CN107561415A - 一种全日盲紫外成像检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全日盲紫外成像探测仪，采用基于分色分光的同轴光学系统，具有紫外增益自动控制模块，多目标自动检测、跟踪与计量模块，电晕辐射的精确计量模块，能够自动调节紫外通道的电子增益和进行多目标自动检测、跟踪与计量，以及建立目标辐亮度与图像灰度之间的关系模型，为进行故障诊断提供计量标准。可对现场高压电气设备进行有效的故障或缺陷的带电检测和故障诊断，有助于及时发现有缺陷的高压电气设备。

Description

一种全日盲紫外成像检测仪

技术领域

本发明涉及高压电力设备检测技术领域，特别是指一种全日盲紫外成像检测仪。

背景技术

电力系统中的高压电气设备长期工作在高电压和较恶劣的环境中，在长期的电、热、机械应力和环境因素作用下不可避免的会出现损伤与劣化等缺陷，在一定的条件下，上述缺陷可导致高压设备表面局部电场发生畸变，当电场强度达到约30kV/cm时可导致空气分子电离进而形成放电现象。高压电气设备的绝缘损伤是危害高压电力系统安全运行的重要因素，通过在线检测及早发现绝缘损伤才能及时地进行损伤部件的维修、替换，对于降低设备故障率，保证高压电力系统安全运行意义重大。

现有技术基于放电的过程中产生的脉冲电流、发声、发热和发光等征兆信号进行检测以发现设备缺陷，提高电力系统运行可靠性。但由于高压设备在早期劣化阶段的放电信号比较微弱，现有技术中存在下列明显缺陷：脉冲电流法属于接触式检测方法，往往需对被检测设备进行改造以安装电流传感器，监测系统的安装和维护工作量都较大；超声波检测法虽然也能检测到放电，但在现场复杂的干扰背景下，难以准确定位放电点；红外成像仪只能在设备发热的时候才能检测出放电，而早期放电阶段，放电并不会引起设备温度较明显的改变，且该方法受外部环境的影响较大。随着国网公司在高压电气设备监测的应用发展，光学成像探测成为了在线检测绝缘损伤的主要手段。与红外热成像相比，紫外成像方式可天然地避免自然界复杂背景的干扰，即使在强烈的日光条件下也可以准确地定位电晕的发生位置。更应值得注意的是：在绝缘损伤的早期通常就会伴随有电晕现象的产生，因此紫外成像方式可提供早期的故障诊断能力。因此，紫外成像检测仪在发达国家已广泛应用于高压线路的安全巡检。

但是，现有技术的紫外成像检测仪虽然对于发现早期高压电气设备的缺陷效果良好，但是存在电晕定位精度不满足我国电力行业应用的实际需求，测试数据只能进行定性判断，缺乏自动目标检测与跟踪功能，功能不够完善等问题。因此，迫切需要结合电力业务部门的实际需求，提供一种高精度全日盲紫外成像检测仪，并解决现有技术存在的上述技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种全日盲紫外成像探测仪，解决电晕定位精度低造成的测试定位不准确等技术问题。

基于上述目的本发明提供的一种全日盲紫外成像探测仪，采用基于分色分光的同轴光学系统，包括：液晶显示屏，摄像头，存储器，GPS模块，紫外光通道，可见光通道，以及紫外增益自动控制模块，多目标自动检测、跟踪与计量模块，电晕辐射的精确计量模块，其中，紫外增益自动控制模块用于自动调节紫外通道的电子增益，使所述探测仪在探测不同强度的电晕目标时实现自动增益调节，以达到仪器探测能力与最佳分辨率之间的平衡；多目标自动检测、跟踪与计量模块用于自动检测并跟踪视场内的可能故障目标；电晕辐射的精确计量模块，用于进行辐亮度定标，建立目标辐亮度与图像灰度之间的关系模型，为进行故障诊断提供计量标准。

其中，所述分色分光的同轴光学系统包括：反射镜、日盲滤镜、紫外透镜，其中，所述反射镜为分光分色镜，用于将目标所发出的可见光和紫外光分开，实现紫外可见双路探测；其中所述紫外透镜的两面具有紫外带通滤光片和增强电荷耦合器件，所述增强电荷耦合器件的像面和后一紫外带通滤光片的像面重合。

其中，选用熔石英做为透镜材料。

其中，所述同轴光学系统通过机械调焦结构整体移动，实现对3m至无穷远的目标进行探测。

其中，所述增强电荷耦合器件的对角线大小为18mm。

其中，紫外透镜的通过口径为52mm。

其中，紫外透镜的焦距为160mm。

其中，紫外透镜的弥散斑半径r小于等于0.14mm。

其中，紫外透镜的工作波段为240-280nm。

其中，紫外透镜的光学视场角大于等于6°。

其中，所述探测仪的工作模式包括紫外、可见、组合工作模式，上述工作模式可以一键切换，其中，组合模式中电晕采用自定义的伪颜色处理。

其中，紫外增益自动控制模块在计算电晕光子计数时，须将增益调节到最佳范围才能使电晕图像不至于饱和，从而保证计量的准确性。

其中，所述多目标自动检测、跟踪与计量模块在自动检测并跟踪视场内的可能故障目标，当发现故障目标时则自动声光报警并记录现场照片或视频信息。

从上面所述可以看出，本发明提供的全日盲紫外成像探测仪，能够解决现有的紫外成像探测仪存在的对电晕放电位置定位精度低，电晕光子计数值计算不正确，缺乏自动目标检测与跟踪功能等技术问题，并且能够通过在线检测及早发现绝缘损伤，及时地进行损伤部件的维修、替换，以降低设备故障率，保证高压电气设备安全运行。

附图说明

图1为本发明实施例设备结构图；

图2为本发明实施例分色分光的同轴光学系统结构图

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

现有的电晕探测仪一般采用卡塞格林结构，存在一定的中心视场遮拦，牺牲了紫外光收集面积，从而降低了该通道的能量收集能力。本发明的全日盲紫外成像探测仪，采用基于分色分光的同轴光学系统，消除了中心视场遮拦，增大了紫外光通道的通光口径，使所研制仪器的最小紫外灵敏度优于2×10-18W/cm2，与现有的电晕探测仪相比较提高了三分之一左右。基于分色分光的同轴光学系统的具体结构如图2所示。

包括：反射镜1-1和1-2、日盲滤镜1-3、紫外透镜，其中，所述反射镜为分光分色镜，用于将目标所发出的可见光和紫外光分开，实现紫外可见双路探测；其中所述紫外透镜具有紫外带通滤光片1-4和1-5，以及增强电荷耦合器件ICCD1-6，所述增强电荷耦合器件1-6的像面和另一紫外带通滤光片1-5的像面重合。

考虑到实际工作时的探测环境，将所述增强电荷耦合器件ICCD的对角线设定为18mm，由于电晕放电发出的“日盲”紫外光极其微弱，为使入射至增强电荷耦合器件ICCD的光能量能满足成像需求，需保证入射至增强电荷耦合器件ICCD片后入射到紫外ICCD的辐射通量可以通过下面的公式进行计算：

式中，D为紫外透镜通光口径，L为目标到紫外透镜第一个面的距离，k是与探测角度相关的系数，τfilter和τlens和分别为滤光片和紫外透镜透过率，τ(λ)L/1000是大气衰减系数。

本实施例中，紫外带通滤光片的半宽度透过率约为0.21，所设计的紫外透镜整体透过率大于等于0.8，通过设计需求中视场角指标可以得知实际探测物体与探测仪之间法线夹角比较小，在计算时可以认为k＝1。

将参数k＝1，τfilter＝0.21，和τlens＝0.8代入上式可以得到：

将探测最小紫外光灵敏度3×10-18W/cm2，结合上面所提到的增强电荷耦合器件ICCD大小为：D≥50.215mm

为了保证成像质量，同时综合考虑系统的尺寸空间和机械结构，通过口径大小最终设计为52mm。

紫外透镜的焦距可以通过增强电荷耦合器件ICCD的尺寸和系统的光学视场角计算得到，如下式：

式中，d为ICCD对角线尺寸，2w’为系统光学视场角。

计算得到所需的紫外透镜焦距f’≤171.73mm，综合考虑，最终确定选取系统焦距为160mm。

在电晕检测系统中，可见光通道用于对探测背景进行成像，其成像通道希望尽可能保留背景图像的细节信息。而“日盲”紫外通道仅用于探测是否存在电晕放电现象，其图像特点为电晕放电区域呈斑点状且时域图像不具有特定的形貌信息，因此“日盲”紫外通道成像不关心物的细节信息，仅关心成像的光能量以及分辨能力。当两个电晕放电点所成像的80％弥散斑不发生重叠时，后续的图像处理系统可通过简单的图像处理算法将两物点分开。由系统的角分辨率需求及系统焦距可计算得到紫外透镜对点物所成像的80％弥散斑半径r需满足：

将设计的紫外透镜的焦距及角分辨率需求代入可以得到r小于等于0.14mm。

综上所述，所设计的紫外透镜技术指标如下：

其中，紫外透镜的通过口径为52mm。

其中，紫外透镜的焦距为160mm。

其中，紫外透镜的弥散斑半径r小于等于0.14mm。

其中，紫外透镜的工作波段为240-280nm。

其中，紫外透镜的光学视场角大于等于6°。

另外，考虑到光学材料的透过率大都随工作波长减小而降低，因此能够用于日盲紫外工作波段的透镜材料较少，常用的材料有熔石英和氟化钙。对于氟化钙材料，其价格比较昂贵且在240～280nm的工作波段范围内，氟化钙表现出较强的本征双折射，严重影响着系统的分辨率。由于实际工作波段较窄，色差较小，因此本发明的实施例中选用熔石英做为透镜材料。

采用上述基于分色分光的同轴光学系统的全日盲紫外成像探测仪如图1所示，包括：摄像头，可见光通道2，紫外光通道3，液晶显示屏4，存储器5，GPS模块6，以及紫外增益自动控制模块7，多目标自动检测、跟踪与计量模块8，电晕辐射的精确计量模块9，其中，紫外增益自动控制模块7用于自动调节紫外通道的电子增益，使所述探测仪在探测不同强度的电晕目标时实现自动增益调节，以达到仪器探测能力与最佳分辨率之间的平衡；多目标自动检测、跟踪与计量模块8用于自动检测并跟踪视场内的可能故障目标；电晕辐射的精确计量模块9，用于进行辐亮度定标，建立目标辐亮度与图像灰度之间的关系模型，为进行故障诊断提供计量标准。

其中，所述探测仪的工作模式包括紫外、可见、组合工作模式，上述工作模式可以一键切换，其中，组合模式中电晕采用自定义的伪颜色处理。

其中，紫外增益自动控制模块在计算电晕光子计数时，须将增益调节到最佳范围才能使电晕图像不至于饱和，从而保证计量的准确性。

其中，所述多目标自动检测、跟踪与计量模块在自动检测并跟踪视场内的可能故障目标，当发现故障目标时则自动声光报警并记录现场照片或视频信息。

本实施例的全日盲紫外成像探测仪具有以下功能，紫外、可见、组合工作模式一键切换，组合模式中电晕采用自定义的伪颜色处理；紫外、可见通道的自动/手动聚焦；可见光通道曝光时间自动/手动可调；可见通道快速放大与恢复；拍照及视频存储与回放；系统休眠；后台软件处理功能。

并且能够自动调节紫外通道的电子增益，使仪器在探测不同强度的电晕目标时实现自动增益调节，以达到仪器探测能力与最佳分辨率之间的平衡。另外，在计算电晕光子计数时，须将增益调节到最佳范围才能使电晕图像不至于饱和，从而保证计量的准确性；以及能够自动检测并跟踪视场内的可能故障目标，如发现故障目标则自动声光报警并记录现场照片或视频信息。从而可大幅降低现场操作人员负荷，将精力集中故障分析上，降低劳动强度、提高作业效率。并且进行辐亮度定标，建立目标辐亮度与图像灰度之间的关系模型，为进一步开展故障诊断提供更符合客观物理规律的计量标准。

由上述实施例可以看出，本发明的全日盲紫外成像检测技术，可对现场高压电气设备进行有效的故障或缺陷的带电检测和故障诊断，有助于及时发现有缺陷的高压电气设备，正确地评估高压电气设备的危险性，避免高压电气设备事故，能够对高压电气设备的隐患进行精确的跟踪排查，对于高压电气设备的管理和安全有重大突破。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全日盲紫外成像探测仪，采用基于分色分光的同轴光学系统，包括：液晶显示屏，摄像头，存储器，GPS模块，紫外光通道，可见光通道，以及紫外增益自动控制模块，多目标自动检测、跟踪与计量模块，电晕辐射的精确计量模块，其中，紫外增益自动控制模块用于自动调节紫外通道的电子增益，使所述探测仪在探测不同强度的电晕目标时实现自动增益调节，以达到仪器探测能力与最佳分辨率之间的平衡；多目标自动检测、跟踪与计量模块用于自动检测并跟踪视场内的可能故障目标；电晕辐射的精确计量模块，用于进行辐亮度定标，建立目标辐亮度与图像灰度之间的关系模型，为进行故障诊断提供计量标准。

2.根据权利要求1所述的，其特征其中，所述探测仪的工作模式包括紫外、可见、组合工作模式，上述工作模式可以一键切换，其中，组合模式中电晕采用自定义的伪颜色处理放电环境为纯空气间隙放电或者设备沿面电晕、火花和电弧放电。

3.根据权利要求1所述的，其特征在于，所述紫外增益自动控制模块在计算电晕光子计数时，须将增益调节到最佳范围才能使电晕图像不至于饱和，从而保证计量的准确。

4.根据权利要求1所述的，其特征在于，所述多目标自动检测、跟踪与计量模块在自动检测并跟踪视场内的可能故障目标，当发现故障目标时则自动声光报警并记录现场照片或视频信息。

5.根据权利要求1所述的，其特征在于，所述分色分光的同轴光学系统包括：反射镜、日盲滤镜、紫外透镜，其中，所述反射镜为分光分色镜，用于将目标所发出的可见光和紫外光分开，实现紫外可见双路探测；其中所述紫外透镜的两面具有紫外带通滤光片和增强电荷耦合器件，所述增强电荷耦合器件的像面和后一紫外带通滤光片的像面重合。

6.根据权利要求1所述的，其特征在于，选用熔石英做为透镜材料。

7.根据权利要求6所述的，其特征在于，所述同轴光学系统通过机械调焦结构整体移动，实现对3m至无穷远的目标进行探测。

8.根据权利要求6所述的，其特征在于，所述紫外透镜的通过口径为52mm。

9.根据权利要求6所述的，其特征在于，所述紫外透镜的焦距为160mm。

10.根据权利要求6所述的，其特征在于，所述紫外透镜的弥散斑半径r小于等于0.14mm。