基于可見光圖像的日光下沿面放電狀態(tài)識別

葉偉玲，董軒，曾莉，朱躍勝，葉齊政

(1．廣東電網(wǎng)有限責任公司江門供電局，廣東 江門529030; 2. 華中科技大學 電氣與電子工程學院, 湖北 武漢430074)

沿面放電是高電壓絕緣領域一種常見的放電現(xiàn)象，通常的檢測主要集中在電信號、光強信號、光譜信號、電磁波、超聲波、氣體成分等方面[1-5]，圖像檢測涉及可見光和紫外光。早期放電圖像是膠片，屬于模擬信號，主要通過定性分析開展研究，例如形態(tài)學研究、光強光弱的描述，而定量研究很少，所以很少用于檢測[6-9]。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)在放電領域得到應用，例如擊穿路徑、放電面積的統(tǒng)計分析，但由于日光的干擾，一般采用紫外信息。另外使用較多的是高速相機[9-13]，雖然高速相機能夠獲得單次放電的詳細信息，但放電本質(zhì)上是隨機過程的集成，特別是對絕緣狀態(tài)的識別來說，長時間尺度的多次放電的集成效應更為重要。

沿面放電區(qū)域大小評估是研究放電狀態(tài)的重要指標，雖然日光干擾可以通過利用紫外信息加以避免，但由于紫外相機像素較低，提取的黑白信息只能對放電面積作近似估算?？梢姽庀鄼C像素雖然高(價值1萬～2萬元的可見光數(shù)碼相機像素均在3 000萬以上，價值1 000～2 000元的手機也有1 000萬像素，而價值十幾萬元的紫外、紅外設備只有50萬左右像素)，但容易受日光和介質(zhì)板顏色的影響，不能直接用于放電面積分析。

2000年Russell提出直接檢測色度監(jiān)控等離子體狀態(tài)的穩(wěn)定性，受當時光電檢測技術(shù)的限制，只能對較大的均勻區(qū)域進行整體檢測，在氣體放電檢測方面并無太多發(fā)展[14]。2016年出現(xiàn)了用色度信息監(jiān)測電弧焊[15]，同時利用普通可見光相機研究了沿面放電色度信息對放電面積識別的優(yōu)勢，但并不是在日光環(huán)境下[16]。2017年Reddy等介紹了提取放電照片中的RGB信息，然后換算成亮度，研究其與放電功率關(guān)系的方法，這是一個重要進展，但也不是在日光環(huán)境下[17-18]。2019年方春華等人利用高速相機研究絕緣狀態(tài)，采用色度信息，但沒有用于日光環(huán)境[19]。2020年，研究人員將可見光色度信息進行轉(zhuǎn)換，研究暗環(huán)境電暈的嚴重程度[20]，并采用機器學習的方法進行狀態(tài)識別[21]。對沿面放電來說，除了以上提到的技術(shù)，也有一些特殊的圖形探測技術(shù)，例如灰塵圖、基于Pockels效應的圖形方法，但這些都很少利用圖形的色度信息。

總之，由于普通數(shù)碼相機的高像素(在同樣幅面的視場內(nèi)，拍攝照片的空間分辨率要高很多)，利用可見光的顏色信息來研究放電現(xiàn)象的情況越來越多，但仍無法克服日光和介質(zhì)板顏色的影響。本文利用可見光色度分析技術(shù)診斷日光環(huán)境下的沿面放電，旨在為當前的沿面放電狀態(tài)檢測研究提供新的思路和視角。

1 實驗裝置

放電源為自制的沿面放電裝置，尖電極為黃銅針、板，針板間隙為10.0 mm；沿面介質(zhì)為白色陶瓷板(成分99%為氧化鋁)或紅色電木板(成分為酚醛層壓紙板)；使用的數(shù)碼相機為分辨率可達3 600萬像素的Nikon D800，相機參數(shù)設置為：光圈F=5.0，曝光時間T=1/50 s，感光度(ISO)2 000，測光模式為偏中心平均模式，顏色模式為sRGB模式；放電環(huán)境為空氣，光照條件為自然光加日光燈。圖1所示為實驗裝置。圖2所示為白色陶瓷板和紅色電木板在放電狀態(tài)下的可見光照片，很顯然，圖2中基本看不到放電。

圖1 實驗裝置Fig.1 Experimental facility

圖2 日光下放電照片F(xiàn)ig.2 Discharge pictures in the sunlight

2 圖像處理方法

2.1 分析區(qū)域選擇

經(jīng)驗表明，發(fā)生沿面放電時針尖附近區(qū)域的放電通道最密集，光強最強，在日光下能顯現(xiàn)出的放電信息最豐富。為保證診斷準確度，本文選擇將針尖下方1塊以針電極對稱軸為中心的矩形區(qū)域做為分析區(qū)域。同時，為了分析沿面放電的二維分布特性，將整個分析區(qū)域劃分成由1 010個微元組成的陣列，行列結(jié)構(gòu)為10×101，如圖3所示。分析發(fā)現(xiàn)，微元如果取太小就提煉不出統(tǒng)計規(guī)律，如果取太大則導致色度信息平均化，進而減弱規(guī)律性趨勢。具體比較后得出每個微元大小定為5×5像素較為合適，此時整體分析區(qū)域?qū)嶋H尺寸為4.93 mm×0.49 mm，分析結(jié)果呈現(xiàn)明顯穩(wěn)定的規(guī)律。

圖3 微元陣列分析區(qū)域Fig.3 Analysis area of infinitesimal array

2.2 顏色信息提取

采用2種顏色指標——第1種是三基色RGB顏色信息，第2種是由RGB轉(zhuǎn)換過來的HIS顏色信息。在顏色系統(tǒng)里，每個像素點的顏色可以用紅(R)、綠(G)、藍(B)三基色RGB的組合表示；在計算中，每個基色用0～255的整數(shù)表示，稱為灰度值，R、G、B分別表示3種顏色灰度值，值越大，該基色強度也越強，亮度也越大，因而RGB代表了相關(guān)區(qū)域的顏色信息和強度信息。

計算第k(k=1,…,1 010)個微元中所有像素點(m×n=5×5)的某一基色灰度值之和Ui(k)，其中ui(x,y)表示第x行第y列像素點的某一基色分量的灰度值。考慮到信號噪聲，以下提到的基色灰度值與基色分量占比均為各非零電壓下的值與零電壓下的值之間的差值；因此當放電信息太弱時，差值有可能為負。三基色的灰度值

k∈{1,…,1 010},m=n=5.

(1)

其中某一基色分量占比

(2)

放電產(chǎn)物的光輻射產(chǎn)生圖像的顏色信息，但作為三基色的RGB信息，容易受到相機曝光時間、日光強度和介質(zhì)顏色深淺的影響；因此可以將RGB色彩空間變換為HSI色彩空間，即用色調(diào)(Hue)、飽和度(Saturation)和亮度(Intensity)來描述色彩，如圖4所示。其中色調(diào)(其值為H)與光波的波長有關(guān)，通過角度反映圖像的顏色屬性，以紅色為參考，即紅色色調(diào)角度為0°，色調(diào)角度逆時針增加，綠色為120°，藍色為240°。由于色調(diào)不受曝光時間影響，也不受白光強度影響(可以將日光近似為白光)，這里將色調(diào)設為色度特征量，由RGB變換為色調(diào)的公式為

圖4 HSI色度模式Fig.4 HSI chroma mode

(3)

其中

(UR(k)-UB(k))]/ [(UR(k)-UG(k))2+

(UR(k)-UB(k))(UG(k)-UB(k))]1/2}.

(4)

飽和度表示顏色的深淺程度，在環(huán)的外周飽和度為1，在原點飽和度為0。純光譜色是完全飽和的，加入白光會稀釋飽和度，飽和度降低，因此飽和度會受日光影響，不宜作為觀察放電的指標。亮度與圖像的彩色信息無關(guān)，描述了圖像的整體亮度，與曝光時間和日光有關(guān)，與日光有關(guān)，相當于增加了強度，因此也不宜作為觀察放電的指標，這里不再列出轉(zhuǎn)換公式。

色調(diào)與輻射光波的波長有關(guān)，即與放電產(chǎn)物輻射的波長有關(guān)，隨著放電狀態(tài)的不同，輻射產(chǎn)物或者不同輻射產(chǎn)物的比例會變化，因此色調(diào)會變化。曝光時間只會影響強度。日光可以認為是白光，會影響飽和度，同時其不同波長的比例是固定的，因此其色調(diào)是不變的。RGB轉(zhuǎn)換為HSI就是為了提取不受強度和飽和度影響的顏色信息。

2.3 Z-標準得分

RGB不能直接克服相機曝光時間和日光強度的影響，色調(diào)雖然可以克服相機曝光時間和日光強度的影響，但介質(zhì)顏色仍然會影響色調(diào)；同時日光也只是近似當作白光，也會部分地影響色調(diào)。但是介質(zhì)顏色和日光照射在介質(zhì)上都是空間均勻的，而沿面放電由于發(fā)展程度不同，產(chǎn)物分布不同，輻射產(chǎn)生的顏色是空間不均勻的；因此提取這種非均勻分布的色調(diào)可以反映狀態(tài)。本文采用統(tǒng)計量標準得分，用Z表示，計算公式為

(5)

第1，直接采用RGB時，由于介質(zhì)板本身顏色的影響，對于白色陶瓷板和紅色電木板，分別用uB(k)與uG(k)的差值以及uB(k)與uR(k)的差值作為衡量沿面放電強度的色度特征量，這樣就可以反映診斷的靈敏度與準確度。對于式(5)中的x有

白色陶瓷板x(k)=uB(k)-uG(k),

(6)

紅色電木板x(k)=uB(k)-uR(k).

(7)

第2，采用色調(diào)H時，則對于式(4)中的x有

x(k)=H(k).

(8)

2.4 色度變異面積占比P

x(k)標準得分僅用于判斷第k個微元處是否發(fā)生放電，無法描述整片區(qū)域，而沿面放電本身路徑是隨機的，引起的色度突變不可能只發(fā)生在單一微元；因此，進一步引入新指標——色度變異面積占比P。統(tǒng)計放電分析區(qū)域面積SD中滿足|Z(k)|>3的微元比例，即為P，它表征了放電分析區(qū)域中存在色度異常的面積占全部分析區(qū)域面積的比例。P越大，介質(zhì)表面的色度變異越嚴重，沿面放電面積也越大，放電越劇烈。

(9)

3 實驗和計算結(jié)果

3.1 三基色分量占比隨電壓的變化

圖5所示為白色陶瓷板上尖電極前部區(qū)域的(圖3中第1行101個微元)三基色分量占比uR、uG、uB隨電壓變化的趨勢。其中Y軸表示微元序

圖5 白色陶瓷板上尖電極前部區(qū)域三基色分量占比Fig.5 RGB component ratios in the front area of white ceramic plate electrode

號1—101，針尖正對的微元序號為51；X軸表示電壓(單位kV)；Z軸表示uR、uG、uB，為減掉了零電壓相應值后的絕對值。

由圖5可以發(fā)現(xiàn)：在電壓較高時，綠色基色分量占比uG和藍色基色分量占比uB都有明顯的凸起，且最大值隨著電壓升高而穩(wěn)步增大，最大值都在針尖前部(放電最劇烈的區(qū)域)，而紅色分量變化不明顯。這說明放電產(chǎn)生的可見光輻射信息在日光環(huán)境下是可以被照片采集到的，且有一定的規(guī)律。

圖6所示為紅色電木板上尖電極前部區(qū)域的第1行微元三基色分量占比uR、uG、uB隨電壓變化的趨勢。由圖6可以發(fā)現(xiàn)紅、綠、藍三基色分量占比隨電壓增加都有明顯的凸起趨勢，其后，最大值隨著電壓繼續(xù)升高呈增大趨勢。

圖6 紅色電木板上尖電極前部區(qū)域三基色分量占比Fig.6 RGB component ratios in the front area of red bakelite board electrode

綜合判斷，三基色分量占比包含放電信息，但是不同顏色的介質(zhì)板有不同的變化規(guī)律，說明材質(zhì)顏色會影響色度信息，僅用三基色分量占比尚不能完整評級，需要進一步處理。

3.2 色度變異面積占比

考慮到介質(zhì)板顏色及日光影響，采用色度變異面積占比來評價放電階段。首先用三基色分量占比的差〔見式(6)、(7)〕來計算統(tǒng)計標準得分，進而計算色度變異面積占比，計算結(jié)果如圖7所示。圖7結(jié)果表明，隨著電壓的增加，變異面積占比呈現(xiàn)明顯的增加，即放電面積增大。白色陶瓷板和紅色電木板的趨勢基本一樣，但是二者的動態(tài)范圍不一樣。這是因為雖然采用了三基色分量占比的差值作為色度信息，但不同顏色介質(zhì)反射光強度不同；因此三基色分量即使是差值，本身還是含有亮度信息，最后會影響判斷標準值不統(tǒng)一。

圖7 以RGB為基礎的色度變異面積占比隨電壓變化趨勢Fig.7 Rations of variation areas of chroma based on RGB changing with voltage

圖8所示為采用色調(diào)信息計算標準得分[見式(8)]，進而計算色度變異面積占比的結(jié)果。圖8結(jié)果說明色度變異面積占比隨電壓增加而增大，與圖7一致，但不同的是白色陶瓷板和紅色電木板的占比值動態(tài)范圍一致。這說明采用色調(diào)作為評判標準能夠有效剔除光強的影響，能夠用同一個判據(jù)值反映放電階段。

圖8 以色調(diào)值為基礎的色度變異面積占比隨電壓變化趨勢Fig.8 Rations of variation areas of chroma based on H values changing with voltage

3.3 放電階段劃分

根據(jù)圖8的結(jié)果分析相應電壓下的電流波形，如圖9所示。對于50 Hz交流電來說，周期為1/50 s，設置的圖像曝光時間也是1/50 s，因此圖像記錄了1個周期的放電輻射。由于以色調(diào)為基礎的占比值對不同顏色介質(zhì)板有同樣的動態(tài)范圍，因此采用色調(diào)作為評判標準，由圖8可以看出占比值P隨電壓升高而增大。據(jù)此，可以劃分幾個階段：①在00.5時，P值雖然增加，但相對緩慢，此時電流幅值增加較大，電流脈沖頻率略有增加〔如圖9(c)〕。

由于電流幅值增加較大〔注意縱軸電流刻度比圖9(b)增加1培〕，相當于單次放電較強，放電生成物會有不同，可見光輻射成分發(fā)生變化，可以理解為放電發(fā)生質(zhì)變，色調(diào)會變化，但是整個放電區(qū)域的色調(diào)都發(fā)生了變化，則色調(diào)偏離平均色調(diào)的程度增加不會太大，色度變異面積占比增加速度變慢(僅受略有增加的頻率影響)。由于此后電壓繼續(xù)增加，發(fā)生放電閃絡，P值增加相對緩慢的階段可對應預擊穿階段。據(jù)此可以得到根據(jù)P值大小判斷放電嚴重程度的特征范圍，見表1。

圖9 不同電壓下的電壓、電流波形(電壓為有效值)Fig.9 Voltage and current waveforms under different voltages (voltage is effective value).

表1 色調(diào)變異面積占比與放電階段Tab.1 Chroma variation area ratios and discharge stages

另外，拍攝距離越遠，同樣面積的區(qū)域采集到的像素點越少，即每個微元包含的像素點會變少，影響統(tǒng)計規(guī)律，因而間接影響到結(jié)果的可靠性。所以該方法有拍攝距離或包含足夠多像素點的要求。

4 結(jié)束語

氣體放電狀態(tài)變化時，產(chǎn)生光輻射的物種的量和質(zhì)在不同階段會發(fā)生不同變化，進而可見光圖像的顏色也會變化，可用于放電狀態(tài)診斷。但是，沿面放電發(fā)生在不同顏色的介質(zhì)板上，造成采集到的色度信息被干擾；大多數(shù)沿面放電發(fā)生在日光環(huán)境下，日光環(huán)境雖然可以等效為白光，但是又可能因為光強太強影響或淹沒放電信號。

基于介質(zhì)板顏色和日光的空間均勻分布，以及色調(diào)不受光強和曝光時間影響這2個特點，本文提出一種基于可見光照片的色度信息，識別日光下沿面放電面積的方法。采用放電區(qū)域色調(diào)值偏離分析區(qū)域平均值的統(tǒng)計計量方法(標準得分)，可以提取有效放電信息(色調(diào)變異面積占比)。實驗和計算結(jié)果一致，表明該方法是可行的，而且不同顏色介質(zhì)板的色度變異面積占比的動態(tài)范圍一致。通過對放電電流脈沖強度和頻率的關(guān)聯(lián)分析，認為電流脈沖幅值反映放電成分變化，造成圖像色調(diào)變化；電流頻率變化反映放電次數(shù)變化，造成圖像的光強變化。上述變化在不同放電階段影響色調(diào)變異面積占比值不同的變化趨勢。

對放電可見光光學圖像和光學色度信息的多層特征提取與研究，既可以提供新的長時間尺度的狀態(tài)量，為日光下沿面放電狀態(tài)的識別提供新的手段，也為放電的基礎研究提供新的觀察角度。