CN111413597B - 紫外、红外与可见光一体化高压变电设备检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高压变电设备检测技术领域，提出一种紫外、红外与可见光一体化高压变电设备检测方法，通过紫外光探测组件、红外探测组件和可见光探测组件对高压变电设备进行光学成像；其中紫外与可见光共光轴光路，再与红外形成平行光轴光路。红外探测组件光学视场角大于可见光探测组件的光学视场角；在检测过程中，通过移动无极缩放后的红外图像，使被检测目标的红外图像与可见光图像完全重合后，通过图像处理模块进行紫外、红外与可见光图像的实时融合，其中通过红外与可见光双目平行可视图像像素差方法，测得检测目标的距离，进行实际距离的快速矫正，并通过紫外图像结合实际测试时的能见度，实现在标准检测距离下对紫外光子数的快速校正。

Description

紫外、红外与可见光一体化高压变电设备检测方法

技术领域

本发明涉及高压变电设备检测技术领域，特别是一种紫外、红外与可见光一体化高压变电设备检测方法。

背景技术

目前，随着国家电网建设规模逐渐扩大以及输送电压等级不断提升，高压电力设备在正常运行的过程中由于高电压、大电流的作用，高压电力设备可能产生缺陷或故障，从而引起设备的局部发热或者放电。如果不能及时发现并及时制止这些缺陷或故障隐患的发展，最终会促成设备故障或重大事故的发生，造成不必要的经济损失。

现有技术中，普遍使用的红外检测方法进行局部放电的监测。但该监测具有一定的局限性，发现故障往往为故障晚期，同时受天气环境影响较大。

发明内容

本发明目的在于提供一种紫外、红外与可见光一体化高压变电设备检测方法，通过三通道混合光轴光路结构及三波段实时图像采集、融合及分析处理，通过红外与可见光双目平行可视图像像素差方法，快速测得检测目标的距离，最终实现紫外光子数与距离快速校正。

为实现上述目的，本发明的第一方面提出一种紫外、红外与可见光一体化高压变电设备检测方法，包括以下步骤：

通过紫外光探测组件对高压变电设备进行紫外光学成像；

通过红外探测组件对高压变电设备进行红外光学成像；

通过可见光探测组件对高压变电设备进行可见光成像；其中紫外光探测组件与可见光探测组件共光轴光路，再与红外探测组件形成平行光轴光路，并且红外探测组件光学视场角大于可见光探测组件的光学视场角；

在检测过程中，通过移动无极缩放后的红外图像，使被检测目标的红外图像与可见光图像完全重合后，通过图像处理模块进行紫外、红外与可见光图像的实时融合，其中通过红外与可见光双目平行可视图像像素差方法，测得检测目标的距离，进行实际距离的快速矫正，并通过紫外图像结合实际测试时的能见度，实现在标准检测距离下对紫外光子数的快速校正。

进一步地，在图像的实时融合过程包括以下步骤：

步骤1：根据双目平行测距模型，设同一目标P在红外探测组件的图像坐标为p_IR(x_IR，y_IR)，在可见光探测组件中的图像坐标为p_VIS(x_VIS，y_VIS)，根据红外与可见光视场角和共光轴参数，其满足y_IR＝y_VIS＝y，其中，f表示理想情况下探测器焦距，Z表示探测距离，b为红外与可见光两个探测组件的机芯水平轴向间的距离，通过三角近似原理得到目标P三维信息如下：

其中，l_IR表示红外探测组件机芯中探测器的像元尺寸，l_VIS表示可见光探测组件中探测器的像元尺寸；通过移动无极缩放后的红外图像，使目标P的红外图像与可见光图像完全重合；

步骤2、通过移动无极缩放后的红外图像，将目标P在红外图像中的实际坐标p_IRo(x_IRo，y_IRo)放大至p_IR(x_IR，y_IR)，使得红外探测器组件放大后的焦距满足f_IRo＝f，其中红外探测器组件焦距为f_IRo，使得红外图像与可见光图像在视场达到一致；由于红外与可见光探测器组件平行，通过放射变换可得：

其中，k为图像无极放大系数，Δx_IR、Δy_IR为图像无极放大后水平方向与垂直方向移动像素个数；

步骤3、对无极放大后的红外图像进行平移，使两幅图像中的目标P相重合，即满足：

将以上公式引入步骤1中目标P的三维信息表达中，将探测距离Z简化为：

步骤4：将红外与可见光视场角和共光轴参数引入上述步骤3的探测距离表达中，得到进一步表达为：

其中，

步骤5：在对某一实际检测目标中，首先在不同距离下通过观测十字热丝靶标进行标定，通过移动无极缩放后的红外图像，记录不同距离下红外与可见光十字热丝靶标重合时，水平方向的移动像素个数Δx_IR的值，从而得到该实际检测目标对应的参数α；

步骤6、使用紫外光探测组件观测紫外信号，记录不同距离下测得的紫外光子数；然后通过Matlab拟合紫外光子数N⁰与探测距离Z的关系：

步骤7、利用气象学距离的简化模型，根据大气能见距离R_v得到实际距离放电点L处的紫外光子数N为：

其中，

步骤8、将不同距离N所测光子数，校正到标准检测距离，得到矫正后光子数N₀为：

其中，L₀表示标准检测距离，λ₀表示测试能见度距离的光波长，λ表示紫外光探测组件探测波段的峰值波长。

通过以上技术方案可见，本发明针对单一成像检测技术在高压电力设备巡检时都存在局限性，以紫外成像检测时及紫外光子计数受距离影响较大的问题，提出了一种紫外、红外与可见光一体化高压变电设备检测装置及方法，通过紫外、红外与可见光三通道混合光轴光路和三波段实时图像采集、融合及分析处理电路，通过红外与可见光双目平行可视图像像素差，快速测得检测目标的距离，最终实现紫外光子数与距离的快速校正，实现对风险的快速检测。

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。另外，所要求保护的主题的所有组合都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是红外与可见光理想双目平行视觉测距模型示意图。

图2是本发明的红外与可见光实际应用时平行双目视觉模型测距模型示意图。

图3-5是利用本发明的检测方法进行高压变电设备检测的检测结果示意图，其图3是UV(紫外)、IR(红外)与VIS(可见光)的融合测试结果，图4是UV(紫外)与VIS(可见光)的融合测试结果，图5是UV(紫外)与IR(红外)的融合测试结果。

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。

结合图示，本发明提出的一种融合紫外、红外与可见光一体化高压变电设备检测方法，包括以下步骤：

通过紫外光探测组件对高压变电设备进行紫外光学成像；

通过红外探测组件对高压变电设备进行红外光学成像；

通过可见光探测组件对高压变电设备进行可见光成像；其中紫外光探测组件与可见光探测组件共光轴光路，再与红外探测组件形成平行光轴光路，并且红外探测组件光学视场角大于可见光探测组件的光学视场角；

在检测过程中，通过移动无极缩放后的红外图像，使被检测目标的红外图像与可见光图像完全重合后，通过图像处理模块进行紫外、红外与可见光图像的实时融合，其中通过红外与可见光双目平行可视图像像素差方法，测得检测目标的距离，进行实际距离的快速矫正，并通过紫外图像结合实际测试时的能见度，实现在标准检测距离下对紫外光子数的快速校正。

进一步地，紫外、红外与可见光的成像处理，均包含将光学成像转换成二维数字图像。

进一步地，在图像的实时融合过程包括以下步骤：

步骤1：根据双目平行测距模型，设同一目标P在红外探测组件的图像坐标为p_IR(x_IR，y_IR)，在可见光探测组件中的图像坐标为p_VIS(x_VIS，y_VIS)，根据红外与可见光视场角和共光轴参数，其满足y_IR＝y_VIS＝y，其中，f表示理想情况下探测器焦距，Z表示探测距离，b为红外与可见光两个探测组件的机芯水平轴向间的距离，通过三角近似原理得到目标P三维信息如下：

其中，l_IR表示红外探测组件机芯中探测器的像元尺寸，l_VIS表示可见光探测组件中探测器的像元尺寸；通过移动无极缩放后的红外图像，使目标P的红外图像与可见光图像完全重合；

步骤2、通过移动无极缩放后的红外图像，将目标P在红外图像中的实际坐标p_IRo(x_IRo，y_IRo)放大至p_IR(x_IR，y_IR)，使得红外探测器组件放大后的焦距满足f_IRo＝f，其中红外探测器组件焦距为f_IRo，使得红外图像与可见光图像在视场达到一致；由于红外与可见光探测器组件平行，其中旋转夹角可忽略，则通过放射变换可得：

其中，k为图像无极放大系数，Δx_IR、Δy_IR为图像无极放大后水平方向与垂直方向移动像素个数；

步骤3、对无极放大后的红外图像进行平移，使两幅图像中的目标P相重合，即满足：

将以上公式引入步骤1中目标P的三维信息表达中，将探测距离Z简化为：

步骤4：将红外与可见光视场角和共光轴参数引入上述步骤3的探测距离表达中，得到进一步表达为：

其中，

其中的b、f、l_IR在搭建系统后均为常数。

步骤5：在对某一实际检测目标中，首先在不同距离下通过观测十字热丝靶标进行标定，通过移动无极缩放后的红外图像，记录不同距离下红外与可见光十字热丝靶标重合时，水平方向的移动像素个数Δx_IR的值，从而得到该实际检测目标对应的参数α；

步骤6、使用紫外光探测组件观测紫外信号，记录不同距离下测得的紫外光子数；然后通过Matlab拟合紫外光子数N⁰与探测距离Z的关系：

步骤7、利用气象学距离的简化模型，根据大气能见距离R_v得到实际距离放电点L处的紫外光子数N为：

其中，

步骤8、将不同距离N所测光子数，校正到标准检测距离，得到矫正后光子数N₀为：

其中，L₀表示标准检测距离，λ₀表示测试能见度距离的光波长，λ表示紫外光探测组件探测波段的峰值波长。

其中，我们在对某一对象目标进行检测时，一般在恒定温度、恒定湿度的环境下进行。例如空气的大气压，以及室外正常20±5°的温度和适宜的适度范围下进行，例如50-65％的湿度范围。

进一步地，所述测试能见度距离的光波长的取值如下：

λ₀＝550nm。

进一步地，所述紫外光探测组件探测波段的峰值波长取值如下：

λ＝265nm。

如此，通过本发明的上述技术方案，在进行高压电力设备巡检的应用中，观测被检测目标，通过移动无极缩放后的红外图像，使被检测目标红外图像与可见光图像完全重合，此时通过确定参数α可得到距离Z′，再通过紫外图像可测得未校正紫外光子数N′，将Z′与N′进行融合运算，并输入实际测试时的能见度R_v，可将在标准检测距离L₀下的矫正后光子数快速得到，从而输出更加准确的检测结果。

通过本发明的融合紫外、红外与可见光的融合检测，可克服传统单一检测成像带来的缺陷和局限，例如传统的红外检测方法发现故障往往为故障晚期且受天气环境影响较大，而紫外电晕成像检测技术，利用其高灵敏度、不受太阳等天气影响的特性，可以弥补单一红外检测的局限性，但紫外检测无法提供背景信息，且受距离、环境因素影响较大；可见光成像检测技术可以提供详细故障细节，但发现故障往往是后期。结合图3-图5的检测结果，图4和图5分别为紫外与可见光和红外的结合实现融合检测的结果，可见光信号作为背景信号；Gain代表紫外信号增益；Max、Min为红外最高及最低测温数值；PNum代表中间方框检测区域内的紫外信号经过距离校后的紫外光子数。从图3中可以看出，被测目标的红外图像与可见光图像中心，在图像视场及位置上已经完全匹配，通过上述步骤5可获得红外图像水平移动Δx_IR，并求出距离，然后通过8、9计算出校正后的紫外光子数，并通过PNum在图像上显示。图4、5分别是紫外与可见光、紫外与红外融合显示的两种显示检测模式，其无法进行测距及光子数矫正，检测结果距离高压电力设备实际可能出现的发热或者放电问题存在较大的偏差。

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 (5)

1.一种紫外、红外与可见光一体化高压变电设备检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过紫外光探测组件对高压变电设备进行紫外光学成像；

通过红外探测组件对高压变电设备进行红外光学成像；

通过可见光探测组件对高压变电设备进行可见光成像；其中紫外光探测组件与可见光探测组件共光轴光路，再与红外探测组件形成平行光轴光路，并且红外探测组件光学视场角大于可见光探测组件的光学视场角；

在检测过程中，通过移动无极缩放后的红外图像，使被检测目标的红外图像与可见光图像完全重合后，通过图像处理模块进行紫外、红外与可见光图像的实时融合，其中通过红外与可见光双目平行可视图像像素差方法，测得检测目标的距离，进行实际距离的快速矫正，并通过紫外图像结合实际测试时的能见度，实现在标准检测距离下对紫外光子数的快速校正。

2.根据权利要求1所述的紫外、红外与可见光一体化高压变电设备检测方法，其特征在于，紫外、红外与可见光的成像处理，均包含将光学成像转换成二维数字图像。

3.根据权利要求1所述的紫外、红外与可见光一体化高压变电设备检测方法，其特征在于，在图像的实时融合过程包括以下步骤：

步骤1：根据双目平行测距模型，设同一目标P在红外探测组件的图像坐标为p_IR(x_IR，y_IR)，在可见光探测组件中的图像坐标为p_VIS(x_VIS，y_VIS)，根据红外与可见光视场角和共光轴参数，其满足y_IR＝y_VIS＝y，其中，f表示理想情况下探测器焦距，Z表示探测距离，b为红外与可见光两个探测组件的机芯水平轴向间的距离，通过三角近似原理得到目标P三维信息如下：

其中，l_IR表示红外探测组件机芯中探测器的像元尺寸，l_VIS表示可见光探测组件中探测器的像元尺寸；通过移动无极缩放后的红外图像，使目标P的红外图像与可见光图像完全重合；

步骤2、通过移动无极缩放后的红外图像，将目标P在红外图像中的实际坐标p_IRo(x_IRo，y_IRo)放大至p_IR(x_IR，y_IR)，使得红外探测器组件放大后的焦距满足f_IRo＝f，其中红外探测器组件焦距为f_IRo，使得红外图像与可见光图像在视场达到一致；由于红外与可见光探测器组件平行，通过放射变换可得：

其中，k为图像无极放大系数，Δx_IR、Δy_IR为图像无极放大后水平方向与垂直方向移动像素个数；

步骤3、对无极放大后的红外图像进行平移，使两幅图像中的目标P相重合，即满足：

将以上公式引入步骤1中目标P的三维信息表达中，将探测距离Z简化为：

步骤4：将红外与可见光视场角和共光轴参数引入上述步骤3的探测距离表达中，得到进一步表达为：

其中，

步骤5：在对某一实际检测目标中，首先在不同距离下通过观测十字热丝靶标进行标定，通过移动无极缩放后的红外图像，记录不同距离下红外与可见光十字热丝靶标重合时，水平方向的移动像素个数Δx_IR的值，从而得到该实际检测目标对应的参数α；

步骤6、使用紫外光探测组件观测紫外信号，记录不同距离下测得的紫外光子数；然后通过Matlab拟合紫外光子数N⁰与探测距离Z的关系：

步骤7、利用气象学距离的简化模型，根据大气能见距离R_v得到实际距离放电点L处的紫外光子数N为：

其中，

步骤8、将不同距离N所测光子数，校正到标准检测距离，得到矫正后光子数N₀为：

其中，L₀表示标准检测距离，λ₀表示测试能见度距离的光波长，λ表示紫外光探测组件探测波段的峰值波长。

4.根据权利要求3所述的紫外、红外与可见光一体化高压变电设备检测方法，其特征在于，所述测试能见度距离的光波长的取值如下：

λ₀＝550nm。

5.根据权利要求3所述的紫外、红外与可见光一体化高压变电设备检测方法，其特征在于，所述紫外光探测组件探测波段的峰值波长取值如下：

λ＝265nm。

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