CN112417717B - Gis内部检测激光聚焦检测成像分析方法及可读存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种GIS内部检测激光聚焦检测成像分析方法及可读存储介质，该方法包括：基于预先建立的试验平台构建光‑声转换模型；根据所述光‑声转换模型建立激光面源激发超声波的有限元模型；基于所述有限元模型提取声源特性；根据所述声源特性确定激光聚焦检测成像的超声信息，本发明提出一种新型基于激光超声转换技术的GIS内部检测激光聚焦检测成像分析方法，针对新成像方法进行算法重建，为新型GIS内部检测激光聚焦检测成像技术提供理论支持。

Description

GIS内部检测激光聚焦检测成像分析方法及可读存储介质
技术领域
本发明涉及无损检测技术领域，特别是一种GIS内部检测激光聚焦检测成像分析方法及可读存储介质。
背景技术
气体绝缘组合电器(GIS)又称SF6全封闭绝缘组合电器，是变电系统中与变压器同等重要的关键设备。它与常规设备相比GIS设备有以下优点：占地面积小，且电压等级越高，占地面积越少；全封闭式结构使得导电部分免受外部环境影响；优良的绝缘性能延长了检修周期，节省了经济开销和人力耗费。
然而，GIS设备电气元件繁多且结构复杂，内部绝缘缺陷种类繁多，缺陷发展机理尚不完善；绝缘故障的表征状态量众多，且状态信息间具有不确定性和模糊性；而现有检测技术水平及环境因素阻碍了在运GIS设备封闭结构里大量状态信息的实时获取，这些都是实现GIS设备绝缘状态准确评估的难点所在，也是阻碍状态检修技术发展和推广的重要原因之一。
及时检测GIS设备内部的潜在缺陷对于保证GIS设备、乃至整个电力系统的安全运行具有重要意义，目前多数采用的方法是利用局部放电检测方法判断缺陷类型，但不能对缺陷的类型和位置进行精确的判断，工业上常用的方法是x射线对设备进行检测，实现设备带电运行情况下的内部异常结构的盘算，检测结果直观准确，但是x射线检测只能实现大型的GIS缺陷检测。然而在GIS生产与运行中，可能引入金属尖端。金属颗粒以及绝缘子裂纹缺陷等微小的潜在缺陷。这些缺陷具有尺寸小，对x射线吸收率低等特点，而且缺陷位置也多种多样，这就导致x射线成像检测变得困难。
发明内容
有鉴于现有技术的缺陷，本发明的目的就是提供一种GIS内部检测激光聚焦检测成像分析方法及可读存储介质，提出一种新型基于激光超声转换技术的GIS内部检测激光聚焦检测成像分析方法，针对新成像方法进行算法重建，为新型GIS内部检测激光聚焦检测成像技术提供理论支持。
本发明的目的之一是通过这样的技术方案实现的，一种GIS内部检测激光聚焦检测成像分析方法，包括：
基于预先建立的试验平台构建光-声转换模型；
根据所述光-声转换模型建立激光面源激发超声波的有限元模型；
基于所述有限元模型提取声源特性；
根据所述声源特性确定激光聚焦检测成像的超声信息。
可选的，预先建立试验平台，包括：
在激光束出射光路的透镜上设置超声增强介质，以构建试验平台。
可选的，构建光-声转换模型，包括：
根据所述超声增强介质的物理特性构建光-声转换模型，满足：
Figure GDA0003907360770000021
其中，p为光声压强，β为等压热膨胀系数，c为声波传播速度，ρ为密度，cp为比热容。
可选的，若所述超声增强介质为固体介质，构建光-声转换模型，还包括：
根据连续介质力学原理建立超声增强介质的边界方程，满足：
Figure GDA0003907360770000022
其中，G是剪切模量，
Figure GDA0003907360770000023
为位移，v为泊松比，
Figure GDA0003907360770000024
为热膨胀产生的面力，
Figure GDA0003907360770000025
为边界上指向外部的单位法向矢量。
可选的，根据所述光-声转换模型建立激光面源激发超声波的有限元模型之前，还包括：
根据超声增强介质边界与固体之间的相互作用进行模型求解；
其中，根据超声增强介质边界与固体之间的相互作用，满足：
Figure GDA0003907360770000026
可选的，根据所述声源特性确定激光聚焦检测成像的超声信息之前，还包括：
通过预设方法确定不同尺寸、不同GIS模型和不同深度的激光聚焦检测成像的成像分辨率规律；
根据所述成像分辨率规律确定聚焦特性匹配参数。
可选的，根据所述声源特性确定激光聚焦检测成像的超声信息之前，还包括：
根据所述聚焦特性匹配参数修正所述声源特性。
可选的，聚焦特性匹配参数，包括：焦斑、焦距、焦深和频率。
本发明的目的之二是通过这样的技术方案实现的，一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有信息传递的实现程序，所述程序被处理器执行时实现前述的GIS内部检测激光聚焦检测成像分析方法。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：本发明根据建立的光-声转换模型建立激光面源激发超声波的有限元模型，基于有限元模型提取声源特性，根据声源特性确定激光聚焦检测成像的超声信息，本发明提出了一种新型基于激光超声转换技术的GIS内部检测激光聚焦检测成像分析方法，针对新成像方法进行算法重建，为新型GIS内部检测激光聚焦检测成像技术提供理论支持。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。
附图说明
本发明的附图说明如下：
图1为本发明第一实施例流程图；
图2为本发明第一实施例激光超声聚焦结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例一
本发明第一实施例提出一种GIS内部检测激光聚焦检测成像分析方法，如图1所示，包括：
S10、基于预先建立的试验平台构建光-声转换模型；
S20、根据所述光-声转换模型建立激光面源激发超声波的有限元模型；
S30、基于所述有限元模型提取声源特性；
S40、根据所述声源特性确定激光聚焦检测成像的超声信息。
本实施例中，首先可以对聚焦超声聚焦特性对成像分辨率的影响因素进行分析，可以分别利用数值模拟和实验方法分析聚焦超声的激光激励参数(波长、光束界面尺寸、入射角、脉冲宽度等)、透镜参数(材质、口径、曲率半径等)、增强介质参数(涂层厚度、液相、固相、基底材料)对产生的聚焦超声的聚焦特性的影响规律，然后根据聚焦超声的聚焦特性的影响规律从理论上构建光-声转换模型，然后建立激光面源激发超声波的有限元模型，分析面源激发的超声波在复杂传播环境下聚焦的过程，最后提取声源特性为检测成像提供精确聚焦超声信息。
本实施例根据建立的光-声转换模型建立激光面源激发超声波的有限元模型，基于有限元模型提取声源特性，根据声源特性确定激光聚焦检测成像的超声信息，本发明提出了一种新型基于激光超声转换技术的GIS内部检测激光聚焦检测成像分析方法，针对新成像方法进行算法重建，为新型GIS内部检测激光聚焦检测成像技术提供理论支持。
可选的，预先建立试验平台，包括：
在激光束出射光路的透镜上设置超声增强介质，以构建试验平台。
具体的，如图2所示，本实施例中构建的试验平台包括激光器1、激光扩束系统2以及成像体3，其中激光器1可以是ND:YAG激光器，激光扩束系统2包括扩束透镜21，本实施例中在激光束出射光路的透镜上设置超声增强介质，也即扩束透镜21上设置超声增强介质，具体的超声增强介质可以是液体也可以是固体，可以根据实际需要设定，本发明采用扩束后的激光束照射包覆在扩束透镜21上的磁纳米管超声增强介质，经过具有一定曲率半径的透镜会产生聚焦超声信号，聚焦超声信号作用在被测目标体上形成新的声源，通过超声换能器检测声信号重构被测目标体图像。
可选的，构建光-声转换模型，包括：
根据所述超声增强介质的物理特性构建光-声转换模型，满足：
Figure GDA0003907360770000041
其中，p为光声压强，β为等压热膨胀系数，c为声波传播速度，ρ为密度，cp为比热容。
具体地说，在前述实施例的基础上，激光聚焦超声激励检测成像新方法正问题涉及两个过程，第一，激光作用在超声增强介质产生聚焦超声，该过程需要考虑光声耦合-声固耦合；第二，声场在被测目标体内传播会产生频散等声场问题。
本实施例中，首先分析激光产生聚焦超声的正问题算法：
当激光照射碳纳米管超声增强介质时，在照射的瞬时，引起介质温度升高，并伴随热胀冷缩效应产生压力冲击波，当激光脉冲脉宽足够小时，激光能量在介质上的沉积时间远远小于能量的扩散时间，因此光能量的沉积
Figure GDA0003907360770000051
为与光声压强之间的关系，即光声波动方程满足：
Figure GDA0003907360770000052
其中，p为光声压强，β为等压热膨胀系数，c为声波传播速度，ρ为密度，cp为比热容。
可选的，若所述超声增强介质为固体介质，构建光-声转换模型，还包括：
根据连续介质力学原理建立超声增强介质的边界方程，满足：
Figure GDA0003907360770000053
其中，G是剪切模量，
Figure GDA0003907360770000054
为位移，v为泊松比，
Figure GDA0003907360770000055
为热膨胀产生的面力，
Figure GDA0003907360770000056
为边界上指向外部的单位法向矢量。
具体地说，考虑激光作用在液体超声增强介质上，则正问题直接利用光声波动方程即可。
若考虑激光作用在固体介质上，也即所述超声增强介质为固体介质，根据连续介质力学的原理，在一个惯性参考系中，弹性固体的维纳方程矢量形式为：
Figure GDA0003907360770000057
其中，G是剪切模量，
Figure GDA0003907360770000058
为位移，v为泊松比，
Figure GDA0003907360770000059
为热膨胀产生的面力，
Figure GDA00039073607700000510
为边界上指向外部的单位法向矢量。弹性固体的维纳方程中的边界方程可以是超声增强介质产生的振动波与空气、液体或者直接被测目标体的耦合边界。
可选的，根据所述光-声转换模型建立激光面源激发超声波的有限元模型之前，还包括：
根据超声增强介质边界与固体之间的相互作用进行模型求解；
其中，根据超声增强介质边界与固体之间的相互作用，满足：
Figure GDA0003907360770000061
具体地说，在前述实施例的基础上，对模型进行求解，声场求解区域只包括绝缘流体背景区域，通过超声增强介质边界与固体产生相互作用，其求解方程可以为：
Figure GDA0003907360770000062
由此可以利用有限元分析方法对固体增强介质产生的声场进行分析。
可选的，根据所述声源特性确定激光聚焦检测成像的超声信息之前，还包括：
通过预设方法确定不同尺寸、不同GIS模型和不同深度的激光聚焦检测成像的成像分辨率规律；
根据所述成像分辨率规律确定聚焦特性匹配参数。
可选的，聚焦特性匹配参数，包括：焦斑、焦距、焦深和频率。
可选的，根据所述声源特性确定激光聚焦检测成像的超声信息之前，还包括：
根据所述聚焦特性匹配参数修正所述声源特性。
具体地说，根据所述声源特性确定激光聚焦检测成像的超声信息之前，本实施例中可以利用多物理场耦合仿真方法和实验方法相结合分析不同尺寸、不同GIS模型和不同深度的激光聚焦检测成像的成像分辨率规律，由此针对不同尺寸和不同GIS模型和不同深度等信息的成像体3确定最佳的聚焦特性匹配参数，其中聚焦特性匹配参数包括焦斑、焦距、焦深和频率，然后根据聚焦特性匹配参数修正所述声源特性，最后根据声源特性确定激光聚焦检测成像的超声信息。
综上所述，本发明方法提出一种GIS内部检测激光聚焦检测成像分析方法，基于激光超声转换技术的GIS内部缺陷检测方法，利用激光器1和高能量超声转换介质使激光信号产生出高强度的超声信号，然后利用产生的超声信号实现GIS内部缺陷的检测，本发明方法针对新型的GIS内部缺陷检测方法进行算法重建，为新型GIS内部检测激光聚焦检测成像技术提供理论支持。
实施例二
本发明第二实施例提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有信息传递的实现程序，所述程序被处理器执行时实现前述的GIS内部检测激光聚焦检测成像分析方法。
具体的，在一种可选的实施方式中所述程序被处理器执行时实现：
基于预先建立的试验平台构建光-声转换模型；
根据所述光-声转换模型建立激光面源激发超声波的有限元模型；
基于所述有限元模型提取声源特性；
根据所述声源特性确定激光聚焦检测成像的超声信息。
本实施例根据建立的光-声转换模型建立激光面源激发超声波的有限元模型，基于有限元模型提取声源特性，根据声源特性确定激光聚焦检测成像的超声信息，本发明提出了一种新型基于激光超声转换技术的GIS内部检测激光聚焦检测成像分析方法，针对新成像方法进行算法重建，为新型GIS内部检测激光聚焦检测成像技术提供理论支持。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种GIS内部检测激光聚焦检测成像分析方法，其特征在于，包括：
在激光束出射光路的透镜上设置超声增强介质，以构建试验平台；
根据所述超声增强介质的物理特性构建光-声转换模型，满足：
Figure FDA0003917878830000011
其中，p为光声压强，β为等压热膨胀系数，c为声波传播速度，cp为比热容；
根据所述光-声转换模型建立激光面源激发超声波的有限元模型；
基于所述有限元模型提取声源特性；
根据所述声源特性确定激光聚焦检测成像的超声信息。
2.如权利要求1所述的GIS内部检测激光聚焦检测成像分析方法，其特征在于，若所述超声增强介质为固体介质，构建光-声转换模型，还包括：
根据连续介质力学原理建立超声增强介质的边界方程，满足：
Figure FDA0003917878830000012
其中，ρ为密度，G是剪切模量，
Figure FDA0003917878830000013
为位移，v为泊松比，
Figure FDA0003917878830000014
为热膨胀产生的面力，
Figure FDA0003917878830000015
为边界上指向外部的单位法向矢量。
3.如权利要求1或2所述的GIS内部检测激光聚焦检测成像分析方法，其特征在于，根据所述光-声转换模型建立激光面源激发超声波的有限元模型之前，还包括：
根据超声增强介质边界与固体之间的相互作用进行模型求解；
其中，根据超声增强介质边界与固体之间的相互作用，满足：
Figure FDA0003917878830000016
4.如权利要求1所述的GIS内部检测激光聚焦检测成像分析方法，其特征在于，根据所述声源特性确定激光聚焦检测成像的超声信息之前，还包括：
通过预设方法确定不同尺寸、不同GIS模型和不同深度的激光聚焦检测成像的成像分辨率规律；
根据所述成像分辨率规律确定聚焦特性匹配参数。
5.如权利要求4所述的GIS内部检测激光聚焦检测成像分析方法，其特征在于，根据所述声源特性确定激光聚焦检测成像的超声信息之前，还包括：
根据所述聚焦特性匹配参数修正所述声源特性。
6.如权利要求4所述的GIS内部检测激光聚焦检测成像分析方法，其特征在于，聚焦特性匹配参数，包括：焦斑、焦距、焦深和频率。
7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有信息传递的实现程序，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1至6中任一项所述的GIS内部检测激光聚焦检测成像分析方法。
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