CN113310942B - 一种基于毫米波fmcw雷达的绝缘子内部缺陷识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于毫米波FMCW雷达的绝缘子内部缺陷识别方法，本发明使用基于毫米波的FMCW雷达发射信号并利用基于FFT变换分析的回波检测进行缺陷位置初步识别，然后，通过多径反射的变化进一步定位缺陷位置。最后通过状态差值法减少杂波影响，完成缺陷位置的检测，通过以上步骤，本发明实现了对绝缘子内部机械结构(如微裂纹等)的检测。

Description

一种基于毫米波FMCW雷达的绝缘子内部缺陷识别方法

技术领域

本发明涉及电力系统领域，具体的是一种基于毫米波FMCW雷达的绝缘子内部缺陷识别方法。

背景技术

新基建特高压输电工程项目不断扩容，未来五年内将有一大批特高压输变电工程相继开工建设。1000kV和±800kV特高压线路电压等级和电磁环境要求更高，提高导线分裂数或导线截面的同时，悬垂绝缘子串和耐张绝缘子串的荷载增加。为满足荷载的要求、减小塔头尺寸，特高压工程必须使用400kN及以上大吨位绝缘子，部分线路甚至采用840kN绝缘子。据统计，420kN及以上瓷绝缘子使用量以突破1000万片，需求量非常旺盛。

绝缘子串在运行中，两端电位差为零的绝缘子，被称为零值绝缘子。一旦出现零值现象，说明绝缘子已击穿，电阻值为零，无法再起到绝缘作用，会严重影响电力安全运行，因此，各电力公司都会定期对运行中的绝缘子进行检测，提前预防出现零值绝缘子。

传统的检测方法需要先停电，将绝缘子拆下，再使用兆欧表进行测量，检测效率十分低下，且需要停电检测，对居民正常用电也造成影响。通过绝缘杆辅助，不断电、不登杆即可完成零值检测，检测便捷、高效，但仍需浪费人力物力。

发明内容

为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种基于毫米波FMCW雷达的绝缘子内部缺陷识别方法，本发明根据FMCW雷达测距原理，检测毫米波FMCW雷达在近场领域能否检测到微小裂缝。以高岭土平台模拟绝缘子环境，进行不同角度、宽度、长度、深度以及距离的裂纹探测。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种基于毫米波FMCW雷达的绝缘子内部缺陷识别方法，包括以下步骤：

S1、在绝缘子内安装带有毫米波FMCW雷达的探测芯片，绝缘子安全稳定运行时，记录初始状态下的二维FFT结果，同时，实时对雷达发出与接受的信号作混频处理，并对混频信号作二维FFT；

S2、使用前后差值检测的方法，对混频处理的数据进行FFT变换后，与初始值进行比较，并基于此对裂痕是否发生及裂痕位置进行初步识别；

S3、对FFT结果的实时差值信号进行峰值检测，得出缺陷的具体位置信息。

进一步地，所述S2中雷达天线发出的连续调制毫米波信号形式表示为：

其中ω₀为本振频率，为初始相位。回波信号为发射信号的延迟：

对发生信号与接受信号进行IQ混频后，得到的混频信号为：

对单独线性调频信号的基带信号采样进行FFT处理，得到拍频f_B，随后将雷达处理过的回波信号分成不同的距离门；

对总共N个线性扫频信号，需要重复上述的流程进行处理，在每个单独距离门中第二个FFT用于生成信号频谱结果，并将结果按列存储在一个二维矩阵当中，数据处理过程中使用差值比较法。

以最初绝缘子安全运行时的状态检测作为基准，取其混频信号的M次二维FFT的零速度通道结果为F₁,F₂,…,F_M，取其均值为F_A，M为信号检测精度，通过芯片处理速度进行设置。

取实时接收的混频信号的二维FFT的零速度通道结果F_I，并与初始状态作差值，得到实时差值数据F_P，对数据进行峰值检测，可得到缺陷具体信息。

进一步地，所述步骤3中实时差值信号是基于下降趋势导数的峰值的零交叉，实时差值信号为一阶导数的一阶平滑，在找到下降趋势的零交叉点之前，一阶导数的零交叉斜率超过斜率阈值最小值，在源信号点处超过幅值阈值最小值；

小波变换系数的相关函数抑制噪声FM干扰和白噪声，在噪声FM干扰的情况下，目标信号的小波变换系数的相关函数有一个峰值，该峰值用于信号检测和分析；

对实时输出信号进行滑窗处理，取一段时间内的峰值检测的结果平均值，并以最终信号结果作为检测裂缝有无与位置的判据。

本发明的有益效果：

1、本发明基于毫米波无损检测的方法地一些特点是目前已有的绝缘子探测技术所不具备的，如无需上塔作业、可以实时检测并易于管理员进行故障申报等；

2、本发明可检测绝缘子内部机械结构(如微裂纹等)等重要指标，从根本上有效降低未来特高压工程用绝缘子劣化率、零值率，可实现零值检测的智能替代，兼顾准确性和效率，大幅减轻电网部门运维压力和生产成本，因此具有重要意义。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是毫米波FMCW芯片与测试装置示意图；

图2是裂缝模拟示意图；

图3是数据检测的结果示意图；

图4是本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

一种基于毫米波FMCW雷达的绝缘子内部缺陷识别方法，具体装置如图1所示，裂缝模拟装置如图2所示，采用的数据检测方法的结果示意图如图3所示，具体方法如图4所示，将毫米波探测芯片安装在使用中的绝缘子内部，并使用前后差值检测的方法，对芯片混频器发生的数据进行FFT变换后，与初始值进行比较。同时对FFT结果的实时差值数据进行峰值检测，得出缺陷的具体位置信息。

对于FMCW雷达天线发出的连续调制毫米波用一般复信号形式表示为：

其中ω₀为本振频率，为初始相位。回波信号为发射信号的延迟：

对发生信号与接受信号进行IQ混频后，得到的混频信号为：

考虑到线性调频过程中，每次的chirp持续时间T_c很短，因此选择对单独线性调频信号的基带信号采样进行FFT处理，得到拍频f_B，随后将雷达处理过的回波信号分成不同的距离门。

对总共N个线性扫频信号，需要重复上述的流程进行处理。为得到更为精确的结果，在每个单独距离门中第二个FFT用于生成信号频谱结果，并将结果按列存储在一个二维矩阵当中。

处理过程中需要注意的是，实时的环境变化会对结果产生影响。如在绝缘子运行过程中，环境中飞过的鸟儿、天气变化的下雨、冰雹等都会在回波中产生干扰。因此，需要在数据处理过程中使用差值比较法。

以最初绝缘子安全运行时的状态检测作为基准，取其混频信号的M次二维FFT的零速度通道结果为F₁,F₂,…,F_M，同时取其均值为F_A，其中M为信号检测精度，可由维护员通过芯片处理速度进行设置。

同时，取实时接收的混频信号的二维FFT的零速度通道结果F_I，并与初始状态作差值，得到实时差值数据F_P。对数据进行峰值检测，可得到缺陷具体信息。对于实时插值信号通常有必要检测信号峰值并测量其位置、高度。一种有用的方法实际上是基于下降趋势导数的峰值的零交叉。但是数据中同时包含随机的噪声信号，并且仅仅因为噪声会导致很多错误的零交叉。

为了避免此问题，将该技术描述为信号一阶导数的一阶平滑。在找到下降趋势的零交叉点之前，这仅使这些一阶导数的零交叉斜率超过了明显的最小值(斜率阈值)，在源信号点处超过了明显的最小值(幅值阈值)。同时，小波变换系数的相关函数可以抑制噪声FM干扰和白噪声。在噪声FM干扰的情况下，只有目标信号的小波变换系数的相关函数才会有一个峰值，该峰值可用于信号检测和分析。

同时，对实时输出信号进行滑窗处理，取一段时间内的峰值检测的结果平均值，并以最终信号结果作为检测裂缝有无与位置的判据。

实施例2：

如图1所示，本发明的检测方法需要通过一个连续调制波雷达芯片、一个数据接收端上位机实现，图中的上位机采用计算机进行模拟。连续调制波雷达芯片通过向裂缝模拟装置发送毫米波，并在检测到回波后进行混频与ADC处理，并将处理结果发送至上位机。上位机中会对数据进行二维FFT与峰值检测，并将数据结果显示出来。

如图2所示，图2利用高岭土模拟绝缘子材质，并使用针刺来模拟裂痕产生。高岭土作为陶瓷绝缘子烧制的主要材料，在高岭土环境中可以基本模拟毫米波在陶瓷中的传播路径，与运行中的绝缘子具有相同的介电常数，因此采用高岭土模拟裂缝产生具有可靠意义与参考价值。通过在压实的高岭土上，划出不同长度、深度、宽度的裂纹，以验证使用FMCW毫米波雷达探测高岭土裂纹缺陷的可靠意义。

如图3所示，数据处理的结果分为两部分。上方为毫米波FMCW雷达对绝缘子缺陷探测的结果示意图。通过对实时输出信号进行滑窗处理，取一段时间内的峰值检测的结果平均值，可以得出有无裂缝产生与裂缝具体位置的可靠结论。

图3的上方图像显示此绝缘子没有裂痕。

图3下方为FMCW雷达的差频信号的实时二维FFT输出结果。

结合图4所示，下面详细介绍本发明的利用太赫兹扫描技术对绝缘子内部进行成像的具体实施案例：

首先在绝缘子上安装检测装置后，在绝缘子安全稳定运行时，记录初始状态下的二维FFT结果。同时，实时对雷达发出与接受的信号作混频处理，并对混频信号作二维FFT，保留环境中静止状态下的零速度通道结果，以排除环境中其他物体的干扰。随后，将得到的结果与初始状态的结果作差，并对作差后的数据进行峰值检测，以得到检测结果即是否有裂缝产生和裂缝产生的位置，并将结果进行输出。

由此可见，本发明所提出的方法实现了利用毫米波对绝缘子进行无损检测的工作。

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。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (2)

1.一种基于毫米波FMCW雷达的绝缘子内部缺陷识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在绝缘子内安装带有毫米波FMCW雷达的探测芯片，绝缘子安全稳定运行时，记录初始状态下的二维FFT结果，同时，实时对雷达发出与接受的信号作混频处理，并对混频信号作二维FFT；

S2、使用前后差值检测的方法，对混频处理的数据进行FFT变换后，与初始值进行比较；

S3、对FFT结果的实时差值信号进行峰值检测，得出缺陷的具体位置信息；

其中雷达天线发出的连续调制毫米波信号形式表示为：

其中ω₀为本振频率，为初始相位，回波信号为发射信号的延迟：

对发射信号与接受信号进行IQ混频后，得到的混频信号为：

对单独线性调频信号的基带信号采样进行FFT处理，得到拍频f_B，随后将雷达处理过的回波信号分成不同的距离门；

对总共N个线性扫频信号，重复进行处理，在每个单独距离门中第二个FFT用于生成信号频谱结果，并将结果按列存储在一个二维矩阵当中，数据处理过程中使用差值比较法；

以最初绝缘子安全运行时的状态检测作为基准，取其混频信号的M次二维FFT的零速度通道结果为F₁,F₂,…,F_M，取其均值为F_A，M为信号检测精度，通过芯片处理速度进行设置；

取实时接收的混频信号的二维FFT的零速度通道结果F_I，并与初始状态作差值，得到实时差值数据F_P，对数据进行峰值检测，得到缺陷具体信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于毫米波FMCW雷达的绝缘子内部缺陷识别方法，其特征在于，所述步骤S3中实时差值信号是基于下降趋势导数的峰值的零交叉，实时差值信号为一阶导数的一阶平滑，在找到下降趋势的零交叉点之前，一阶导数的零交叉斜率超过斜率阈值最小值，在源信号点处超过幅值阈值最小值；

小波变换系数的相关函数抑制噪声FM干扰和白噪声，在噪声FM干扰的情况下，目标信号的小波变换系数的相关函数有一个峰值，该峰值用于信号检测和分析；

对实时输出信号进行滑窗处理，取一段时间内的峰值检测的结果平均值，并以最终信号结果作为检测裂缝有无与位置的判据。