基于非線性時(shí)變參數(shù)的紅外校驗(yàn)評(píng)估技術(shù)研究

董 斌，劉艷梅，宋進(jìn)良，韓洪剛 ，任 川

(1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司檢修公司，遼寧 沈陽(yáng) 110006；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司物資公司，遼寧 沈陽(yáng) 110003；3.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006；4.遼寧東科電力有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110179)

基于非線性時(shí)變參數(shù)的紅外校驗(yàn)評(píng)估技術(shù)研究

董 斌1，劉艷梅2，宋進(jìn)良3，韓洪剛3，任 川4

(1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司檢修公司，遼寧 沈陽(yáng)110006；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司物資公司，遼寧 沈陽(yáng)110003；3.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng)110006；4.遼寧東科電力有限公司，遼寧 沈陽(yáng)110179)

紅外成像技術(shù)的廣泛應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)狀態(tài)檢修的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，對(duì)紅外成像設(shè)備的性能評(píng)估可為電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供重要保障。為了提高紅外成像評(píng)估能力，針對(duì)傳統(tǒng)紅外成像設(shè)備校驗(yàn)評(píng)估方法中存在的各類問(wèn)題，基于準(zhǔn)確度、狹縫函數(shù)、最小可分辨溫差(MRTD)、最小可探測(cè)溫差(MDTD)和噪聲等效溫差(NETD)等參數(shù)，建立了基于非線性獨(dú)立分量分析(ICA)時(shí)變參數(shù)的紅外成像評(píng)估系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)。以數(shù)字接口的銜接實(shí)現(xiàn)紅外成像設(shè)備的自動(dòng)化檢測(cè)與評(píng)估，提高了紅外設(shè)備應(yīng)用的準(zhǔn)確性，解決了電網(wǎng)紅外成像設(shè)備全性能評(píng)估的技術(shù)問(wèn)題。試驗(yàn)結(jié)果表明，相較于傳統(tǒng)方法，基于時(shí)變參數(shù)的紅外成像校驗(yàn)評(píng)估技術(shù)的正確率、魯棒性均更優(yōu)，具有更廣闊的應(yīng)用前景，可為電網(wǎng)狀態(tài)檢修的準(zhǔn)確性和安全性提供數(shù)據(jù)保障。

能源電力； 紅外成像技術(shù)； 傳遞函數(shù)； 測(cè)量； 溫度； 誤差

0 引言

近年來(lái),隨著紅外成像技術(shù)的不斷發(fā)展，紅外設(shè)備在電網(wǎng)狀態(tài)檢修領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,出現(xiàn)了多種紅外成像系統(tǒng)性能評(píng)估方法。紅外成像設(shè)備的性能評(píng)估對(duì)象涵蓋調(diào)制傳遞函數(shù)(modulationtransferfunction，MTF)和最小可分辨溫差(minimumresolvabletemperaturedifference,MRTD)等諸多參數(shù)特性，但現(xiàn)有對(duì)紅外成像設(shè)備性能參數(shù)的客觀測(cè)量方法缺少對(duì)多變參數(shù)影響因素的考慮[1]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)紅外評(píng)估系統(tǒng)整體參數(shù)綜合測(cè)試的研究還比較少，缺少智能化的故障判別方法。目前，電網(wǎng)的紅外成像設(shè)備評(píng)估技術(shù)主要以手動(dòng)檢測(cè)為主，對(duì)紅外成像設(shè)備多參數(shù)全性能評(píng)估系統(tǒng)的研究存在不足，因而無(wú)法確保紅外成像設(shè)備時(shí)變參數(shù)的準(zhǔn)確、可靠。按照智能電網(wǎng)建設(shè)需要和國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程最新要求，紅外成像設(shè)備需要對(duì)MRTD和最小可探測(cè)溫差 (minimumdetectabletemperaturedifference,MDTD)等多個(gè)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行評(píng)估分析，以保證電網(wǎng)狀態(tài)檢修的準(zhǔn)確性。由于現(xiàn)已應(yīng)用的紅外成像設(shè)備數(shù)量較多，分布較廣，而且數(shù)字接口不統(tǒng)一，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化全性能評(píng)估[2]。

基于時(shí)變參數(shù)的評(píng)估技術(shù)將以多參數(shù)變量為基礎(chǔ)，建立紅外成像評(píng)估系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，以數(shù)字接口的銜接實(shí)現(xiàn)紅外成像設(shè)備的自動(dòng)化檢測(cè)與評(píng)估，解決電網(wǎng)紅外成像設(shè)備全性能評(píng)估的技術(shù)問(wèn)題，保障電網(wǎng)狀態(tài)檢修的準(zhǔn)確性。

1 評(píng)估系統(tǒng)算法分析

1.1獨(dú)立分量分析算法

系統(tǒng)采用獨(dú)立分量分析(indepandentcomponentanalysis,ICA)技術(shù)進(jìn)行紅外系統(tǒng)的信號(hào)識(shí)別與優(yōu)化分析。獨(dú)立分量分析流程如圖1所示。

圖1 獨(dú)立分量分析流程圖

為優(yōu)化系統(tǒng)，在某一參量獨(dú)立性判據(jù)下通過(guò)算法應(yīng)用計(jì)算近似數(shù)據(jù)。

①球化。

對(duì)W進(jìn)行線性變換，使Z(t)的各分量方差值為1，且不相關(guān)。

②正交變換。

使yi的方差值保持為1，且各分量相互獨(dú)立[3]。

③判據(jù)。

(1)

式中：p(yi)和p(y)為未知參量。

對(duì)其進(jìn)行概率預(yù)估計(jì)，則統(tǒng)計(jì)獨(dú)立性I(y)可以描述為：

(2)

當(dāng)式(2)中y的各個(gè)分量相互獨(dú)立時(shí)，I(y)=0可以作為相互信息極小化的判據(jù)。確定B，根據(jù)y=Bx求y，從而實(shí)現(xiàn)I(y) 極小化[4]。

由此，可得到模型的預(yù)估結(jié)論：

H(y)=H(x)+lg|B|

(3)

(4)

1.2調(diào)制傳遞函數(shù)

MTF是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全性能評(píng)估的重要參數(shù)之一，通過(guò)將光場(chǎng)分布函數(shù)轉(zhuǎn)變成傅里葉級(jí)數(shù)的形式來(lái)體現(xiàn)?；诰€性濾波理論，通常二維物體g(u,v)可以分解成沿u方向和v方向的不同空間頻率(gu，gv)簡(jiǎn)諧函數(shù)的線性疊加[5]：

exp[2πi(vxx+yyy)]dvxdvy

(5)

1.3信號(hào)傳遞函數(shù)

信號(hào)傳遞函數(shù)(signal-transferfunction,SITF)是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估的重要參數(shù)之一。假設(shè)輸入信號(hào)為標(biāo)靶與其周圍環(huán)境之間的溫度差值、輸出信號(hào)為系統(tǒng)最終電壓值[6]，信號(hào)傳遞函數(shù)如圖2所示。

圖2 信號(hào)傳遞函數(shù)示意圖

SITF的推算過(guò)程如式(6)所示：

(6)

式中:G為系統(tǒng)的增益系數(shù)；R(λ)為對(duì)波長(zhǎng)λ的響應(yīng)度；Ad為探測(cè)器面積；F為基數(shù)；?Me(λ，TB)/?T為輻射泰勒級(jí)數(shù)的簡(jiǎn)化式；Tsys(λ)為系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)[7]。采用最小二乘法對(duì)最佳估計(jì)值進(jìn)行擬合，推導(dǎo)出信號(hào)傳遞函數(shù)，如式(7)所示。

(7)

存在于響應(yīng)度函數(shù)中的偏置，可表示為式(8)。

(8)

式中：

(9)

(10)

1.4噪聲等效溫差

紅外系統(tǒng)的溫度分辨能力可以采用噪聲等效溫差(noiseequivalenttemperaturedifference,NETD)來(lái)判斷、分析[8]。NETD既反映了系統(tǒng)的熱靈敏度特性，又體現(xiàn)了系統(tǒng)的分辨能力。為保證測(cè)量精度，通常在標(biāo)靶和環(huán)境具有較大溫差的情況下，使信號(hào)電壓Vs數(shù)倍于噪聲電壓Vn，累計(jì)背景溫度與目標(biāo)溫度差值ΔT[9]，然后可以按式(11)計(jì)算：

(11)

1.5最小可分辨溫差

對(duì)紅外熱成像系統(tǒng)的評(píng)估過(guò)程中，MRTD是綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)溫度和空間分辨能力的主要參數(shù)之一。四柵格標(biāo)靶可以精準(zhǔn)地測(cè)出MRTD相關(guān)數(shù)據(jù)。MRTD可以反映紅外熱像儀的溫度靈敏度，也可以體現(xiàn)其空間分辨率，還包括了觀察者的主觀影響[10]。在試驗(yàn)中，采用四柵格標(biāo)靶進(jìn)行多次測(cè)量，確定標(biāo)靶的空間頻率[11]。

2 測(cè)試原理分析

系統(tǒng)測(cè)試原理如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)測(cè)試原理圖

控制系統(tǒng)采用ASP.NET技術(shù)，以通信網(wǎng)絡(luò)為控制平臺(tái)，鏈接通信接口對(duì)高溫黑體和低溫黑體進(jìn)行控制與數(shù)據(jù)采集。

高溫黑體控制系統(tǒng)采用MTB3和TAM2，通過(guò)平行光管與紅外設(shè)備進(jìn)行連接，將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)、分析；對(duì)狹縫函數(shù)、NETD和熱靈敏度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與調(diào)整。低溫黑體控制系統(tǒng)采用TCB和SUB-T，通過(guò)平行光管與紅外設(shè)備進(jìn)行連接，并將整個(gè)運(yùn)算、分析過(guò)程存儲(chǔ)于系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中[12]。

試驗(yàn)系統(tǒng)的紅外設(shè)備采用FPGA和DDS結(jié)合的模式，高溫黑體與低溫黑體采用穩(wěn)壓輸出技術(shù)，經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換后輸出的溫度值為恒定標(biāo)準(zhǔn)值。在測(cè)試過(guò)程中，將對(duì)準(zhǔn)確度、狹縫函數(shù)、NETD和MRTD進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量與存儲(chǔ)[13]。

3 評(píng)估試驗(yàn)

為測(cè)試紅外成像評(píng)估系統(tǒng)的有效性和優(yōu)越性，針對(duì)紅外設(shè)備的準(zhǔn)確度、狹縫函數(shù)、NETD和MRTD進(jìn)行評(píng)估試驗(yàn)分析。評(píng)估試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 評(píng)估試驗(yàn)結(jié)果圖

3.1準(zhǔn)確度的測(cè)量

準(zhǔn)確度測(cè)量步驟如下。

①對(duì)高溫黑體和低溫黑體進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，測(cè)量出標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)及其與周圍環(huán)境之間的電壓差。

②系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算所有采集數(shù)據(jù)，并采用最小二乘法對(duì)線性部分?jǐn)M合[14]。

③對(duì)記錄的傳遞函數(shù)和環(huán)境溫度進(jìn)行比對(duì)、分析。

準(zhǔn)確度測(cè)量數(shù)據(jù)與測(cè)量誤差如圖4(a)所示。

3.2狹縫函數(shù)的測(cè)量

為了提高測(cè)量溫度的精度,需要測(cè)量和分析檢測(cè)系統(tǒng)中狹縫函數(shù)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,確定狹縫函數(shù)的具體形式。狹縫函數(shù)與測(cè)量角度如圖4(b)所示。

3.3NETD和MRTD的測(cè)試

NETD是熱成像系統(tǒng)靈敏度的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)，可用于預(yù)測(cè)小溫差點(diǎn)目標(biāo)的探測(cè)距離，從而實(shí)現(xiàn)技術(shù)指標(biāo)向戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)的轉(zhuǎn)化。NRTD的采樣形式由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集，取多次試驗(yàn)平均值，驗(yàn)證在相關(guān)環(huán)境下的一致性[15]。

MRTD的測(cè)量結(jié)果主要反映了系統(tǒng)的熱靈敏度特性，也體現(xiàn)了系統(tǒng)的空間分辨力。MRTD是針孔標(biāo)靶與均勻背景之間的溫差的函數(shù)，測(cè)試結(jié)果如圖4(c)所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)紅外成像設(shè)備校驗(yàn)工作中的各類問(wèn)題，提出了一種全新的基于非線性時(shí)變參數(shù)的紅外校驗(yàn)評(píng)估方法。系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)采用FPGA和DDS技術(shù),提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性,增強(qiáng)了成像的清晰度。該試驗(yàn)方法采用自動(dòng)優(yōu)化識(shí)別技術(shù)，縮短了系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間；采用多項(xiàng)參數(shù)試驗(yàn)測(cè)試算法，驗(yàn)證了系統(tǒng)的全性能，解決了現(xiàn)場(chǎng)紅外成像設(shè)備時(shí)變參數(shù)無(wú)法進(jìn)行全性能檢驗(yàn)與評(píng)估的技術(shù)問(wèn)題。試驗(yàn)結(jié)果表明，基于時(shí)變參數(shù)的紅外成像校驗(yàn)方法不僅提高了紅外成像的準(zhǔn)確性，具有較強(qiáng)的魯棒性，而且克服了傳統(tǒng)方法對(duì)圖像細(xì)節(jié)難以分割的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了MRTD、MDTD和狹縫函數(shù)等諸多時(shí)變參數(shù)的全性能自動(dòng)化檢測(cè)與評(píng)估。該方法在電網(wǎng)的狀態(tài)檢修工作中可以發(fā)揮重要的作用，有著廣闊的應(yīng)用前景。

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ResearchontheInfraredCalibrationEvaluationTechnology
BasedonNonlinearTimeVaryingParameters

DONG Bin1,LIU Yanmei2,SONG Jinliang3,HAN Honggang3,REN Chuan4

(1.STATE GRID Electric Maintenance Company,Shenyang110006,China;2.STATE GRID Electric Power Material Company,Shenyang110003,China;3.STATE GRID Electric Power Research Institute,Shenyang110006,China;4.Liaoning DONGKE Electric Power Co.,Ltd.,Shenyang110179,China)

The wide application of infrared imaging technology is one of the key links to realize the condition based maintenance of the power system.The performance evaluation of the infrared imaging equipment can provide important guarantee for the safe and stable operation of the power grid.In order to improve the evaluation capability of infrared imaging,aiming at various problems of traditional evaluation method of infrared imaging equipment,and based on the accuracy,slit function,minimum resolution temperature difference(MRTD),minimum detectable temperature difference(MDTD) and noise equivalent temperature difference (NETD) and other parameters,the database of infrared imaging evaluation system based on nonlinear independent component analysis (ICA) time varying parameters is established.Automatic detection and evaluation are implemented by the link up of digital interfaces,to improve the precision of application of infrared equipment,and to solve the technical measure of overall performance evaluation of infrared imaging equipment for power grid.The experimental results show that compared with the traditional method,infrared imaging calibration and evaluation technology based on time-varying parameters features better robustness and accuracy,so it has wider application prospect,and can guarantee the data accuracy and safety for state maintenance of power grid.

Energy power； Infrared imaging technology； Transfer Function； Measuring； Temperature； Error

TH-39;TP27

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201710024

修改稿收到日期:201-03-23

董斌(1960—)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事高電壓技術(shù)的研究與管理。E-mail15318257@qq.com。

宋進(jìn)良(通信作者)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事高電壓技術(shù)的研究。E-mail:SJL2241@163.com。