大相對孔徑紫外成像儀光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

崔穆涵，田志輝*，周　躍，章明朝，陳　雪，李佳起，易翔宇

(1.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033; 2.長春國科精密光學(xué)技術(shù)有限公司，吉林 長春 130033)

1　引　言

當高壓輸電設(shè)備之間的場強增加至20～30 kV/cm時，周圍小曲率半徑的導(dǎo)電電極會由于空氣電離從而產(chǎn)生電暈放電。電暈放電會導(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，電暈放電時產(chǎn)生的高頻脈沖電流中夾雜著大量高次諧波，會嚴重干擾正常的無線電通信[1-7]。因此，近年來電力行業(yè)的相關(guān)部門對于能夠早期檢測并準確定位電暈放電點的紫外成像儀愈發(fā)重視。據(jù)統(tǒng)計，未來十年我國計劃建設(shè)及改進智能高壓變電站超過7 000余座，對相關(guān)的配套電力檢測設(shè)備需求將大大增加，由此可見紫外成像儀的市場應(yīng)用前景廣闊。

紫外成像儀可同時采集日盲紫外、可見雙譜段圖像，并通過二者視場的高度匹配判斷故障點的位置。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法穿透臭氧層到達地表，因而稱為日盲紫外。基于上述特性，當大氣背景中出現(xiàn)包含日盲紫外譜段輻射的目標，如電暈放電點時，可利用背景與目標的高對比度對其進行探測[8-9]。紫外成像儀即利用上述特點實現(xiàn)了對電暈放電點的有效檢測。

20世紀70年代末期，國外已對紫外譜段輻射特性展開研究，90年代末期，國外開始研制紫外成像儀，并逐步形成產(chǎn)品投放市場。典型的國外產(chǎn)品有南非國電 (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獨立自主研發(fā)的Super B紫外成像儀[10-12]。典型的國內(nèi)產(chǎn)品有長春國科精密公司獨立自主研發(fā)的CDH系列紫外成像儀。

論文重點針對上述產(chǎn)品中紫外光學(xué)系統(tǒng)的不足之處進行改進。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題，但中心視場存在遮擋，減小了整個光學(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)品難以進行遠距離作業(yè)。為使紫外成像儀在進行遠距離工作時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SuperB成像儀為例，其紫外可見光雙光路對準精度標稱為1 mrad，實際測試值則為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際值相差可達100 mm，容易造成對故障的定位偏差。長春國科的早期產(chǎn)品雖然有效解決了國外產(chǎn)品光能利用率不足的問題，但由于選擇單一熔石英材質(zhì)，對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。針對上述問題，論文設(shè)計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題。設(shè)計的紫外光學(xué)系統(tǒng)全視場全探測范圍內(nèi)點列圖均方根直徑<0.08 mm，分辨率為20 lp/mm，滿足電力行業(yè)電暈探測需求，已計劃裝配于長春國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)指標如表1所示。系統(tǒng)所采用的紫外探測器尺寸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，需保證入射至探測器的輻通量≥10-17W方能滿足系統(tǒng)成像要求。目標發(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器，此時探測器所接收的輻射通量如式(1)所示：

(1)

式中，k為與探測角度相關(guān)的系數(shù)，D為紫外光學(xué)系統(tǒng)的通光口徑，L為目標距光學(xué)系統(tǒng)第一個面的距離，τfilter為日盲紫外濾光片的透過率，τlens為紫外光學(xué)系統(tǒng)的透過率，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

本系統(tǒng)中，日盲紫外濾光片的半寬度透過率約為0.2，紫外光學(xué)系統(tǒng)的整體透過率≥0.9，通過表1的通用技術(shù)指標可知，實際探測目標與成像之間的法向夾角很小，因此認為k=1。

將參數(shù)k=1，τfilter=0.2，τlens=0.9，探測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)，可以得到當紫外光學(xué)系統(tǒng)通光口徑D≥48.512 mm時，滿足紫外成像儀的成像需求。

紫外光學(xué)系統(tǒng)的焦距可通過式(2)計算得到：

(2)

式中，d為探測器尺寸，2ω為系統(tǒng)的光學(xué)視場角。計算得到紫外光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計焦距f≤171.73 mm即可，考慮近來電力部門實際應(yīng)用紫外成像儀時，對于設(shè)備小型化的需求愈發(fā)迫切，選取f′≈100 mm。

紫外成像儀在實際工作時，可見光通道用于對被檢目標的背景進行成像從而幫助定位故障點，因此需主要關(guān)注背景圖像的細節(jié)信息；而紫外通道用于檢測電暈放電的有無，因此無需關(guān)注目標放電點的細節(jié)信息，論文著重描述紫外通道光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計，因此只需關(guān)注目標放電能量的大小以及多目標間的分辨問題即可。通常意義上，認為可通過簡單的圖像處理算法識別兩個目標點的前提條件是兩目標放電點的80%彌散斑不重疊。紫外光學(xué)系統(tǒng)對目標點所成像的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)指標角分辨率，f′為系統(tǒng)的設(shè)計焦距，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)指標如表2所示。

表2　紫外光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)選設(shè)計指標

3　紫外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

多數(shù)光學(xué)材料的光透過率隨波長減小而降低，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，單獨的熔石英材料會給系統(tǒng)帶來較大的色差；而單獨的氟化鈣材料則表現(xiàn)出較強的本征雙折射，從而嚴重影響系統(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，由于典型的消色差結(jié)構(gòu)——雙膠合透鏡結(jié)構(gòu)無法透射紫外譜段輻射，因此采用改進的分離式雙膠合透鏡結(jié)構(gòu)消除系統(tǒng)色差。設(shè)計的大孔徑高分辨率消色差紫外光學(xué)系統(tǒng)，最終設(shè)計結(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)評價

通常情況下，紫外成像儀中的紫外光學(xué)系統(tǒng)主要起對目標輻射進行能量收集探測的作用，因此認為光學(xué)系統(tǒng)的能量集中度是評判其成像質(zhì)量優(yōu)劣的核心指標。在電力部門實際應(yīng)用時，發(fā)現(xiàn)分辨率也應(yīng)作為紫外成像儀的主要評價指標，原因在于，在遠距離對輸電線路進行巡檢時，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，而不至于將兩個或幾個相鄰損傷點混淆。因此論文采用點列圖及傳遞函數(shù)曲線(MTF)共同作為紫外光學(xué)系統(tǒng)的評價標準。

圖2為對焦3 m及無窮遠時，各視場的成像點列圖。圖3為對焦3 m及無窮遠時，各視場的傳遞函數(shù)，從圖3中可以看出，系統(tǒng)各視場彌散斑的均方根直徑在整個探測范圍內(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)備損傷點的位置；系統(tǒng)的分辨率為20 lp/mm，滿足設(shè)計需求，大大有助于操作人員在遠距離作業(yè)時分辨相鄰電力設(shè)備的損傷。

圖2　點列圖 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

考慮實際的光學(xué)元件加工能力以及實驗人員的裝調(diào)水平，設(shè)定光學(xué)系統(tǒng)公差見表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)計模擬法對公差進行敏感度分析，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)實物圖 Fig.4　Ultraviolet optical system

5　結(jié)　論

本文分析了電暈放電探測的需求，提出了紫外成像儀中紫外光學(xué)系統(tǒng)的總體設(shè)計，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)改進的分離式雙膠合透鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計了一款大孔徑高分辨率的消色差紫外光學(xué)系統(tǒng)。在10°視場范圍內(nèi)，設(shè)計的紫外光學(xué)系統(tǒng)全探測范圍內(nèi)點列圖均方根直徑<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題，對于紫外成像儀在電力行業(yè)的推廣及應(yīng)用具有重大實際意義。

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