紫外成像系统

紫外成像系统马立新;黄大海【摘要】Fortheharmofcoronadischargetopowersystemisgreat,itisnecessarytodetectthecorona.Asweallknow,theultravioletwavelengthwhichcoronadischargeemitsis200~400nm.Inordertolocatecoronadischargeaccurately,asolarblindultravioletimagingsystemwasdesignedbyusingthesun-blindbandfrom240to280nm.Thehighresolutionlens,narrowbandsolarblindfilterwiththecenterwavelengthof254nmandexternalacquisitionboxwereusedtorealizethefunctionofimageacquisition,imagefusionandimageoutput.Animagingexperimentwaswentthroughtoshoothighvoltageequipmentandthetargetfarawayfrom10metersonsunnydaywith25°C.Thebackgroundimages,UVimagesandfusionimageswereacquiredclearly.Likewise,anothertestwasputforwardtosimulatecoronadischargebytheuseofneedletipdischargeinthelab,fusingcollectedcoronaandvisibleimages.Theexperimentalresultsindicatevalidityofthesystem.%电晕放电对电力系统的危害巨大，因此有必要对电晕进行检测。电晕放电产生的紫外线波长为200-400nm，为了实现电晕放电位置的准确定位，利用240~280nm这一日盲波段设计了一种日盲紫外成像系统。借助高分辨力镜头、中心波长为254nm的窄带日盲滤光片和外部采集盒，系统实现了图像采集、图像融合和图像输出的功能。在温度25C的晴天，对10m夕卜的高压设备进行成像实验，获得了比较清晰的背景图像、紫外图像和融合图像。同时，在实验室里利用针尖放电模型模拟电晕放电试验，融合采集到的电晕和可见光图像。实验结果验证了系统原理的正确性。期刊名称】《光电工程》年(卷),期】2015(000)007【总页数】6页(P1-6)【关键词】电晕放电;成像系统;日盲;融合【作者】马立新;黄大海【作者单位】上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海200093;上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海200093【正文语种】中文【中图分类】TN230引言随着经济的发展，我国电网分布越来越广泛，伴随而来的是环境污染。环境的污染导致了输电线路和高压电气设备的绝缘性能大幅下降。设备绝缘状况的恶化势必会加剧局部放电现象的发生，给人们的日常生产和生活带来很大的危害。为了保障电网线路的稳定运行和重要电力设备的实时监测，需要对高压设备的放电状况进行深入的研究。电晕放电［1-2］是一种局部的自持放电，它的发生条件是：在极不均匀的电场环境下，当电压还未能引起击穿前，电离现象已经非常强烈，大量空间的电荷积聚一起，使得间隙中的电场发生畸变。电晕放电危害巨大，会产生高频脉冲电流，干扰无线电通讯；会发出蓝色的晕光，使周围空气温度升高；能使空气发生化学反应，产生对金属电极造成损坏或腐蚀的物质；会产生大量的能量损耗。因此，很有必要对电晕放电进行检测［3-4］。由于电晕放电光谱主要是分布在紫外区域，所以可以应用紫外成像技术来检测电晕放电现象［5-6］，所检测的是日盲紫外波段［7］。由于太阳辐射中240-280nm波段的紫外光能被大气中的臭氧完全吸收，因此利用日盲紫外波段对电晕进行检测有助于提高检测的准确度。目前，欧美一些发达国家已经广泛应用日盲紫外波段进行高压输变电日间电晕的监测，并且成为了高压线路安全检测的主要手段。而我国在这方面仅仅出于研究阶段，一些技术难题尚未突破。相比较可见光段、红外段的较广泛应用，我国在该波段的技术研发和应用开发尚未起步。所以，此方面的研究前景广阔。目前国内外设计的紫外电晕检测系统大多是基于DSP的双光谱检测法［8-9］，其硬件成本昂贵，系统结构复杂，研发周期较长。文中设计了一种单通道的日盲紫外成像系统，利用光路自动切换技术和紫外相机，实现对高压设备电晕放电后发出的可见光和紫外光的采集。为了实现对电晕放电故障点的定位，系统中引入图像融合技术［10］。该系统能够广泛应用于电晕放电的检测和定位，为解决电晕问题提供了依据。1系统结构紫外成像法检测的基本原理是：在高压设备电气放电过程中，空气中的电子不断获得和释放能量，当电子释放能量时，便会产生紫外线。接收设备获得紫外信号，经处理后与可见光影像叠加，显示在仪器的屏幕上，达到确定电晕的位置和强度的目的，从而为进一步评估设备的运行情况提供更可靠的依据。单通道日盲紫外成像系统如图1所示，其中包含光路自动切换模块(10)、紫外相机(20)、采集输出模块(30)、图像处理模块(40)和接收显示模块(50)。与双通道系统采用两个CCD在同一时间采集可见光和紫外光不同，单通道系统只采用一个CCD，在同一空间不同时间点上采集图像。图1紫外成像系统Fig.1Ultravioletimagingsystem电晕放电产生的紫外光和可见光通过光路自动切换模块和紫外相机，实现图像采集光路自动切换模块设有偶数个镂空安装槽，同时相隔一个安装槽就设有日盲紫外光滤光片，转轮转动后实现可见光光路和紫外光光路的切换，要求紫外相机镜头正对安装槽。随着光路自动切换模块中的步进电机转动，带动转轮转动，此时紫外相机分别采集到直接通过安装槽的可见光信号和经过日盲紫外滤光片后得到的过滤紫外光信号。通过图像处理模块对紫外相机采集到的图像进行处理后，得到既有紫外图像信号又有背景图像信号的融合图像，最终将融合的图像显示在PC上，实现高压设备上电晕放电的检测与定位。硬件设计紫外相机及镜头的设计采用MicroVista-UV相机，相机光谱特性如图2。MicroVista-UV相机外形小巧、功耗低、100%像素感应加上独特镀膜形成的高量子效率使其在紫外区的灵敏度高并且提供百万像素级别的分辨力和高达30f/s的全帧读出速率。全数字输出，接口为业界标准的CameraLink，能满足试验要求。表1为相机性能指标。图2光谱特性曲线Fig.2Spectralpattern表1相机的性能指标Table1PerformanceindexesofthecameraReadnoise30e-rmsFullwell40ke-Darkcurrent150e/pixel/sCoolingPassiveaircooling(nofan)Nonlineardegrees<2%ChoiceofROISoftwarecontrolled采用的镜头焦距为75mm,通光孔径53mm，工作波段为200~700nm,F数为1.4，成像距离为1m到无穷远，镜头的内部结构设计如图3所示。图3镜头的内部结构Fig.3Internalstructureofthelens光路切换电路的设计光路切换电路设计包括滤光片转轮、日盲紫外滤光片、步进电机、单片机和排线。相机正对转轮其中的一个槽，步进电机的转轴和转轮的中轴固定在一起，单片机通过RS-232串口与PC上位机通信。为了使系统能够同时工作，步进电机的电刷通过排线与单片机连接，单片机用来控制步进电机的转动达到切换滤光片的目的。系统开始检测时，根据融合图像显示速率的大小要求，单片机控制转轮按照一定速度切换，设定切换速度满足实时显示的目的。例如，当输出图像为30f/s，因为转轮中共有4个安装槽，旋转一周可生成2帧融合图像。则步进电机的转速为30/2=15r/s。忽略其它因素的影响，可实现30帧/秒融合图像，达到实时显示的效果。在转轮安装槽内相间隔地固定至少一个紫外滤光片，采用石英玻璃的日盲紫外滤光片，其中心波长为254nm，在峰值254nm处的透过率为20%，只允许波长240~280nm的紫外光通过。软件算法设计系统采用基于Pleora的IPORTPT1000-CL外部采集盒进行图像融合软件的设计该采集盒能够获取CameraLink相机的图像数据，通过eBUSSDK工具包，解决了CameraLink接口与千兆以太网接口间数据传输的问题。紫外相机与采集盒之间通过BaseCameraLink线进行图像传输，采集卡与PC间通过千兆网线传输数据。在eBUSSDK工具包的基础上进行二次开发，增加图像处理的功能。程序中图像数据以bmp格式保存，需要对采集到bmp格式的可见光图像和紫外图像进行处理，最终显示融合的图像。把图像处理的函数所在的文件做成一个dll（动态链接库），将这些函数提供为库函数接口，在视频显示过程中，加载dll模块和获取这些函数指针的代码，可实现实时融合的画面。在紫外检测过程中，首先利用阈值滤波法对紫外图像信号进行预处理，过滤出紫外相机所产生的增益噪声，从而提高紫外图像信号的分辨力。为确定电晕放电的位置和强度，需要对采集的可见光背景图像和紫外图像进行融合处理。采用小波变换法的融合算法，将可见和紫外图像分解成具有不同分辨力的子图像，再根据不同的频域采用不同的融合规则，合成同时具有两幅源图像的有用信息的图像。图像经小波分解后，紫外信号和可见光信号的细节信息主要体现在高频区域，模糊信息体现在低频区域。假设待融合可见光图像和紫外图像分别为A、B，融合后的图像为F。在高频区，系统采用基于像素点绝对值取大的融合规则处理。为了获取可见光信号中的背景信息，同时保留紫外信号的信息，在低频区采用基于区域方差匹配度的融合规则。图像A和B的低频系数矩阵在r点的区域方差匹配度Q（r）为其中：r表示小波系数的空间位置（a，b），w（r）表示权值，Z（A，r）、Z（B，r）分别表示图像A、B的小波低频系数矩阵下空间位置为（a，b）元素的值，u（A，r）、u（B，r）分别表示图像A、B的低频系数矩阵以r为中心R区域的平均值。定义图像X的低频系数矩阵的区域方差显著性S（X，r）:当Q（r）＜0.5时，采用融合策略：当Q（r）＞0.5时，采用融合策略：其中：S（A,r）、S（B,r）分别表示图像A、B的低频系数矩阵的区域方差显著性H为区域方差匹配度阈值，这里取H=0.5。确定高频区和低频区的小波系数后，进行小波逆变换，得到最终融合图像。系统首先读取一行的可见光背景图像和紫外图像数据，若无紫外图像则输出可见光图像，否则直到读取完一帧紫外图像信号为止，然后输出完整的一帧融合图像信号。实验结果及分析为了验证系统的正确性，文中进行了两组试验。一组试验：在相对湿度30%、温度25°C的晴天，对10m外的高压设备进行成像试验，获得的可见光背景图像如图4所示，紫外图像如图5所示，采用加权平均法融合结果如图6所示，本系统融合结果如图7所示。图4可见光背景图Fig.4Visibleimage图5紫外图像Fig.5UVimage图6加权平均法融合结果Fig.6Fusedresultofweighted-average图7本系统融合结果Fig.7Fusedresultofthesystem另一组试验：在相对湿度40%，温度22C条件下对3m外的紫外光源和背景进行成像试验，试验图像来自同一场景下不同光谱图像。图8是可见光背景图像，图9是紫外图像。需要说明的是，紫外光源由针尖放电模型的电晕装置产生。图10和图11分别为加权平均法融合结果、本系统融合结果。图8可见光背景图Fig.8Visibleimage图9紫外图像Fig.9UVimage图10加权平均法融合结果Fig.10Fusedresultofweighted-average图11本系统融合结果Fig.11Fusedresultofthesystem目前市场上进行高压设备放电检测常用的仪器有超声波检测仪和红外热像仪等，然而存在一些缺陷。超声波检测仪很难直观准确地定位放电点和进行定量分析；红外热像仪检测温升是一种间接检测放电的方法。与这两种常用的检测仪器相比，该紫外成像系统能够直观地观察到放电的情况，迅速准确地定位放电点的位置，准确判断运行设备的健康程度，同时可检测出设备及绝缘的早期故障和性能降低。然而，该紫外检测技术与红外检测技术之间并不冲突，而是一种互补性的技术。一个完整的电力设施检测应该包括紫外成像、红外成像和可见光检测。电晕是一种发光的表面局部放电，由于空气局部高强度电场而产生电离。该过程引起微小的热量，通常红外检测不能发现。红外检测通常是在高电阻处产生热点。两者在检测实践中各有优势。欧美发达国家市场上普遍使用的OFIL公司生产的紫外成像仪，其融合模式大多是加权平均融合，适用于对融合图像质量要求不高而对实时性要求高的场合。与此相比，文中系统采用的融合算法耗时相对较长，然而能够输出更清晰的融合图像，适用于固定目标或对实时度要求不高而对放电点可识别度要求较高的场合。从两组合成图像中可以直观地看到本系统的融合图像更清晰，放电故障点的可识别度高，验证了系统的正确性。5结论针对高压输变电日间电晕的监测，研制了一种单通道的日盲紫外检测系统。系统无需人工操作，光路切换过程全自动化，具有结构简单、定位故障准确的特点。与当前流行的双通道结构的系统相比，有着明显的优势：1)硬件成本降低。系统只对滤光片的要求严格，节省了双通道系统的高性能DSP处理器和精密的光学器件等成本；2)简化了光路设计，减少了分光镜和反光镜，不但降低了图像配准的随机误差，而且提高了信号测量的灵敏度。通过成像实验验证了系统的可行性。为了研究的方便，实验中并未考虑一些复杂因素影响，包括空气的湿度、气压、海拔等，这些都会对成像产生影响，今后的研究会考虑到。另外，有一些需要改进的地方。由于紫外检测系统不能仅仅局限于PC平台，今后研究方向是要能实现巡检功能。对电晕放电强度的量化分级，还需要作进一步深入的研究。参考文献：张海峰，庞其昌，李洪，等•基于UV光谱技术的高压电晕放电检测J].光子学报，2006,35(8):1162-1166.ZHANGHaifeng,PANGQichang,LIHong,etal.DetectionofhighvoltagecoronabasedonUVspectrumtechnology[J].ActaPhotonicaSinica，2006，35(8):1162-1166.马立新，胡博，徐如钧，等•双通道电晕放电紫外检测及其图像融合方法[J].测控技术，2012,31(10):16-19.MALixin,HUBo,XUNRujun,etal.DualchannelblinddetectionofUVcoronadischargeandmethodofimagefusion[J].Measurement&ControlTechnology，2012，31(10):16-19.叶柏松，袁永刚，王继强，等•一种便捷式电晕检测紫外相机的设计[J].红外，2013，34(4):24-27.YEBaisong，YUANYonggang，WANGJiqiang，etal.DesignofaPortableUVCameraforCoronaDetection[J].Infrared，2013，34(4):24-27.王彦，梁大开，赵光兴，等•基于ICCD的高压电晕放电紫外光谱检测[J].红外与激光工程，2013,42(9):2431-2436.WangYan,LiangDakai,ZhaoGuangxing，etal.DetectionofultravioletspectrumbasedonICCDinthehighvoltagecoronadischarge[J].InfraredandLaserEngineering，2013，42(9):2431-2436.⑸靳贵平，庞其昌•紫外成像检测技术[J].光子学报，2003,32(3):294-296.JINGuiping，PANGQichang.TheKeyPointsofUVImagingandDetectingSystem[J].ActaPhotonicaSinica，2003，32(3):294-296.王少华，梅冰笑，叶自强，等.紫外成像检测技术及其在电气设备电晕放电检测中的应用[J].高压电器，2011,47(11):92-97.WANGShaohua,MEIBingxiao,YEZiqiang，etal.Ultravioletimagingdetectiontechnologyandapplicationincoronadischargedetectionofelectricalequipment[J].HighVoltageApparatus，2011，47(11):92-97.马利祥，李争•紫外探测式的子弹统计系统设计[J].光电工程，2012,39(12):37-41.MALixiang，LIZheng.DesignofBulletCountingSystemBasedonUVDetection[J].Opto-ElectronicEngineering，2012，39(12):37-41.陈书汉，庞其昌，靳贵平，等.一种双波段图像实时融合实验系统[J].光学技术，2006，32(2)：277-279.CHENShuhan，PANGQichang，JINGuiping，etal.Aexperimentalsystemforreal-timetwo-channelimagefusion[J].OpticalTechni