。根据本发明的一个实施例，紫外图像在图像处理单元107经过图像处理之后，最后在图像合成单元108与可见光成像CCD104获得的普通图像合成，形成输出图像，输出图像输出到观察记录设备。

现有用于电晕放电检测的紫外成像系统，由于受到背景噪声和探测器热噪声的影响成像质量降低，噪声较大，在信号较弱时，人眼观察无法判别故障点的位置，本发明针对电晕放电检测紫外成像系统图像信号的特点，设计出一种用于电晕放电检测的紫外图像处理方法，快速、有效的抑制背景噪声和紫外像增强器的热噪声。采用本方法，有效提高了对高压放电故障点定位的准确性。

本发明紫外成像探测器106利用CCD相机探测获得动态图像，动态图像在图像处理单元107经过特殊的算法进行分析和处理，可以有效抑制背景噪声和紫外成像探测器106的热噪声，其处理流程如图4所示。图像处理单元的处理流程包括以下步骤：

步骤301，输入灰度图像。

步骤302，自适应门限二值化。具体而言，将灰度图像进行自适应门限二值化，再将二值图像加入到一个预先建立好的长度为N的图像队列，如果队列长度大于N则删除第1帧，那么此图像队列所存储的便是最近的N幅二值图像。

步骤303，空间区域概率统计。对N幅二值图像进行分析，统计在指定区域内不同坐标点1出现的概率，得到一幅概率图像。按3X3小块将整幅二值图像划分为很多个不同区域，如图4所示。

在指定的图块中出现1就认为这个区域有信号出现，计数加1，统计N幅二值图像中，指定区域出现信号的次数，当出现次数大于阈值时，计算每个像素点的信号出现概率，当出现次数小于阈值时，这个区域的所有像素点的信号出现概率为零。其算法如下：

for(int h=0;h<H;h++)

{

   for(int w=0;w<W;w++)

   {

      int sum = 0;

      for(int n=0;n<N;n++)

      {

        IplImage* pframe=ImageBuffer[n];

        uchar block=0;

        for(int i=0;i<BH;i++)

        {

           for(int j=0;j<BW;j++)

           {

              uchar val = CV_IMAGE_ELEM(pframe,uchar,BH*h+i,BW*w+j);

              if(val>0)

              {

                 block=1;

                 break;

              }

           }

           if(block)

              break;

        }

        sum+=block;

      }

      if(sum>=threshold)

      {

        for(int i=0;i<BH;i++)

        {

           for(int j=0;j<BW;j++)

           {

              CV_IMAGE_ELEM(dst,uchar,BH*h+i,BW*w+j)=0;

              for(int n=0;n<N;n++)

              {

                 IplImage* pframe=ImageBuffer[n];

               CV_IMAGE_ELEM(dst,uchar,BH*h+i,BW*w+j)+=CV_IMAGE_ELEM(pframe,uchar,BH*h+i,BW*w+j);

              }

           }

        }

      }

   }

}

步骤304，图像滤波。概率图像中每个坐标点的值代表这个位置上信号出现的概率，将当前灰度图像的每一点像素的灰度值与对应坐标点的出现概率相乘，得到可以输出的图像，由于经过处理后有效抑制背景噪声和像增强器的热噪声，可以清晰地看到故障点所在位置。

步骤305，输出图像。

图5a-5f表示紫外图像处理实验结果。在测试过程中，视频图像大小为352*224，帧频25s-1，二值图像队列长度N=8，区域块大小为3*3。图5a和图5b分别为第10帧和第11帧图像的原始图像，图5c和图5d分别为第10帧和第11帧图像的二值图像，图5e和图5f分别为第10帧和第11帧图像的处理后图像。图5a和图5bk 第10帧和第11帧图像的原始图像的噪声较大，故障点很难分辨。采用本方法处理之后，大部分噪声干扰被滤除，图像变清晰，高压放电故障点清晰可见。

电晕放电紫外成像检测是一种有效的高压设备故障检测手段，受背景噪声和探测器噪声的影响，输出的紫外图像质量下降，通过人眼观察不容易发现故障点，尤其是在信号较弱时就很难观察到故障点。本发明对紫外动态图像进行分析和处理，有效抑制背景噪声和紫外像增强器的热噪声，图像经过处理之后，可以清晰地观察到高压设备电晕放电图像信号，从而有效地提高了对高压放电故障点定位的准确性。采用本方法，仅需增加较少的成本，即可实现对紫外图像的实时处理，具有良好经济效益。

Claims (6)

1.一种用于电晕探测的紫外图像故障定位系统，其特征在于，包括分光镜、日盲滤镜、可见光透镜、可见光成像、紫外透镜、紫外成像探测器、图像处理单元和图像合成单元，分光镜将目标光辐射信号分成透射光和反射光两路光，透射光穿过可见光透镜进入可见光成像CCD，反射光先经过日盲滤镜，之后穿过紫外透镜进入，紫外成像探测器的紫外图像经过图像处理单元进行图像处理后，与可见光成像CCD形成的普通图像一起，输出到图像合成单元，经过图像合成单元的处理得到合成的输出图像。

2.根据权利要求1所述的用于电晕探测的紫外图像故障定位系统，其特征在于，所述紫外成像探测器包括紫外成像镜头、日盲紫外滤光片、光电阴极、微通道板、荧光屏和光纤光锥耦合CCD相机，光束经过紫外成像镜头后，再通过日盲紫外滤光片，照到光电阴极上，光束在光电阴极形成光电子，光电子经过微通道板后，信号被增强放大并通过荧光屏转化为可见光信号输出，然后由光纤光锥耦合CCD相机得到紫外图像。

3.根据权利要求1所述的用于电晕探测的紫外图像故障定位系统，其特征在于，所述紫外成像探测器和所述可见光成像CCD的视场范围相同。

4.一种用于电晕探测的紫外图像处理方法，包括：

1）输入灰度图像；

2）将灰度图像进行自适应门限二值化，再将二值图像加入到一个预先建立好的长度为N的图像队列，如果队列长度大于N则删除第1帧，那么此图像队列所存储的便是最近的N幅二值图像；

3）空间区域概率统计，对N幅二值图像进行分析，统计在指定区域内不同坐标点1出现的概率，得到一幅概率图像；

4）图像滤波，概率图像中每个坐标点的值代表这个位置上信号出现的概率，将当前灰度图像的每一点像素的灰度值与对应坐标点的出现概率相乘，得到可以输出的图像；

5）输出图像。

5.根据权利要求4所述的紫外图像处理方法，其特征在于，空间区域概率统计步骤中还包括将整幅二值图像划分为很多个不同区域，在指定的图块中出现1就认为这个区域有信号出现，计数加1，统计N幅二值图像中，指定区域出现信号的次数，当出现次数大于阈值时，计算每个像素点的信号出现概率，当出现次数小于阈值时，这个区域的所有像素点的信号出现概率为零。

6.一种用于电晕探测的紫外图像故障定位处理方法，其特征在于，包括权利要求4所述的紫外图像处理方法的步骤。

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