基于非線性時變參數的紅外校驗評估技術研究

董 斌，劉艷梅，宋進良，韓洪剛 ，任 川

(1.國網遼寧省電力有限公司檢修公司，遼寧 沈陽 110006；2.國網遼寧省電力有限公司物資公司，遼寧 沈陽 110003；3.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；4.遼寧東科電力有限公司，遼寧 沈陽 110179)

基于非線性時變參數的紅外校驗評估技術研究

董 斌1，劉艷梅2，宋進良3，韓洪剛3，任 川4

(1.國網遼寧省電力有限公司檢修公司，遼寧 沈陽110006；2.國網遼寧省電力有限公司物資公司，遼寧 沈陽110003；3.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽110006；4.遼寧東科電力有限公司，遼寧 沈陽110179)

紅外成像技術的廣泛應用是實現電網狀態檢修的關鍵環節之一，對紅外成像設備的性能評估可為電網安全、穩定運行提供重要保障。為了提高紅外成像評估能力，針對傳統紅外成像設備校驗評估方法中存在的各類問題，基于準確度、狹縫函數、最小可分辨溫差(MRTD)、最小可探測溫差(MDTD)和噪聲等效溫差(NETD)等參數，建立了基于非線性獨立分量分析(ICA)時變參數的紅外成像評估系統數據庫。以數字接口的銜接實現紅外成像設備的自動化檢測與評估，提高了紅外設備應用的準確性，解決了電網紅外成像設備全性能評估的技術問題。試驗結果表明，相較于傳統方法，基于時變參數的紅外成像校驗評估技術的正確率、魯棒性均更優，具有更廣闊的應用前景，可為電網狀態檢修的準確性和安全性提供數據保障。

能源電力； 紅外成像技術； 傳遞函數； 測量； 溫度； 誤差

0 引言

近年來,隨著紅外成像技術的不斷發展，紅外設備在電網狀態檢修領域的應用越來越廣泛,出現了多種紅外成像系統性能評估方法。紅外成像設備的性能評估對象涵蓋調制傳遞函數(modulationtransferfunction，MTF)和最小可分辨溫差(minimumresolvabletemperaturedifference,MRTD)等諸多參數特性，但現有對紅外成像設備性能參數的客觀測量方法缺少對多變參數影響因素的考慮[1]。

國內外對紅外評估系統整體參數綜合測試的研究還比較少，缺少智能化的故障判別方法。目前，電網的紅外成像設備評估技術主要以手動檢測為主，對紅外成像設備多參數全性能評估系統的研究存在不足，因而無法確保紅外成像設備時變參數的準確、可靠。按照智能電網建設需要和國內外標準規程最新要求，紅外成像設備需要對MRTD和最小可探測溫差 (minimumdetectabletemperaturedifference,MDTD)等多個技術參數進行評估分析，以保證電網狀態檢修的準確性。由于現已應用的紅外成像設備數量較多，分布較廣，而且數字接口不統一，難以實現自動化全性能評估[2]。

基于時變參數的評估技術將以多參數變量為基礎，建立紅外成像評估系統數據庫，以數字接口的銜接實現紅外成像設備的自動化檢測與評估，解決電網紅外成像設備全性能評估的技術問題，保障電網狀態檢修的準確性。

1 評估系統算法分析

1.1獨立分量分析算法

系統采用獨立分量分析(indepandentcomponentanalysis,ICA)技術進行紅外系統的信號識別與優化分析。獨立分量分析流程如圖1所示。

圖1 獨立分量分析流程圖

為優化系統，在某一參量獨立性判據下通過算法應用計算近似數據。

①球化。

對W進行線性變換，使Z(t)的各分量方差值為1，且不相關。

②正交變換。

使yi的方差值保持為1，且各分量相互獨立[3]。

③判據。

(1)

式中：p(yi)和p(y)為未知參量。

對其進行概率預估計，則統計獨立性I(y)可以描述為：

(2)

當式(2)中y的各個分量相互獨立時，I(y)=0可以作為相互信息極小化的判據。確定B，根據y=Bx求y，從而實現I(y) 極小化[4]。

由此，可得到模型的預估結論：

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

(3)

(4)

1.2調制傳遞函數

MTF是對系統進行全性能評估的重要參數之一，通過將光場分布函數轉變成傅里葉級數的形式來體現。基于線性濾波理論，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)簡諧函數的線性疊加[5]：

exp[2πi(vxx+yyy)]dvxdvy

(5)

1.3信號傳遞函數

信號傳遞函數(signal-transferfunction,SITF)是對系統進行評估的重要參數之一。假設輸入信號為標靶與其周圍環境之間的溫度差值、輸出信號為系統最終電壓值[6]，信號傳遞函數如圖2所示。

圖2 信號傳遞函數示意圖

SITF的推算過程如式(6)所示：

(6)

式中:G為系統的增益系數；R(λ)為對波長λ的響應度；Ad為探測器面積；F為基數；?Me(λ，TB)/?T為輻射泰勒級數的簡化式；Tsys(λ)為系統的光學傳遞函數[7]。采用最小二乘法對最佳估計值進行擬合，推導出信號傳遞函數，如式(7)所示。

(7)

存在于響應度函數中的偏置，可表示為式(8)。

(8)

式中：

(9)

(10)

1.4噪聲等效溫差

紅外系統的溫度分辨能力可以采用噪聲等效溫差(noiseequivalenttemperaturedifference,NETD)來判斷、分析[8]。NETD既反映了系統的熱靈敏度特性，又體現了系統的分辨能力。為保證測量精度，通常在標靶和環境具有較大溫差的情況下，使信號電壓Vs數倍于噪聲電壓Vn，累計背景溫度與目標溫度差值ΔT[9]，然后可以按式(11)計算：

(11)

1.5最小可分辨溫差

對紅外熱成像系統的評估過程中，MRTD是綜合評價系統溫度和空間分辨能力的主要參數之一。四柵格標靶可以精準地測出MRTD相關數據。MRTD可以反映紅外熱像儀的溫度靈敏度，也可以體現其空間分辨率，還包括了觀察者的主觀影響[10]。在試驗中，采用四柵格標靶進行多次測量，確定標靶的空間頻率[11]。

2 測試原理分析

系統測試原理如圖3所示。

圖3 系統測試原理圖

控制系統采用ASP.NET技術，以通信網絡為控制平臺，鏈接通信接口對高溫黑體和低溫黑體進行控制與數據采集。

高溫黑體控制系統采用MTB3和TAM2，通過平行光管與紅外設備進行連接，將采集的數據進行比對、分析；對狹縫函數、NETD和熱靈敏度進行實時監控與調整。低溫黑體控制系統采用TCB和SUB-T，通過平行光管與紅外設備進行連接，并將整個運算、分析過程存儲于系統數據庫中[12]。

試驗系統的紅外設備采用FPGA和DDS結合的模式，高溫黑體與低溫黑體采用穩壓輸出技術，經傳感器轉換后輸出的溫度值為恒定標準值。在測試過程中，將對準確度、狹縫函數、NETD和MRTD進行準確的測量與存儲[13]。

3 評估試驗

為測試紅外成像評估系統的有效性和優越性，針對紅外設備的準確度、狹縫函數、NETD和MRTD進行評估試驗分析。評估試驗結果如圖4所示。

圖4 評估試驗結果圖

3.1準確度的測量

準確度測量步驟如下。

①對高溫黑體和低溫黑體進行溫度調節，測量出標準目標及其與周圍環境之間的電壓差。

②系統自動計算所有采集數據，并采用最小二乘法對線性部分擬合[14]。

③對記錄的傳遞函數和環境溫度進行比對、分析。

準確度測量數據與測量誤差如圖4(a)所示。

3.2狹縫函數的測量

為了提高測量溫度的精度,需要測量和分析檢測系統中狹縫函數對測量結果的影響,確定狹縫函數的具體形式。狹縫函數與測量角度如圖4(b)所示。

3.3NETD和MRTD的測試

NETD是熱成像系統靈敏度的客觀評價指標，可用于預測小溫差點目標的探測距離，從而實現技術指標向戰術指標的轉化。NRTD的采樣形式由計算機控制系統通過數據采集卡采集，取多次試驗平均值，驗證在相關環境下的一致性[15]。

MRTD的測量結果主要反映了系統的熱靈敏度特性，也體現了系統的空間分辨力。MRTD是針孔標靶與均勻背景之間的溫差的函數，測試結果如圖4(c)所示。

4 結束語

針對紅外成像設備校驗工作中的各類問題，提出了一種全新的基于非線性時變參數的紅外校驗評估方法。系統控制結構采用FPGA和DDS技術,提高了系統運行的穩定性,增強了成像的清晰度。該試驗方法采用自動優化識別技術，縮短了系統的響應時間；采用多項參數試驗測試算法，驗證了系統的全性能，解決了現場紅外成像設備時變參數無法進行全性能檢驗與評估的技術問題。試驗結果表明，基于時變參數的紅外成像校驗方法不僅提高了紅外成像的準確性，具有較強的魯棒性，而且克服了傳統方法對圖像細節難以分割的缺點，實現了MRTD、MDTD和狹縫函數等諸多時變參數的全性能自動化檢測與評估。該方法在電網的狀態檢修工作中可以發揮重要的作用，有著廣闊的應用前景。

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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，高級工程師，主要從事高電壓技術的研究與管理。E-mail15318257@qq.com。

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