CN104133164A - 空间局部放电定位中的可视投影方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超高频局放信号空间定位方法，特别涉及一种空间局部放电定位中的可视投影方法，其特征在于，包括如下步骤：在初步定位的局部放电信号的空间位置，设置摄像机对其拍照；透过可视投影算法，将初步定位的局部放电空间位置映射到成像照片上。本发明采用四组处于同一平台但不同高度的天线阵列来检测局放信号，并基于时延法来估算局放信号的空间位置。这也是目前变电站局放检测中较为常用且精确的方法。在上述技术背景下，创新性的将可视投影法引入到局放检测技术当中，通过位于检测平台中心的摄像机对局放源所在方位拍照，透过可视投影算法，将局放空间位置映射到成像照片上，为进一步确认局放位置提供了直观依据。

Description

空间局部放电定位中的可视投影方法

技术领域

本发明涉及超高频局放信号空间定位方法，特别涉及一种空间局部放电定位中的可视投影方法。

背景技术

目前在针对变电站全局局放空间定位的研究中，仅对局放点空间位置进行了粗略的定位，尚未有将局放点进行可视化处理的有效方法。

局部放电监测是及时发现电力设备绝缘缺陷,避免绝缘击穿故障的有效手段。局部放电定位有助于制定更有针对性的检修处理方案，减少停电时间，提高检修效率。目前对变电站设备的局部放电检测和定位主要是针对气体绝缘组合开关、变压器、容性设备等具体单一设备进行。而变电站中的任意高压电力设备均可能发生局部放电故障，要想对全站的一次电气设备实施监测，需要在所有设备上都安装局部放电监测装置，成本极高，监测系统的使用效率也较低，而且众多在线监测装置本身的维护工作量也很大。因此，目前的超高频局放在线监测技术虽然性能已经得到认可，但因为成本较高，并没有得到广泛应用。

发明内容

本发明的技术目的是克服现有技术中的问题，提供一种降低成本、效率较高、在初步定位局部放电的空间位置时通过拍照进一步确认的空间局部放电定位中的可视投影方法。

为实现本发明的目的，本发明采用的技术方案为：空间局部放电定位中的可视投影方法，其特征在于，包括如下步骤：

a.在初步定位的局部放电信号的空间位置，设置摄像机对其拍照；

b.透过可视投影算法，将初步定位的局部放电空间位置映射到成像照片上。

前述的空间局部放电定位中的可视投影方法，所述的局部放电信号的空间位置初步定位的方式为：采用四组处于同一平台但不同高度的天线阵列来检测局部放电信号，并基于时延法来估算局部放电信号的空间位置。

前述的空间局部放电定位中的可视投影方法，步骤b的具体实现过程为：

1)构建像素平面坐标系、像物理平面坐标系、相机坐标系、物体坐标系和世界坐标系，坐标系变换的顺序为物体坐标系-世界坐标系-相机坐标系-投影坐标系-裁剪坐标系-屏幕坐标系，屏幕坐标系包括像素平面坐标系和像物理平面坐标系；

2)空间点可视投影：

空间点P通过一个3X4的投影矩阵M映射到像平面上的点p:

p＝MP

投影矩阵M可以分为三部分：

$M=\mathrm{KTG}=K\left(\begin{array}{cccc}-1& 0& 0& 0\\ 0& -1& 0& 0\\ 0& 0& -1& 0\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}R& t\\ 0& 1\end{array}\right)$

其中R为旋转矩阵，t为平移矢量。中间矩阵两个负号代表通过镜头物体呈倒像；K为相机标定矩阵，它包含相机内部参数数据：

$K=\left(\begin{array}{ccc}{f}_u& -f_u\cot \mathrm{\θ}& u_0\\ 0& f_v/\sin \mathrm{\θ}& v_0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)$

其中有5个参数：

f_u，f_v：相机焦距，分别以像素为单位沿水平方向和垂直方向测量；

u₀,v₀:相机主点，即Or点，根据假设1，这里可以均取为0；

θ：相机水平与垂直轴向间的夹角，相机转动时该角度发生变化；

因此，空间点(x,y,z)映射到像物理坐标(xr,yr)写为如下形式：

$\left(\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\\ x_3\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}{f}_u& -f_{u\cot \mathrm{\θ}}& 0\\ 0& f_v/\sin \mathrm{\θ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cccc}-1& 0& 0& 0\\ 0& -1& 0& 0\\ 0& 0& -1& 0\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}R& t\\ 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\\ 1\end{array}\right)$

其中， $x_r=\frac{x_1}{x_3},y_r=\frac{x_2}{x_3}$

前述的空间局部放电定位中的可视投影方法，

在步骤1)中，假设像的中心恰好在光轴上，假设数码相机中图像平面与光轴垂直，假设相机两个方向上焦距相等，假设透镜的焦距很小，像距约等于焦距。

前述的空间局部放电定位中的可视投影方法，

在步骤1)中，像素平面坐标即像素的行、列所标识的坐标，像物理平面坐标系是以图像的中心为坐标原点的坐标系。

本发明采用四组处于同一平台但不同高度的天线阵列来检测局放信号，并基于时延法来估算局放信号的空间位置。这也是目前变电站局放检测中较为常用且精确的方法。在上述技术背景下，创新性的将可视投影法引入到局放检测技术当中，通过位于检测平台中心的摄像机对局放源所在方位拍照，透过可视投影算法，将局放空间位置映射到成像照片上，为进一步确认局放位置提供了直观依据。

附图说明

图1是像素平面坐标示意图；

图2为物理平面坐标系示意图；

图3为相机坐标系示意图；

图4为Model坐标系到World坐标系转换示意图；

图5为坐标系转换示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术方案、技术特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。本发明不限于所述的实施例。

1符号说明

O_p    像素平面坐标系原点               u    像素平面坐标系横轴

v     像素平面坐标系纵轴               O_r     像物理平面坐标系原点

x_r    像物理平面坐标系横轴             y_r     像物理平面坐标系纵轴

O     相机坐标系原点                   x      相机坐标系横轴

Y     相机坐标系纵轴                   M      投影矩阵

R     旋转矩阵                         t    平移矢量

K     相机标定矩阵                     AB(粗体)  向量AB，(粗体表示向量)

2模型假设

(1)假设像的中心恰好在光轴上

(2)假设数码相机中图像平面与光轴垂直

(3)假设相机两个方向上焦距相等

(4)假设透镜的焦距很小，像距约等于焦距

3坐标系构建

(1)像素平面坐标系

像素平面坐标即像素的行、列所标识的坐标，如图1所示：

其中每个像素表示为矩阵的行、列数，如(u,v)＝(1,1)代表第一行第一列的像素。

(2)像物理平面坐标系

像物理平面坐标系是以图像的中心为坐标原点的坐标系，如图2所示：

图2中O_p-uv坐标系为像素平面坐标系，O_r-x_ry_r为物理平面坐标系。两者的转换关系为：

$\left(\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}\frac{1}{d_x}& s& u_0\\ 0& \frac{1}{d_y}& v_0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}_r\\ y_r\\ 1\end{array}\right)$

其中d_x和d_y为像素点在x轴与y轴方向上的物理尺寸(在这里使用像素为单位)，u₀和v₀为点O_r在像素坐标系中的坐标，s为图像倾斜度，对于数码相机，可以认为图像倾斜度为一个极小量，一般为0。

(3)相机坐标系

相机坐标即整个物理世界的坐标，现根据假设1、假设2做如下坐标：以相机光学中心为原点O，O与像的中心O_r连成的直线为z轴，以过O_r平行于像平面O_r-x_ry_r且平行于O_rx_r的直线为x轴，以过O_r平行于像平面O_r-x_ry_r且平行于O_ry_r的直线为y轴，建立直角坐标系，如图3所示：

(4)Model坐标系

Model模型坐标系，也叫Local坐标系或物体坐标系。例如我们在3DMax,MAYA等建模工具中建立我们的人物模型时，模型中的顶点坐标值就是Model坐标系的值。设想我们有多个人物模型，那么每一个模型都有属于自己的Model坐标系。World坐标系也是很直观的，我们把若干个模型放在一起组成一张场景，场景的坐标系就是World坐标系，这就像我们现实世界一样。一个模型放置到World坐标系之后，它的顶点坐标值就需要从Model坐标系转换为World坐标系中的值。如图4所示。

(5)坐标系转换

任意两个坐标系的转换都经由一个转换矩阵完成。例如从Model坐标系到World坐标系，需要经过World转换矩阵进行变换。

World矩阵主要用于伸缩，平移，和旋转。伸缩/平移较为直观，而旋转会有几种方式，例如构造矩阵旋转，或欧拉角旋转，或四元数旋转。

坐标系转换如图5所示。

4空间点可视投影算法

(1)摄影几何

射影几何是可视投影方法的基础。射影几何是欧氏几何的扩展，解决了欧氏几何中无穷远处元素的问题。对于三维坐标(X,Y,Z)，其齐次坐标表示为(X₁,X₂,X₃,X₄)，其中X＝X₁/X₄，Y＝X₂/X₄，Z＝X₃/X₄。对于非零数λ，λ(X₁,X₂,X₃,X₄)与(X₁,X₂,X₃,X₄)表示同一个点。若X₄＝0，则该点位无穷远点。

(2)可视投影算法

空间点P通过一个3X4的投影矩阵M映射到像平面上的点p:

p＝MP

投影矩阵M可以分为三部分：

$M=\mathrm{KTG}=K\left(\begin{array}{cccc}-1& 0& 0& 0\\ 0& -1& 0& 0\\ 0& 0& -1& 0\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}R& t\\ 0& 1\end{array}\right)$

其中R为旋转矩阵，t为平移矢量。中间矩阵两个负号代表通过镜头物体呈倒像。K为相机标定矩阵，它包含相机内部参数数据：

$K=\left(\begin{array}{ccc}{f}_u& -f_u\cot \mathrm{\θ}& u_0\\ 0& f_v/\sin \mathrm{\θ}& v_0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)$

其中有5个参数：

f_u，f_v：相机焦距，分别以像素为单位沿水平方向和垂直方向测量。

u₀,v₀:相机主点，即Or点，根据假设1，这里可以均取为0。

θ：相机水平与垂直轴向间的夹角，相机转动时该角度发生变化。

因此，空间点(x,y,z)映射到像物理坐标(xr,yr)可写为如下形式：

$\left(\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\\ x_3\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}{f}_u& -f_{u\cot \mathrm{\θ}}& 0\\ 0& f_v/\sin \mathrm{\θ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cccc}-1& 0& 0& 0\\ 0& -1& 0& 0\\ 0& 0& -1& 0\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}R& t\\ 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\\ 1\end{array}\right)$

其中， $x_r=\frac{x_1}{x_3},y_r=\frac{x_2}{x_3}$

本专利的优点在于首次将局放空间点直观投影到摄像机成像空间，将空间点直观呈现在照片上。采用可视投影方法方便检测人员快速定位局放点，定位精度高。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.空间局部放电定位中的可视投影方法，其特征在于，包括如下步骤：

a.在初步定位的局部放电信号的空间位置，设置摄像机对其拍照；

b.透过可视投影算法，将初步定位的局部放电空间位置映射到成像照片上。

2.根据权利要求1所述的空间局部放电定位中的可视投影方法，其特征在于，所述的局部放电信号的空间位置初步定位的方式为：采用四组处于同一平台但不同高度的天线阵列来检测局部放电信号，并基于时延法来估算局部放电信号的空间位置。

3.根据权利要求1或2所述的空间局部放电定位中的可视投影方法，其特征在于，步骤b的具体实现过程为：

1)构建像素平面坐标系、像物理平面坐标系、相机坐标系、物体坐标系和世界坐标系，坐标系变换的顺序为物体坐标系-世界坐标系-相机坐标系-投影坐标系-裁剪坐标系-屏幕坐标系，屏幕坐标系包括像素平面坐标系和像物理平面坐标系；

2)空间点可视投影：

空间点P通过一个3X4的投影矩阵M映射到像平面上的点p:

p＝MP

投影矩阵M可以分为三部分：

$M=\mathrm{KTG}=K\left(\begin{array}{cccc}-1& 0& 0& 0\\ 0& -1& 0& 0\\ 0& 0& -1& 0\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}R& t\\ 0& 1\end{array}\right)$

其中R为旋转矩阵，t为平移矢量；中间矩阵两个负号代表通过镜头物体呈倒像；K为相机标定矩阵，它包含相机内部参数数据：

$K=\left(\begin{array}{ccc}{f}_u& -f_u\cot \mathrm{\θ}& u_0\\ 0& f_v/\sin \mathrm{\θ}& v_0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)$

其中有5个参数：

f_u，f_v：相机焦距，分别以像素为单位沿水平方向和垂直方向测量；

u₀,v₀:相机主点，即Or点，根据假设1，这里可以均取为0；

θ：相机水平与垂直轴向间的夹角，相机转动时该角度发生变化；

因此，空间点(x,y,z)映射到像物理坐标(xr,yr)写为如下形式：

$\left(\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\\ x_3\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}{f}_u& -f_{u\cot \mathrm{\θ}}& 0\\ 0& f_v/\sin \mathrm{\θ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cccc}-1& 0& 0& 0\\ 0& -1& 0& 0\\ 0& 0& -1& 0\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}R& t\\ 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\\ 1\end{array}\right)$

其中， $x_r=\frac{x_1}{x_3},y_r=\frac{x_2}{x_3}$

4.根据权利要求3所述的空间局部放电定位中的可视投影方法，其特征在于，

在步骤1)中，假设像的中心恰好在光轴上，假设数码相机中图像平面与光轴垂直，假设相机两个方向上焦距相等，假设透镜的焦距很小，像距约等于焦距。

5.根据权利要求3所述的空间局部放电定位中的可视投影方法，其特征在于，

在步骤1)中，像素平面坐标即像素的行、列所标识的坐标，像物理平面坐标系是以图像的中心为坐标原点的坐标系。