CN109116197A - 日盲紫外相机及紫外光子计数方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种日盲紫外相机及紫外光子计数方法，预先在日盲紫外相机中标定紫外像增强器不同增益电压条件下对应的单光子信号的平均灰度值、单光子信号的成像连通区域像素面积以及暗背景的平均灰度值三个参数；应用拍摄时，利用图像拍摄时的紫外像增强器的增益电压所对应的上述三个参数获得每一帧图像中的紫外光子个数；统计一段时间内的每一帧图像上的紫外光子个数，计算单位时间内的紫外光子数。

Description

日盲紫外相机及紫外光子计数方法

技术领域

本发明涉及日盲紫外电晕检测技术领域，特别是一种紫外光子计数方法。

背景技术

随着我国国民经济的发展，国家电网建设规模逐渐扩大以及输送电压等级不断提升，电晕放电现象也日益严重。正常运行的高压电力设备，由于电流、电压的作用将产生放电。电晕放电过程中将有一定的电流流过，这将造成电能损失，同时电晕放电导致电路故障，造成不必要的经济损失。放电过程中的高频电磁波对附近的无线电通信也有一定的影响，化学气体将腐蚀附近的设备，这些都严重的威胁了人民的正常生活以及电网的运行安全。

现有的对上述电晕检测的日盲紫外相机主要有两种，一种为ICMOS图像探测器，另一种为ICCD图像探测器。其中ICMOS图像探测器由CMOS传感器和紫外像增强器组成，ICCD图像探测器由CCD传感器和紫外像增强器组成。CCD传感器与CMOS传感器比较主要区别是CCD是集成在半导体单晶材料上，而CMOS是集成在金属氧化物的半导体材料上，二者的工作原理没有本质的区别。

研究人员对日盲紫外相机在电晕检测的使用过程中涉及的各方面参数和检测方法进行了一系列研究。

如专利申请201710744780.4公开了一种日盲紫外相机检测灵敏度和检测系统，首先由激光泵浦宽带光源产生高亮度、高稳定性的宽带白光，入射至双级联单色仪系统，在计算机的控制下，双级联单色仪系统产生所需要的紫外单色光。单色仪输出的单色光经积分球后转换为单色的均匀光，经过紫外衰减片衰减后入射至日盲紫外相机，积分球输出的单色光的光功率可由智能功率计系统实时显示，日盲紫外相机输出的光子数通过串口采集到计算机中，若亮环境下的光子数平均值与暗环境下的光子数平均值相等，此时入射至日盲紫外相机的光功率密度为紫外光检测灵敏度。

如发明专利201410505956.7本发明公开了一种基于日盲紫外成像仪的电晕检测方法。该方法包括：使用预设的标准紫外光源对日盲紫外成像仪进行标定；根据标定后的标定数据设置增益控制参数，并根据增益控制参数对日盲紫外成像仪的增益进行自动调节；使用所述日盲紫外成像仪对目标位置的电晕放电进行检测，得到实际检测数据；根据检测数据计算得到对应的目标位置的电晕的辐射亮度。通过使用本发明所提供的方法，可以对待检测电晕的辐射亮度进行定量检测。

由于高压电力设备故障程度的不确定性，电晕的紫外信号强弱也是不确定的，当高压电力设备故障的电晕紫外信号较强时，紫外信号将变成连续且持续的信号。

但是受限制于CCD/CMOS帧率、紫外像增强器增益电压不固定的问题，传统的日盲紫外相机单从图像上无法准确统计紫外信号，即在电力检测及维修过程中使用传统的紫外探测器无法准确的判断出故障强度，对电力检测及维护的故障判定带来了一定的不便。

发明内容

本发明目的在于提供一种日盲紫外相机及紫外光子计数方法，用于解决传统的日盲紫外相机无法准确统计紫外信号的技术问题。

为达成上述目的，本发明提出如下技术方案：

紫外光子计数方法，预先标定紫外像增强器不同增益电压条件下对应的单光子信号的平均灰度值、单光子信号的成像连通区域像素面积以及暗背景的平均灰度值三个参数；应用拍摄时，利用图像拍摄时的紫外像增强器的增益电压所对应的上述三个参数获得每一帧图像中的紫外光子个数；统计一段时间内的每一帧图像上的紫外光子个数，计算单位时间内的紫外光子数。

进一步的，在本发明中，所述图像传感器处于线性工作模式下。

进一步的，在本发明中，所述图像传感器的动态范围，满足其可探测的最大饱和亮度大于紫外像增强器荧光屏输出亮度；所述图像传感器的输出帧率，满足其可接受的最强紫外信号的输出灰度值Y_th小于图像传感器的最大输出灰度值Y_max。

进一步的，在本发明中，所述图像传感器为CCD传感器或CMOS传感器。

进一步的，在本发明中，预先标定时，利用激光泵浦获得宽带白光，宽带白光经双级联单色仪系统获得紫外单色光，紫外单色光经积分球获得均匀紫外单色光，均匀紫外单色光经在暗箱内部的日盲紫外相机成像，调节日盲紫外相机输出帧率，直至日盲紫外相机可接受最强紫外信号的输出灰度值Y_th小于图像传感器的最大输出灰度值Y_max。

进一步的，在本发明中，预先标定时，利用激光泵浦获得宽带白光，宽带白光经双级联单色仪系统获得紫外单色光，紫外单色光经积分球和衰减系统获得单光子强度的均匀紫外单色光，均匀紫外单色光经在暗箱内部的日盲紫外相机成像；调节紫外像增强器的增益电压，采集对应电压下的成像数据；统计紫外像增强器不同增益电压U_i下，成像中的单光子信号的平均灰度值Y_i和单光子信号的成像连通区域像素面积

进一步的，在本发明中，预先标定时，在暗箱入口处无入射光的情况下，调节紫外像增强器的增益电压，采集在暗箱内部的日盲紫外相机对应的成像数据；统计紫外像增强器不同增益电压U_i下，成像中的暗背景的平均灰度值

进一步的，在本发明中，将预先标定的紫外像增强器不同增益电压条件下的相关参数关系存储于日盲紫外相机中。

进一步的，在本发明中，应用拍摄时，启动日盲紫外相机对目标进行拍摄，获得每一帧图像Y(x,y)根据拍摄时的紫外像增强器的增益电压U_i获得存储于日盲紫外相机内的对应的单光子信号的平均灰度值单光子信号的成像连通区域像素面积以及暗背景的平均灰度值根据下式计算每一帧的原始图像Y(x,y)内的紫外光子数其中，M、N分别为原始图像的有效宽度和高度，δ为应用拍摄时日盲紫外相机前端的衰减装置的衰减系数；统计一段时间内所有原始图像内的紫外光子数总和，求出单位时间内接收到的紫外光子数。

本发明还提供一种日盲紫外相机，包括图像传感器、紫外像增强器、处理器以及存储器，所述存储器内部预存有紫外像增强器不同增益电压U_i条件下对应的单光子信号的平均灰度值单光子信号的成像连通区域像素面积以及暗背景的平均灰度值三个参数；所述处理器响应于在紫外像增强器以增益电压为U_i条件下在图像传感器上成像后读取存储器内对应的单光子信号的平均灰度值单光子信号的成像连通区域像素面积以及暗背景的平均灰度值并计算成像中的每一帧图像Y(x,y)的紫外光子数其中，M、N分别为原始图像的有效宽度和高度，δ为应用拍摄时日盲紫外相机前端的衰减装置的衰减系数；统计一段时间内所有原始图像内的紫外光子数总和，求出单位时间内接收到的紫外光子数。

有益效果：

由以上技术方案可知，本发明的技术方案提供了一种日盲紫外相机和紫外光子计数方法。利用预先在日盲紫外相机中进行标定，获得与紫外像增强器增益电压相关的是三个参数的变化情况并进行固化，使得在日盲紫外相机在正式使用时，可以根据拍摄时的紫外像增强器电压调取本机的上述三个参数，并由此结合计算公式计算拍摄到的每帧图像中的光子数，进而累计统计出单位时间内的光子数。

上述方案的实现前提是现有的图像传感器具有高动态范围、高帧频的特点，使得图像传感器工作在线性条件下，可以精确获得连续图像的光子计数。

并且本发明在标定时，以紫外像增强器的增益电压为变量，以三个参数为应变量，因此在实际拍摄时，无论紫外像增强器的增益电压选择多少，都能相应地获得该增益电压下的三个参数的数据，因此可以消除紫外像增强器增益调节对紫外光子计数的影响。

并且，本发明在标定时就是在单光子辐射能量的情况下进行的，所以可以区分单位积分时间内落入统一像素内的光子数量，光子计数更加准确。

同时，本发明将标定结果固化到存储器中，运算量少，有利于后期利用ARM、DSP、FPGA等不同平台工程实现。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是本发明紫外ICMOS标定过程示意图。

图2是本发明利用标定固化数据紫外光子计数处理过程示意图；

图3是本发明紫外ICMOS标定系统示意图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

本实施例提供一种日盲紫外相机及紫外光子计数方法。由于日盲紫外相机中基本的组成为图像传感器、紫外像增强器、处理器和存储器，因此本发明利用上述基本组成单元协同配合以实现对紫外光子的精确计数。

本发明需要实施的前提是图像传感器必须处于线性工作条件下。在该工作条件下，图像传感器的曝光时间的输出信号平均电压值标准偏差σ_t以及电子电压转换增益G满足如下公式：

光子数n与标准偏差σ_t满足：

图像传感器的输出灰度Y_t与输出信号电压值V_t的关系满足线性关系：

Y_t＝m·V_t (3)

其中，m为线性关系系数。

由上述公式(1)、(2)、(3)可知，当图像传感器接收光子数一定时，图像传感器输出像素灰度值固定。

基于上述结论，本发明提出从图像传感器输出图像灰度来反推接收到的光子数的发明构思。

实现上述发明构思，需要在硬件上满足一定要求：

1、图像传感器需要有较高的动态范围，图像传感器可探测的最大饱和亮度，大于像增强器荧光屏输出亮度。

2、图像传感器的帧频要足够高，能够尽可能多地通过成像方式捕捉光子，避免入射光子未被曝光导致漏检。

因此，本发明的技术方案中给出了基于日盲紫外相机的紫外光子计数方法，预先标定紫外像增强器不同增益电压条件下对应的单光子信号的平均灰度值、单光子信号的成像连通区域像素面积以及暗背景的平均灰度值三个参数；应用拍摄时，利用图像拍摄时的紫外像增强器的增益电压所对应的上述三个参数获得每一帧图像中的紫外光子个数；统计一段时间内的每一帧图像上的紫外光子个数，计算单位时间内的紫外光子数。

下面以选用CMOS图像传感器的ICMOS日盲紫外相机为例，对本发明的具体实施例进行描述。

图1为本发明实施例中以在正式拍摄前的线性调节和参数标定存储的示意图。

具体的，线性调节步骤包括以下过程：

步骤1、调节紫外ICMOS的CMOS图像传感器的采集帧率，保证CMOS图像传感器工作在线性工作模式下。

具体包括以下步骤：

步骤1.1、ICMOS日盲紫外相机启动。

步骤1.2、获取连续的CMOS图像帧。

为了获取图像，如图3所示，为本发明的具体实施例提供的一种可能的系统。该系统包括：

激光泵浦宽带光源，用于产生高亮度、高稳定性的宽带白光。

双级联单色仪系统，用于接收来自激光泵浦宽带光源的白光以产生所需要的紫外单色光。

积分球，用于接收紫外单色光并转换为均匀紫外单色光。

衰减系统，用于对积分球出口处的均匀紫外单光进行衰减调节，以改变紫外单色光的辐射照度。

智能功率系统，用于监控积分球出口处产生的紫外单色光的功率。

暗箱，用于放置待标记的日盲紫外相机，一般放置于暗箱内部的入口处。

采集系统，用于采集日盲紫外相机的输出图像。

计算机，一方面用于控制双级联单色仪系统、积分球、智能功率系统完成上述工作，另一方面用于控制收集采集系统的输出图像并在计算机上显示以便实时观察。

启动上述系统中的激光泵浦宽带光源，并调节衰减系统不衰减。调节ICMOS日盲紫外相机的输出帧率，直至ICMOS日盲紫外相机可接受的最强紫外信号的输出灰度值Y_th小于图像传感器的最大输出灰度值Y_max。

满足上述条件后，ICMOS日盲紫外相机能保持工作在线性工作模式下，接着开始对三个参数进行标定，主要分为在单光子强度下对单光子信号的平均灰度值单光子信号的成像连通区域像素面积进行标定以及在暗背景环境下对暗背景的平均灰度值进行标定。

其中，对单光子强度下对单光子信号的平均灰度值单光子信号的成像连通区域像素面积进行标定具体包括以下步骤：

步骤2.1、启动激光泵浦宽带光源，并入射至双级联单色仪系统。

步骤2.2、在计算机控制下，双级联单色仪系统产生紫外单色光。

步骤2.3、调节衰减系统，将经过衰减系统衰减后的紫外单色光的强度达到单光子级别。原理是依据公式其中n_e为单位面积光子数，为紫外单色光强度，k为衰减系统衰减系数，λ为紫外单色光波长，h为普朗克常量，c为光速。

步骤2.4、调节紫外像增强器的增益电压U_i，统计单光子信号的平均灰度值单光子信号的成像连通区域像素面积二者随紫外像增强器的增益电压Ui变化曲线。

其中，对暗背景的平均灰度值进行标定具体包括以下步骤：

步骤3.1、保持将ICMOS日盲紫外相机放置于暗箱中，不启动光源与双级联单色仪系统。

步骤3.2、调节紫外像增强器增益电压U_i，采集对应电压下CMOS图像传感器的视频图像原始数据。

步骤3.3、统计紫外像增强器不同增益电压U_i下，暗背景的平均灰度值

步骤4、上述三个参数全部标定完成后，形成三条曲线，变量为紫外像增强器增益电压U_i、应变量为相应的参数，将上述三条曲线转化成数据表，固化到ICMOS日盲紫外相机中ICMOS处理电路的存储器中。

完成上述步骤后，可以启动ICMOS日盲紫外相机对目标进行拍摄。如图3所示，具体包括以下步骤：

步骤5.1、ICMOS日盲紫外相机启动。

步骤5.2、利用ICMOS处理电路读取紫外像管增益电压U_i。

步骤5.3、对目标进行拍摄，获得每一帧的图像Y(x,y)，其中x，y分别为每一帧图像中的像素位置坐标。

步骤5.4、根据拍摄时的紫外像增强器的增益电压U_i获得存储于ICMOS日盲紫外相机内的对应的单光子信号的平均灰度值单光子信号的成像连通区域像素面积以及暗背景的平均灰度值根据下式将暗背景去除，计算每一帧的图像Y(x,y)内的紫外光子数其中，M、N分别为原始图像的有效宽度和高度，δ为应用拍摄时日盲紫外相机前端的衰减装置的衰减系数。

接着完成对光子数的统计。

步骤6、重复上述5.1～5.4的步骤，统计一段时间内所有原始图像内的紫外光子数总和，求出单位时间内接收到的紫外光子数。

除上述处理方法外，本发明的具体实施例还公开了相应的产品。

对应于上述利用ICMOS日盲紫外相机进行紫外光子计数的方法，本实施例公开了一种ICMOS日盲紫外相机。相应的，利用ICCD日盲紫外相机进行紫外光子计数的方法，对应公开一种ICCD日盲紫外相机。在此，本实施例以ICMOS日盲紫外相机为例进行说明。

一种ICMOS日盲紫外相机，包括CMOS图像传感器、紫外像增强器、处理器以及存储器，所述存储器内部预存有紫外像增强器不同增益电压U_i条件下对应的单光子信号的平均灰度值单光子信号的成像连通区域像素面积以及暗背景的平均灰度值三个参数；所述处理器响应于在紫外像增强器以增益电压为U_i条件下在图像传感器上成像后读取存储器内对应的单光子信号的平均灰度值单光子信号的成像连通区域像素面积以及暗背景的平均灰度值并计算成像中的每一帧图像Y(x,y)的紫外光子数其中，M、N分别为原始图像的有效宽度和高度，δ为应用拍摄时日盲紫外相机前端的衰减装置的衰减系数，衰减装置可以为衰减片或其他衰减方式，主要针对强紫外信号情况使用，此处的衰减装置，不是标定时的衰减系统，是日盲紫外相机应用拍摄时，针对强信号时会使用到衰减装置。由此统计一段时间内所有原始图像内的紫外光子数总和，获得单位时间内接收到的紫外光子数，其中，M、N分别为每一帧图像的有效宽度和高度。

完成上述功能的日盲紫外相机需工作在线性条件下，且所述图像传感器的动态范围要足够高，满足其可探测的最大饱和亮度大于紫外像增强器荧光屏输出亮度；所述图像传感器的输出帧率，满足其可接受的最强紫外信号的输出灰度值Y_th小于图像传感器的最大输出灰度值Y_max。

综上可知，本发明中的紫外光子计数方法和相机，由于预先在日盲紫外相机中进行了标定，固化了日盲紫外相机的特性，在出厂前完成这样的操作，使得出厂后的日盲紫外相机在拍摄时，上述特性可以直接使用。拍摄时，随着读取的增益电压的不同获得相应的参数并结合实际拍摄的图像利用公式去暗背景统计出每一帧图像中的紫外光子数，进而统计单位时间内的紫外光子数。本发明中消除增益电压对紫外光子计数的影响，且可以区分落入同一像素中的多个紫外光子信号，光子统计更为准确。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (12)

1.紫外光子计数方法，其特征在于：预先标定紫外像增强器不同增益电压条件下对应的单光子信号的平均灰度值、单光子信号的成像连通区域像素面积以及暗背景的平均灰度值三个参数；应用拍摄时，利用图像拍摄时的紫外像增强器的增益电压所对应的上述三个参数获得每一帧图像中的紫外光子个数；统计一段时间内的每一帧图像上的紫外光子个数，计算单位时间内的紫外光子数。

2.根据权利要求1所述的紫外光子计数方法，其特征在于：所述图像传感器处于线性工作模式下。

3.根据权利要求2所述的紫外光子计数方法，其特征在于：所述图像传感器的动态范围，满足其可探测的最大饱和亮度大于紫外像增强器荧光屏输出亮度；所述图像传感器的输出帧率，满足其可接受的最强紫外信号的输出灰度值Y_th小于图像传感器的最大输出灰度值Y_max。

4.根据权利要求3所述的紫外光子计数方法，其特征在于：所述图像传感器为CCD传感器或CMOS传感器。

5.根据权利要求3所述的紫外光子计数方法，其特征在于：预先标定时，利用激光泵浦获得宽带白光，宽带白光经双级联单色仪系统获得紫外单色光，紫外单色光经积分球获得均匀紫外单色光，均匀紫外单色光经在暗箱内部日盲紫外相机成像，调节日盲紫外相机输出帧率，直至日盲紫外相机可接受最强紫外信号的输出灰度值Y_th小于图像传感器的最大输出灰度值Y_max。

6.根据权利要求3所述的紫外光子计数方法，其特征在于：预先标定时，利用激光泵浦获得宽带白光，宽带白光经双级联单色仪系统获得紫外单色光，紫外单色光经积分球和衰减系统获得单光子强度的均匀紫外单色光，均匀紫外单色光经在暗箱内部的日盲紫外相机成像；调节紫外像增强器的增益电压，采集对应电压下的成像数据；统计紫外像增强器不同增益电压U_i下，成像中的单光子信号的平均灰度值和单光子信号的成像连通区域像素面积

7.根据权利要求3所述的紫外光子计数方法，其特征在于：预先标定时，在暗箱入口处无入射光的情况下，调节紫外像增强器的增益电压，采集在暗箱内部的日盲紫外相机对应的成像数据；统计紫外像增强器不同增益电压U_i下，成像中的暗背景的平均灰度值

8.根据权利要求5-7中任意一条所述的紫外光子计数方法，其特征在于：将预先标定的紫外像增强器不同增益电压条件下的相关参数关系存储于日盲紫外相机中。

9.根据权利要求8所述的紫外光子计数方法，其特征在于：应用拍摄时，启动日盲紫外相机对目标进行拍摄，获得每一帧的灰度图像Y x,y，其中x、y分别为每一帧灰度图像中的像素位置的横坐标和纵坐标；根据拍摄时的紫外像增强器的增益电压U_i获得存储于日盲紫外相机内的对应的单光子信号的平均灰度值单光子信号的成像连通区域像素面积以及暗背景的平均灰度值根据下式计算每一帧的原始图像Y x,y内的紫外光子数其中，M、N分别为原始图像的有效宽度和高度，δ为应用拍摄时日盲紫外相机前端的衰减装置的衰减系数；统计一段时间内所有原始图像内的紫外光子数总和，求出单位时间内接收到的紫外光子数。

10.日盲紫外相机，其特征在于：包括图像传感器、紫外像增强器、处理器以及存储器，所述存储器内部预存有紫外像增强器不同增益电压U_i条件下对应的单光子信号的平均灰度值单光子信号的成像连通区域像素面积以及暗背景的平均灰度值三个参数；所述处理器响应于在紫外像增强器以增益电压为U_i条件下在图像传感器上成像后读取存储器内对应的单光子信号的平均灰度值单光子信号的成像连通区域像素面积以及暗背景的平均灰度值并计算成像中的每一帧图像Y x,y的紫外光子数其中，M、N分别为每一帧图像的有效宽度和高度，δ为应用拍摄时日盲紫外相机前端的衰减装置的衰减系数；统计一段时间内所有原始图像内的紫外光子数总和，获得单位时间内接收到的紫外光子数。

11.根据权利要求10所述的日盲紫外相机，其特征在于：所述图像传感器的动态范围，满足其可探测的最大饱和亮度大于紫外像增强器荧光屏输出亮度；所述图像传感器的输出帧率，满足其可接受的最强紫外信号的输出灰度值Y_th小于图像传感器的最大输出灰度值Y_max。

12.根据权利要求10所述的日盲紫外相机，其特征在于：所述图像传感器为CCD传感器或CMOS传感器。