大相對(duì)孔徑紫外成像儀光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

崔穆涵，田志輝*，周　躍，章明朝，陳　雪，李佳起，易翔宇

(1.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033; 2.長(zhǎng)春國(guó)科精密光學(xué)技術(shù)有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130033)

1　引　言

當(dāng)高壓輸電設(shè)備之間的場(chǎng)強(qiáng)增加至20～30 kV/cm時(shí)，周圍小曲率半徑的導(dǎo)電電極會(huì)由于空氣電離從而產(chǎn)生電暈放電。電暈放電會(huì)導(dǎo)致高壓輸電設(shè)備表面燒蝕或腐蝕，毀壞輸電線路甚至引發(fā)電力事故。此外，電暈放電時(shí)產(chǎn)生的高頻脈沖電流中夾雜著大量高次諧波，會(huì)嚴(yán)重干擾正常的無(wú)線電通信[1-7]。因此，近年來(lái)電力行業(yè)的相關(guān)部門對(duì)于能夠早期檢測(cè)并準(zhǔn)確定位電暈放電點(diǎn)的紫外成像儀愈發(fā)重視。據(jù)統(tǒng)計(jì)，未來(lái)十年我國(guó)計(jì)劃建設(shè)及改進(jìn)智能高壓變電站超過(guò)7 000余座，對(duì)相關(guān)的配套電力檢測(cè)設(shè)備需求將大大增加，由此可見(jiàn)紫外成像儀的市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊。

紫外成像儀可同時(shí)采集日盲紫外、可見(jiàn)雙譜段圖像，并通過(guò)二者視場(chǎng)的高度匹配判斷故障點(diǎn)的位置。日盲紫外譜段位于240～280 nm的中紫外區(qū)，由于大氣分子的散射作用以及地表臭氧的吸收作用，大部分該譜段輻射無(wú)法穿透臭氧層到達(dá)地表，因而稱為日盲紫外?；谏鲜鎏匦?，當(dāng)大氣背景中出現(xiàn)包含日盲紫外譜段輻射的目標(biāo)，如電暈放電點(diǎn)時(shí)，可利用背景與目標(biāo)的高對(duì)比度對(duì)其進(jìn)行探測(cè)[8-9]。紫外成像儀即利用上述特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了對(duì)電暈放電點(diǎn)的有效檢測(cè)。

20世紀(jì)70年代末期，國(guó)外已對(duì)紫外譜段輻射特性展開(kāi)研究，90年代末期，國(guó)外開(kāi)始研制紫外成像儀，并逐步形成產(chǎn)品投放市場(chǎng)。典型的國(guó)外產(chǎn)品有南非國(guó)電 (ESKOM)與南非CSIR共同研發(fā)生產(chǎn)的CoroCAM系列紫外成像儀，美國(guó)電科院(EPRI)和以色列OFIL公司共同研發(fā)的DAYCOR系列，以及以色列OFIL獨(dú)立自主研發(fā)的Super B紫外成像儀[10-12]。典型的國(guó)內(nèi)產(chǎn)品有長(zhǎng)春國(guó)科精密公司獨(dú)立自主研發(fā)的CDH系列紫外成像儀。

論文重點(diǎn)針對(duì)上述產(chǎn)品中紫外光學(xué)系統(tǒng)的不足之處進(jìn)行改進(jìn)。紫外光學(xué)系統(tǒng)作為紫外成像儀的核心關(guān)鍵器件，直接決定了成像儀的光能利用率、通光口徑及分辨率等光學(xué)參數(shù)，其性能優(yōu)劣對(duì)于成像儀系統(tǒng)的性能表現(xiàn)至關(guān)重要。在以色列及南非公司產(chǎn)品中，紫外光學(xué)系統(tǒng)普遍采用施密特-卡塞格林系統(tǒng)[13]，雖然解決了由日盲紫外譜段的短波特性引起的色差問(wèn)題，但中心視場(chǎng)存在遮擋，減小了整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的通光口徑，一定程度上降低了系統(tǒng)的光能利用率，導(dǎo)致產(chǎn)品難以進(jìn)行遠(yuǎn)距離作業(yè)。為使紫外成像儀在進(jìn)行遠(yuǎn)距離工作時(shí)獲得的輻射能量滿足成像要求，需選擇口徑較大的鏡片作為光學(xué)系統(tǒng)的主鏡，這又大大不利于產(chǎn)品的小型化研制，限制了其在電力行業(yè)的大規(guī)模應(yīng)用。此外，以O(shè)fil公司的某臺(tái)SuperB成像儀為例，其紫外可見(jiàn)光雙光路對(duì)準(zhǔn)精度標(biāo)稱為1 mrad，實(shí)際測(cè)試值則為5 mrad。由此推算，在20 m工作距離上，電暈放電位置顯示值與實(shí)際值相差可達(dá)100 mm，容易造成對(duì)故障的定位偏差。長(zhǎng)春國(guó)科的早期產(chǎn)品雖然有效解決了國(guó)外產(chǎn)品光能利用率不足的問(wèn)題，但由于選擇單一熔石英材質(zhì)，對(duì)于色差的消除不夠理想，且分辨率僅為5 lp/mm，不利于分辨相鄰電力設(shè)備的故障損傷。針對(duì)上述問(wèn)題，論文設(shè)計(jì)了一款大孔徑消色差[14]紫外光學(xué)系統(tǒng)，利用熔石英及氟化鈣兩種材料[15]的不同色散特性，根據(jù)改進(jìn)的雙膠合透鏡結(jié)構(gòu)有效解決了目前大多數(shù)紫外成像儀存在的定位和指向精度不佳、色差較大、分辨率及光能利用率不足等問(wèn)題。設(shè)計(jì)的紫外光學(xué)系統(tǒng)全視場(chǎng)全探測(cè)范圍內(nèi)點(diǎn)列圖均方根直徑<0.08 mm，分辨率為20 lp/mm，滿足電力行業(yè)電暈探測(cè)需求，已計(jì)劃裝配于長(zhǎng)春國(guó)科的二型紫外成像儀產(chǎn)品中。

2　光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)的確定

紫外成像儀的通用技術(shù)指標(biāo)如表1所示。系統(tǒng)所采用的紫外探測(cè)器尺寸18 mm，最小紫外光靈敏度為3×10-18W/cm2，由于電暈放電發(fā)出的紫外輻射極其微弱，需保證入射至探測(cè)器的輻通量≥10-17W方能滿足系統(tǒng)成像要求。目標(biāo)發(fā)出的紫外輻射經(jīng)大氣傳輸、紫外光學(xué)系統(tǒng)及濾光片后入射至紫外探測(cè)器，此時(shí)探測(cè)器所接收的輻射通量如式(1)所示：

(1)

式中，k為與探測(cè)角度相關(guān)的系數(shù)，D為紫外光學(xué)系統(tǒng)的通光口徑，L為目標(biāo)距光學(xué)系統(tǒng)第一個(gè)面的距離，τfilter為日盲紫外濾光片的透過(guò)率，τlens為紫外光學(xué)系統(tǒng)的透過(guò)率，τ(λ)L/1000為大氣衰減系數(shù)。

表1　紫外成像儀通用技術(shù)指標(biāo)

本系統(tǒng)中，日盲紫外濾光片的半寬度透過(guò)率約為0.2，紫外光學(xué)系統(tǒng)的整體透過(guò)率≥0.9，通過(guò)表1的通用技術(shù)指標(biāo)可知，實(shí)際探測(cè)目標(biāo)與成像之間的法向夾角很小，因此認(rèn)為k=1。

將參數(shù)k=1，τfilter=0.2，τlens=0.9，探測(cè)器的最小紫外靈敏度3×10-18W/cm2及輻射通量需求1×10-17W代入式(1)，可以得到當(dāng)紫外光學(xué)系統(tǒng)通光口徑D≥48.512 mm時(shí)，滿足紫外成像儀的成像需求。

紫外光學(xué)系統(tǒng)的焦距可通過(guò)式(2)計(jì)算得到：

(2)

式中，d為探測(cè)器尺寸，2ω為系統(tǒng)的光學(xué)視場(chǎng)角。計(jì)算得到紫外光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)焦距f≤171.73 mm即可，考慮近來(lái)電力部門實(shí)際應(yīng)用紫外成像儀時(shí)，對(duì)于設(shè)備小型化的需求愈發(fā)迫切，選取f′≈100 mm。

紫外成像儀在實(shí)際工作時(shí)，可見(jiàn)光通道用于對(duì)被檢目標(biāo)的背景進(jìn)行成像從而幫助定位故障點(diǎn)，因此需主要關(guān)注背景圖像的細(xì)節(jié)信息；而紫外通道用于檢測(cè)電暈放電的有無(wú)，因此無(wú)需關(guān)注目標(biāo)放電點(diǎn)的細(xì)節(jié)信息，論文著重描述紫外通道光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，因此只需關(guān)注目標(biāo)放電能量的大小以及多目標(biāo)間的分辨問(wèn)題即可。通常意義上，認(rèn)為可通過(guò)簡(jiǎn)單的圖像處理算法識(shí)別兩個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的前提條件是兩目標(biāo)放電點(diǎn)的80%彌散斑不重疊。紫外光學(xué)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)點(diǎn)所成像的80%彌散斑半徑r可由式(3)求得：

(3)

式中，Δθ為系統(tǒng)的通用技術(shù)指標(biāo)角分辨率，f′為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)焦距，可得r≤0.175 mm。

綜上所述，紫外光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)選技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2　紫外光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)選設(shè)計(jì)指標(biāo)

3　紫外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

多數(shù)光學(xué)材料的光透過(guò)率隨波長(zhǎng)減小而降低，因此可用于紫外譜段的光學(xué)透鏡材料很少，常見(jiàn)的僅氟化鈣及熔石英兩種材料。由于日盲紫外譜段的短波特性，單獨(dú)的熔石英材料會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)較大的色差；而單獨(dú)的氟化鈣材料則表現(xiàn)出較強(qiáng)的本征雙折射，從而嚴(yán)重影響系統(tǒng)的分辨率。因此，選擇熔石英與氟化鈣共同作為紫外光學(xué)系統(tǒng)的原材料。同時(shí)，由于典型的消色差結(jié)構(gòu)——雙膠合透鏡結(jié)構(gòu)無(wú)法透射紫外譜段輻射，因此采用改進(jìn)的分離式雙膠合透鏡結(jié)構(gòu)消除系統(tǒng)色差。設(shè)計(jì)的大孔徑高分辨率消色差紫外光學(xué)系統(tǒng)，最終設(shè)計(jì)結(jié)果如表3所示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表3　紫外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果

圖1　紫外光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 Fig.1　Structure of ultraviolet optical system

4　紫外光學(xué)系統(tǒng)分析

4.1　紫外光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)評(píng)價(jià)

通常情況下，紫外成像儀中的紫外光學(xué)系統(tǒng)主要起對(duì)目標(biāo)輻射進(jìn)行能量收集探測(cè)的作用，因此認(rèn)為光學(xué)系統(tǒng)的能量集中度是評(píng)判其成像質(zhì)量?jī)?yōu)劣的核心指標(biāo)。在電力部門實(shí)際應(yīng)用時(shí)，發(fā)現(xiàn)分辨率也應(yīng)作為紫外成像儀的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，原因在于，在遠(yuǎn)距離對(duì)輸電線路進(jìn)行巡檢時(shí)，高分辨率紫外成像儀可有效判斷相鄰電力設(shè)備的損傷點(diǎn)，而不至于將兩個(gè)或幾個(gè)相鄰損傷點(diǎn)混淆。因此論文采用點(diǎn)列圖及傳遞函數(shù)曲線(MTF)共同作為紫外光學(xué)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

圖2為對(duì)焦3 m及無(wú)窮遠(yuǎn)時(shí)，各視場(chǎng)的成像點(diǎn)列圖。圖3為對(duì)焦3 m及無(wú)窮遠(yuǎn)時(shí)，各視場(chǎng)的傳遞函數(shù)，從圖3中可以看出，系統(tǒng)各視場(chǎng)彌散斑的均方根直徑在整個(gè)探測(cè)范圍內(nèi)均<0.08 mm，且光斑圓度好，定位和指向精度高，大大有助于操作人員確定電力設(shè)備損傷點(diǎn)的位置；系統(tǒng)的分辨率為20 lp/mm，滿足設(shè)計(jì)需求，大大有助于操作人員在遠(yuǎn)距離作業(yè)時(shí)分辨相鄰電力設(shè)備的損傷。

圖2　點(diǎn)列圖 Fig.2　Spot diagram

圖3　傳遞函數(shù)曲線 Fig.3　 MTF curve

4.2　紫外光學(xué)系統(tǒng)公差

考慮實(shí)際的光學(xué)元件加工能力以及實(shí)驗(yàn)人員的裝調(diào)水平，設(shè)定光學(xué)系統(tǒng)公差見(jiàn)表4，其中光學(xué)元件的折射率公差0.000 1，阿貝常數(shù)允許偏差0.1%。

表4　最終制定的紫外光學(xué)系統(tǒng)公差

采用蒙特卡羅統(tǒng)計(jì)模擬法對(duì)公差進(jìn)行敏感度分析，結(jié)果如表5所示。分析表中結(jié)果得出結(jié)論，在表4的公差范圍內(nèi)，有90%的鏡頭均可滿足設(shè)計(jì)需求。綜上，紫外光學(xué)系統(tǒng)可根據(jù)表4中制定的公差范圍進(jìn)行加工和裝調(diào)。最終加工裝調(diào)完成的紫外光學(xué)系統(tǒng)實(shí)物如圖4所示。

表5　公差分析結(jié)果

圖4　紫外光學(xué)系統(tǒng)實(shí)物圖 Fig.4　Ultraviolet optical system

5　結(jié)　論

本文分析了電暈放電探測(cè)的需求，提出了紫外成像儀中紫外光學(xué)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，利用熔石英及氟化鈣兩種材料的不同色散特性，選取上述兩種材料組合，根據(jù)改進(jìn)的分離式雙膠合透鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款大孔徑高分辨率的消色差紫外光學(xué)系統(tǒng)。在10°視場(chǎng)范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)的紫外光學(xué)系統(tǒng)全探測(cè)范圍內(nèi)點(diǎn)列圖均方根直徑<0.08 mm，分辨率為20 lp/mm。有效解決了目前大多數(shù)紫外成像儀存在的定位和指向精度欠缺、色差較大、分辨率及光能利用率不足等問(wèn)題，對(duì)于紫外成像儀在電力行業(yè)的推廣及應(yīng)用具有重大實(shí)際意義。

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