一種通信光纜接續(xù)盒智能檢測(cè)方法及其系統(tǒng)

郭小燕 王云霄

（國(guó)網(wǎng)山東信通公司，山東 濟(jì)南 250001）

引言

國(guó)網(wǎng)山東電力有37000 余公里ADSS 通信光纜線路，承載著包括繼電保護(hù)、調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)等多個(gè)電網(wǎng)業(yè)務(wù)，支撐著電網(wǎng)生產(chǎn)和公司的發(fā)展，可以說(shuō)光纜的好壞直接影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。其中，枕式接續(xù)盒是光纜傳輸?shù)囊粋€(gè)重要因素。

枕式光纜接續(xù)盒通常放置在低壓桿塔上，或電力豎井中，由于天氣因素，盒內(nèi)部極易進(jìn)水或冰凍，導(dǎo)致零部件銹蝕、光纖斷裂。以往想要判斷接續(xù)因此，設(shè)計(jì)一種不需要打開(kāi)接續(xù)盒就能判斷接續(xù)盒好壞的智能檢測(cè)方法就顯得尤為迫切重要，盒的好壞，只能在它損壞之后進(jìn)行檢查和維修。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種通信光纜接續(xù)盒智能檢測(cè)系統(tǒng)，利用非侵入性的電容層析成像技術(shù)，不需要打開(kāi)接續(xù)盒就可以判斷該接續(xù)盒是否進(jìn)水，從而極大提高線路運(yùn)維效率，減少線路運(yùn)維成本。通過(guò)架設(shè)在接續(xù)盒外的外部傳感器，快速、無(wú)損測(cè)量接續(xù)盒與盒內(nèi)不同介質(zhì)物體的輸出電容，在不需要人工攀爬桿塔打開(kāi)并查看接續(xù)盒的情況下，利用計(jì)算機(jī)圖像重建算法完成接續(xù)盒內(nèi)光纖及零部件銹蝕的圖像重建，實(shí)現(xiàn)通信光纜接線盒不斷電智能檢測(cè)、診斷。

光纜接續(xù)盒智能檢測(cè)系統(tǒng)主要依賴(lài)電容層析成像技術(shù)。電容層析成像(electrical capacitance tomography，ECT)是借鑒醫(yī)學(xué)CT(computerized tomography)發(fā)展而來(lái)的一種新的計(jì)算機(jī)層析成像技術(shù)，它的原理利用多相介質(zhì)往往具有不同的介電常數(shù)，通過(guò)電容傳感器獲得電容值從而得到介質(zhì)分布的圖像。它是一種低成本的非侵入式實(shí)時(shí)檢測(cè)方法，并且具有無(wú)輻射、適用場(chǎng)合較多等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的適用性。

利用電容層析成像技術(shù)，檢測(cè)因接續(xù)盒進(jìn)水引發(fā)的電容值的變化。檢測(cè)時(shí)，將傳感器貼近接續(xù)盒外側(cè)，盒子里一旦進(jìn)水，傳感器將感知并收集到極板間的電容值的變化。通過(guò)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，變化的電容值經(jīng)轉(zhuǎn)化變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，傳送給圖像重建接收到的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)我們自己編寫(xiě)的算法，形成接續(xù)盒系統(tǒng)。圖像重建系統(tǒng)由圖像重建算法和手持成像終端組成。內(nèi)部3D 圖像，最終展現(xiàn)在手持終端上。

ECT技術(shù)的原理是如圖1 所示，光纜接續(xù)盒智能檢測(cè)系統(tǒng)由電容傳感器、測(cè)量及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)圖像重建系統(tǒng)組成。

電容傳感器獲取被測(cè)物場(chǎng)分布狀況的投影信息，此時(shí)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將獲取的電容值發(fā)送給計(jì)算機(jī)，由圖像重建計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)根據(jù)適合的反演算法將被測(cè)體的截面進(jìn)行重建，根據(jù)一定的算法重建出場(chǎng)域分布圖像，以可視化的方式實(shí)時(shí)顯示。

一、電容傳感器系統(tǒng)

電容傳感器主要由4 部分組成:檢測(cè)電極、絕緣管道、屏蔽電極和接地屏蔽罩。圖2 是一個(gè)12 電極ECT 傳感器的剖視圖。利用電容的邊緣效應(yīng)，傳感器對(duì)具有一定介電常數(shù)的介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電容值。各檢測(cè)電極之間的組合可提供多個(gè)電容測(cè)量值，并以此作為重建圖像的投影數(shù)據(jù)。

二、電容測(cè)量和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

電容測(cè)量和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所完成的主要工作是高速、穩(wěn)定、精確地測(cè)量不同陣列電極對(duì)間的微小電容量及其變化，并將采集到的數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)中。它主要由3 個(gè)模塊組成:電容測(cè)量模塊、數(shù)據(jù)采集控制模塊和通信模塊。

三、計(jì)算機(jī)圖像重建系統(tǒng)

ECT 圖像系統(tǒng)包括硬件和軟件2 部分。硬件是通用計(jì)算平臺(tái)，軟件則是圖像重建算法。ECT 圖像重建算法可描述為兩大內(nèi)容，即正問(wèn)題的建模和逆問(wèn)題的求解。正問(wèn)題就是由已知的介電常數(shù)分布ε 以及邊界條件，求出各電極對(duì)間的電容值 C，并得到電容值和介電常數(shù)之間的映射關(guān)系。ECT 圖像重建的關(guān)鍵步驟就是求解逆問(wèn)題，即由測(cè)得的電容值求得介電常數(shù)分布。

圖像重建算法可以分為3 類(lèi):一是直接算法;二是迭代算法；三是近年來(lái)出現(xiàn)的新型算法，壓縮感知理論框架。該理論指出：若信號(hào)是可壓縮的或在某個(gè)正交基空間中是稀疏的，就可以用遠(yuǎn)低于奈奎斯特采樣定理所需求的采樣數(shù)據(jù)的同時(shí)保證原始信號(hào)能夠精確恢復(fù)，從而大大減輕信號(hào)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存?zhèn)鬏斚到y(tǒng)的負(fù)擔(dān)，提高信號(hào)處理效率，目前，壓縮感知理論已經(jīng)廣泛應(yīng)用于壓縮成像、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、醫(yī)療成像、雷達(dá)、通信等諸多領(lǐng)域。此外，針對(duì)重建圖像的后處理技術(shù)和評(píng)價(jià)圖像質(zhì)量的各項(xiàng)指標(biāo)也值得關(guān)注。

（一）壓縮感知原理

1.信號(hào)的稀疏表示

運(yùn)用壓縮感知理論的前提條件是信號(hào)具有稀疏性或者可壓縮性，而現(xiàn)實(shí)中的信號(hào)往往并非稀疏信號(hào)但如果可以使用某個(gè)正交變換將信號(hào)稀疏表示，則仍然可以滿足壓縮感知理論的前提條件。

2.觀測(cè)矩陣的設(shè)計(jì)

壓縮感知理論的核心是線性測(cè)量部分。通過(guò)設(shè)計(jì)合適的觀測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)原始信號(hào)x的線性觀測(cè)并得到M(M<

信號(hào)重構(gòu)算法：當(dāng)s 為K 項(xiàng)稀疏向量且K

采用L1 范數(shù)代替L0 范數(shù)去度量系數(shù)向量s的稀疏度，講凸問(wèn)題，便可以使用求解線性規(guī)劃問(wèn)題，的方法求解CS 問(wèn)題。

兩相流型經(jīng)DFT 基稀疏后，系數(shù)向量的稀疏度可以達(dá)到K=20，將其用作ECT 系統(tǒng)的稀疏基，對(duì)重建圖像灰度信號(hào)進(jìn)行稀疏化處理，即其中:g 為N×1 維重建圖像灰度向量；為N×N 維DFT 基，其表達(dá)式為：

壓縮感知理論要求觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的觀測(cè)過(guò)程為線性過(guò)程，ECT 系統(tǒng)線性模型如下：其中，S 為M×N 維的ECT 系統(tǒng)靈敏度系數(shù)矩陣，所得到：

將約束凸優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為無(wú)約束的凸優(yōu)化問(wèn)題，使用L1 正則化模型，引入正則化參數(shù)α：

使用L1 正則化模型可以有效克服ECT 系統(tǒng)病態(tài)性問(wèn)題?？蓪?duì)圖像邊緣和突變進(jìn)行較好地重建和監(jiān)檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)圖像重建。

傳統(tǒng)傳感器為傳統(tǒng)傳感器多為圓環(huán)形，不適應(yīng)光纜接續(xù)盒的形狀，測(cè)量靈敏度極低。自主研發(fā)的雙平面?zhèn)鞲衅?，有效契合接續(xù)盒的形狀，消除了電路噪聲，大幅提高電容值測(cè)量靈敏度、準(zhǔn)確性。

結(jié)論：自主研發(fā)的通信光纜接續(xù)盒智能檢測(cè)系統(tǒng)，利用非侵入性的電容層析成像技術(shù)，不需要打開(kāi)接續(xù)盒就可以判斷該接續(xù)盒是否進(jìn)水，從而極大提高線路運(yùn)維效率，減少線路運(yùn)維成本。通過(guò)架設(shè)在接續(xù)盒外的外部傳感器，快速、無(wú)損測(cè)量接續(xù)盒與盒內(nèi)不同介質(zhì)物體的輸出電容，在不需要人工攀爬桿塔打開(kāi)并查看接續(xù)盒的情況下，利用計(jì)算機(jī)圖像重建算法完成接續(xù)盒內(nèi)光纖及零部件銹蝕的圖像重建，實(shí)現(xiàn)通信光纜接線盒不斷電智能檢測(cè)、診斷。