CN111239073B - 一种基于高光谱技术的复合绝缘子老化程度检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于高光谱技术的复合绝缘子老化程度检测方法可以实现对复合绝缘子的非接触、快速无损伤检测；能够从各特征参量上实现高光谱谱线到老化程度的信息映射；能够通过建立的模型对绝缘子老化程度进行分析，对更换老化程度高的绝缘子提供指导和参考，提高输电线路供电稳定性与安全性。
Description
技术领域
本发明属于复合绝缘子技术领域，具体涉及一种基于高光谱技术的复合绝缘子老化程度检测方法。
背景技术
绝缘老化是引发外绝缘闪络故障的重要原因。输电线路复合绝缘子在运行中面临各种严酷环境，能够使硅橡胶材料高分子聚合物的部分化学键断裂，基团含量发生变化，改变材料的理化特性，直接表现为绝缘子表面憎水性降低、发生龟裂、粉化、表面粗糙度增加等等，使得闪络电压降低，容易引发电网故障，造成极大的经济损失。因此，精确获取绝缘子表面老化程度是预防外绝缘闪络的有效措施。
目前对于外绝缘检测，主要分为直接法和间接法。直接法一般有绝缘电阻法、电场测量法、脉冲电流法等。直接法一般通过直接测量对象的电流、电压等电参数来判断其绝缘状况，表现出来的明显不足是测量效率较低，常需要工作人员登杆操作，显得十分不便，安全系数也不高。此时非接触式在线监测的方法显示出明显优势。非接触式主要包括紫外成像法、红外成像法和X射线成像法等，这些方法仍存在一些缺陷，如紫外成像和红外热像是通过测量电、热这种间接信号的特性来反映绝缘子状态，且紫外成像必须在夜间进行，不利于检测的开展。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于高光谱技术的复合绝缘子老化程度检测方法解决了现有外绝缘检测的检测效率低和繁琐不便的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于高光谱技术的复合绝缘子老化程度检测方法，包括以下步骤：
S1、获取不同典型老化地区不同运行年限的绝缘子老化样本；
S2、获取绝缘子老化样本预处理后的高光谱图像；
S3、对绝缘子老化样本进行理化测试，得到不同样本老化程度表征参量；
S4、根据不同样本老化程度表征参量，对绝缘子老化样本进行老化程度标定；
S5、对高光谱图像的特征区域进行谱线提取，并根据傅里叶红外光谱和基团的基频、倍频响应关系，得到表征复合绝缘子老化程度的不同基团在高光谱谱线上的响应特性；
S6、根据表征复合绝缘子老化程度的不同基团在高光谱谱线上的响应特性，对表征老化的不同基团的特征波段和各吸收峰进行特征参量提取，并拟合出与标定的老化程度等级对应的老化程度模型；
S7、采用老化程度模型对绝缘子老化样本进行测试，得到绝缘子老化样本的老化程度，实现对不同典型地区不同老化程度的绝缘子检测。
进一步地：步骤S2包括以下步骤：
S21、对绝缘子老化样本进行清洁和切割，再对绝缘子老化样本进行图像采集，得到高光谱图像；
S22、对高光谱图像进行预处理，得到预处理后的高光谱图像。
进一步地：步骤S22中预处理包括：黑白校正、多元散射校正、邻域平均法和小波去噪。
进一步地：黑白校正的计算公式为：
其中，RC为校正后的反射率，R0为高光谱图像数据，W为反射强度，B为全黑定标图像反射强度。
进一步地：多元散射校正的计算公式为：
其中，Ai(MSC)为第i个采样点的校正后光谱矢量，Ai是第i个采样点的原始光谱矢量，
mi为第i个采样点的倾斜偏移量，bi为第i个采样点的线性平移量，
为样本的n×p维平均光谱数据矩阵
的第i个采样点第j个波段数的元素，Aij为第i个采样点第j个波段数光谱值，n为采样点数，p为光谱采集所用的波段数。
进一步地：步骤S3中的理化测试包括：静态接触角法、喷水分级法、扫描电镜法和傅里叶红外光谱测试。
进一步地：步骤S4具体为：根据不同样本的老化程度表征参量，提取出表征复合绝缘子老化程度的微观和宏观参量，将绝缘子老化样本标定为5个等级，所述5个等级包括：优品、良品、中品、差品和废品。
进一步地：步骤S5中得到表征复合绝缘子老化程度的不同基团在高光谱谱线上的响应特性具体为：通过傅里叶红外光谱确定表征老化程度的基团种类和基频吸收波长，根据基团的倍频与波长的关系，确定不同基团在高光谱谱线上的响应特性。
进一步地：步骤S6中特征参量包括：峰高、峰面积、吸收深度、吸收宽度和对称度；
拟合出与标定的老化程度等级对应的老化程度模型的拟合方法包括：最小二乘法和多元回归。
本发明的有益效果为：本发明可以实现对复合绝缘子的非接触、快速无损伤检测；能够从各特征参量(包括基团相对含量的大小等)上实现高光谱谱线到老化程度的信息映射；能够通过建立的模型对绝缘子老化程度进行分析，对更换老化程度高的绝缘子提供指导和参考，提高输电线路供电稳定性与安全性。
附图说明
图1为一种基于高光谱技术的复合绝缘子老化程度检测方法的流程图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，一种基于高光谱技术的复合绝缘子老化程度检测方法，包括：以下步骤：
S1、获取不同典型老化地区不同运行年限的绝缘子老化样本；
S2、获取绝缘子老化样本预处理后的高光谱图像；
步骤S2包括以下步骤：
S21、对绝缘子老化样本进行清洁和切割，再对绝缘子老化样本进行图像采集，得到高光谱图像；
S22、对高光谱图像进行预处理，得到预处理后的高光谱图像。
获得广泛的不同类型不同程度的老化样本，采集真实有效的图像信息并滤除图像中的噪声及无用信息，使得后期能够更有效的进行特征识别。
所述步骤S22中预处理包括：黑白校正、多元散射校正、邻域平均法和小波去噪。
消除光源不均匀、光线散射、相机内部暗电流及偏执等因素的影响，并滤除图像噪声及无用干扰信息，最大程度提高信噪比。
所述黑白校正的计算公式为：
其中，RC为校正后的反射率，R0为高光谱图像数据，W为反射强度，B为全黑定标图像反射强度。
多元散射校正的计算公式为：
其中，Ai(MSC)为第i个采样点的校正后光谱矢量，Ai是第i个采样点的原始光谱矢量，
mi为第i个采样点的倾斜偏移量，bi为第i个采样点的线性平移量，
为样本的n×p维平均光谱数据矩阵
的第i个采样点第j个波段数的元素，Aij为第i个采样点第j个波段数光谱值，n为采样点数，p为光谱采集所用的波段数。
在本实施例中，小波去噪选用db5小波作为基小波对含噪光谱做5层分解，采用软阈值法对数据进行降噪。
S3、对绝缘子老化样本进行理化测试，得到不同样本老化程度表征参量；
步骤S3中的理化测试包括：静态接触角法、喷水分级法、扫描电镜法和傅里叶红外光谱测试。
S4、根据不同样本老化程度表征参量，对绝缘子老化样本进行老化程度标定；
步骤S4具体为：根据不同样本的基团的相对含量和老化程度表征参量，提取出表征复合绝缘子老化程度的微观和宏观参量，将绝缘子老化样本标定为5个等级，所述5个等级包括：优品、良品、中品、差品和废品。
使得定标更为客观准确，且使定标范围基本涵盖目前可能的不同老化程度。
S5、对高光谱图像的特征区域进行谱线提取，并根据傅里叶红外光谱和基团的基频、倍频响应关系，得到表征复合绝缘子老化程度的不同基团在高光谱谱线上的响应特性；
步骤S5中得到表征复合绝缘子老化程度的不同基团在高光谱谱线上的响应特性具体为：通过傅里叶红外光谱确定表征老化程度的基团种类和基频吸收波长，根据基团的倍频与波长的关系，确定不同基团在高光谱谱线上的响应特性，如：甲基中C-H在近红外光谱上的基频特征波段在1720-1760nm附近，其二倍频特征波段在1150-1250nm附近。
在高光谱谱线上确定与老化相关的部分基团所在波段位置，便于后期与傅里叶红外光谱进行基团信息映射与检测。
傅里叶红外光谱上基团的基频吸收波长的计算方法为：
其中，λ为基频吸收波长，k为波数。
将傅里叶红外光谱图常用横坐标(波数)与高光谱谱线图常用横坐标(波长)联系起来，便于观察与计算。
S6、根据表征复合绝缘子老化程度的不同基团在高光谱谱线上的响应特性，对表征老化的不同基团的特征波段和各吸收峰进行特征参量提取，并拟合出与标定的老化程度等级对应的老化程度模型；
步骤S6中特征参量包括：峰高、峰面积、吸收深度、吸收宽度和对称度；
拟合出与标定的老化程度等级对应的老化程度模型的拟合方法包括：最小二乘法和多元回归。
S7、采用老化程度模型对绝缘子老化样本进行测试，得到绝缘子老化样本的老化程度，实现对不同典型地区不同老化程度的绝缘子检测。
本发明的有益效果为：本发明可以实现对复合绝缘子的非接触、快速无损伤检测；能够从各特征参量(包括基团相对含量的大小等)上实现高光谱谱线到老化程度的信息映射；能够通过建立的模型对绝缘子老化程度进行分析，对更换老化程度高的绝缘子提供指导和参考，提高输电线路供电稳定性与安全性。
Claims (9)
1.一种基于高光谱技术的复合绝缘子老化程度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取不同典型老化地区不同运行年限的绝缘子老化样本；
S2、获取绝缘子老化样本预处理后的高光谱图像；
S3、对绝缘子老化样本进行理化测试，得到不同样本老化程度表征参量；
S4、根据不同样本老化程度表征参量，对绝缘子老化样本进行老化程度标定；
S5、对高光谱图像的特征区域进行谱线提取，并根据傅里叶红外光谱和基团的基频、倍频响应关系，得到表征复合绝缘子老化程度的不同基团在高光谱谱线上的响应特性；
S6、根据表征复合绝缘子老化程度的不同基团在高光谱谱线上的响应特性，对表征老化的不同基团的特征波段和各吸收峰进行特征参量提取，并拟合出与标定的老化程度等级对应的老化程度模型；
S7、采用老化程度模型对绝缘子老化样本进行测试，得到绝缘子老化样本的老化程度，实现对不同典型地区不同老化程度的绝缘子检测。
2.根据权利要求1所述的基于高光谱技术的复合绝缘子老化程度检测方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：
S21、对绝缘子老化样本进行清洁和切割，再对绝缘子老化样本进行图像采集，得到高光谱图像；
S22、对高光谱图像进行预处理，得到预处理后的高光谱图像。
3.根据权利要求2所述的基于高光谱技术的复合绝缘子老化程度检测方法，其特征在于，所述步骤S22中预处理包括：黑白校正、多元散射校正、邻域平均法和小波去噪。
4.根据权利要求3所述的基于高光谱技术的复合绝缘子老化程度检测方法，其特征在于，所述黑白校正的计算公式为：
其中，RC为校正后的反射率，R0为高光谱图像数据，W为反射强度，B为全黑定标图像反射强度。
5.根据权利要求3所述的基于高光谱技术的复合绝缘子老化程度检测方法，其特征在于，所述多元散射校正的计算公式为：
其中，Ai(MSC)为第i个采样点的校正后光谱矢量，Ai是第i个采样点的原始光谱矢量，
mi为第i个采样点的倾斜偏移量，bi为第i个采样点的线性平移量，
为样本的n×p维平均光谱数据矩阵
的第i个采样点第j个波段数的元素，Aij为第i个采样点第j个波段数光谱值，n为采样点数，p为光谱采集所用的波段数。
6.根据权利要求1所述的基于高光谱技术的复合绝缘子老化程度检测方法，其特征在于，所述步骤S3中的理化测试包括：静态接触角法、喷水分级法、扫描电镜法和傅里叶红外光谱测试。
7.根据权利要求1所述的基于高光谱技术的复合绝缘子老化程度检测方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：根据不同样本的老化程度表征参量，提取出表征复合绝缘子老化程度的微观和宏观参量，将绝缘子老化样本标定为5个等级，所述5个等级包括：优品、良品、中品、差品和废品。
8.根据权利要求1所述的基于高光谱技术的复合绝缘子老化程度检测方法，其特征在于，所述步骤S5中得到表征复合绝缘子老化程度的不同基团在高光谱谱线上的响应特性具体为：通过傅里叶红外光谱确定表征老化程度的基团种类和基频吸收波长，根据基团的倍频与波长的关系，确定特征基团在高光谱谱线上的响应特性。
9.根据权利要求1所述的基于高光谱技术的复合绝缘子老化程度检测方法，其特征在于，所述步骤S6中特征参量包括：峰高、峰面积、吸收深度、吸收宽度和对称度；
拟合出与标定的老化程度等级对应的老化程度模型的拟合方法包括：最小二乘法和多元回归。
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