Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Многоканальные оптико-электронные приборы для контроля технического состояния объектов энергетики и совмещения изображений
1.1 Дефекты высоковольтного оборудования и контроль признаков технического состояния 14
1.2 Физико-технические характеристики оптико-электронных приборов контроля 20
1.3 Современные многоканальные оптико-электронные приборы контроля 22
1.4 Способы совмещения изображений 28
1.4.1 Этапы процесса совмещения видеоданных 31
1.4.2 Площадные методы совмещения изображений 33
1.4.3 Контурные методы совмещения изображений 35
1.4.4 Сравнительный анализ методов совмещения 36
1.5 Аппаратные способы совмещения изображений разных. спектральных каналов 37
1.6 Оценка эффективности использования разноканальной аппаратуры 39
ГЛАВА 2. Концепция построения дистанционного оптического прибора контроля
2.1. Технические требования к аппаратуре приборов контроля высоковольтного оборудования 45
2.2. Концепция построения дистанционного оптического прибора контроля 48
2.3. Структурное построение дистанционного прибора контроля и общий принцип работы 52
2.4. Конструкция дистанционного прибора контроля 55
2.5. Блок управления. Алгоритм и программы управления 57
2.6. Технические параметры экспериментального образца 60
2.7. Программно—аппаратная платформа прибора 63
2.8. Каналы регистрации оптических сигналов 66
2.8.1 Тепловизионный канал 66
2.8.2 Телевизионный канал 68
2.8.3 Ультрафиолетовый канал 73
2.8.3.1. Оптическая схема УФ модуля 78
2.8.3.2. Конструкция УФ модуля 79
ГЛАВА 3. Программное обеспечение процессов обработки изображений визуализируемых объектов
3.1. Программа совмещения изображений разных спектральных диапазонов 82
3.2. Программа пространственно—временного накопления изображений 103
ГЛАВА 4. Испытания экспериментального образца дистанционного прибора контроля
4.1. Лабораторные испытания МПК тепловизионного канала 121
4.2. Натурные испытания тепловизионного канала 124
4.3. Сравнительные испытания инфракрасного, видимого и ультрафиолетового каналов 130
Заключение
Список литературы
Приложения
- Современные многоканальные оптико-электронные приборы контроля
- Аппаратные способы совмещения изображений разных. спектральных каналов
- Структурное построение дистанционного прибора контроля и общий принцип работы
- Программа пространственно—временного накопления изображений
Введение к работе
Актуальность темы. В энергетике и электрическом транспорте в настоящее время эксплуатируется большое количество разнообразного высоковольтного электрооборудования (ВЭО), которое требует постоянного контроля технического состояния для обеспечения безаварийной эксплуатации. Дефекты ВЭО проявляются по значению избыточной температуры и интенсивности частичных электрических разрядов. В настоящее время находят распространение многоканальные приборы дистанционного контроля (МІЖ) технического состояния ВЭО, способные выявлять дефекты одновременно по наличию температурных аномалий и частичных электрических разрядов. Однако предложенные на рынке МІЖ обладают рядом недостатков: высокая стоимость, низкий уровень автоматизации, несоответствие отдельных технических характеристик приборов требованиям задач диагностики ВЭО. Кроме этого, сдерживающим фактором широкого внедрения МІЖ является несовершенство или отсутствие методического обеспечения диагностики.
В сложившейся ситуации представляется актуальной задача разработки МІЖ, обеспечивающего необходимую достоверность контроля объектов энергетики при снижении стоимости прибора. Решение задачи представляется возможным путем сочетания в приборе датчика электрических разрядов ультрафиолетового диапазона, высокочувствительной видеокамеры, инфракрасного модуля для регистрации теплового излучения, пространственно-временного накопления сигналов и программных способов обработки и представления многоканальной информации.
Существенной частью этой задачи является разработка программно-аппаратных средств (ПАС) МІЖ, обеспечивающих повышение качества отдельных, а также совмещенных тепло-телевизионных изображений.
Объект исследования - приборное обеспечение дистанционного контроля ВЭО.
Предмет исследования - аппаратные и программные средства многоканального оптико-электронного прибора контроля ВЭО.
Цель работы:
Разработка программно-аппаратных средств для оптико-электронного многоканального прибора, расширяющего количество контролируемых признаков и позволяющего повысить вероятность обнаружения дефектов ВЭО.
Для реализации сформулированной цели необходимо решить следующие основные задачи исследования.
1. На основе анализа характеристик дефектов ВЭО разработать архитектуру автоматизированного многоканального прибора на базе тепловизионного, высокочувствительного телевизионного (ТВ) и ультрафиолетового каналов, реализация которой обеспечивает стабильность выходных параметров, повышает быстродействие, надежность и гибкость системы.
Разработать алгоритмы и программно-техническое обеспечение процессов управления, обработки и накопления изображений для повышения информативности и достоверности контроля ВЭО.
Разработать способ совмещения тепловизионного и телевизионного каналов, повышающий точность совмещения изображений.
Провести лабораторные и натурные испытания экспериментального образца прибора.
Методы исследования: В работе использованы теория конструирования оптических приборов, теория информации, математические методы обработки информации и, в частности, корреляционный анализ. Исследования проводились с использованием среды моделирования Matlab, лабораторных и натурных экспериментов.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем.
Предложена и экспериментально обоснована концепция построения автономного автоматизированного прибора для задач контроля ВЭО, состоящего из высокочувствительного телевизионного, тепловизионного и ультрафиолетового каналов с программным совмещением и обработкой многоканальной информации, реализованной в приборе на базе встраиваемой операционной системы.
Разработан способ двухступенчатой коррекции параллакса многоканальной системы, включающий этапы совмещения изображений при фокусировке прибора на объект с последующей программной коррекцией на основе корреляционного анализа совмещаемых изображений.
Разработан алгоритм пространственно-временного накопления кадров видимого и тепловизионного каналов, позволяющий в условиях постоянных смещений поля зрения прибора при работе с рук снизить пространственные шумы, вызванные неоднородностью чувствительности элементов фотоприемника.
Осуществлена автоматизация процессов управления, обработки и накопления информативных сигналов, которая облегчает и ускоряет процессы обработки информации путем разделения осуществляемых функций между двумя процессорами, повышает гибкость системы, информационную и метрологическую надежность, в том числе с использованием самодиагностики.
На защиту выносятся.
Концепция построения автономного автоматизированного прибора для задач контроля ВЭО, состоящего из телевизионного, тепловизионного и ультрафиолетового каналов с программной обработкой многоканальной информации, реализованной на базе встраиваемой операционной системы.
Способ двухступенчатой коррекции параллакса многоканальной системы, включающий этапы совмещения изображений при фокусировке прибора на объект с последующей программной коррекцией на основе корреляционного анализа совмещаемых изображений.
Алгоритм пространственно-временного накопления кадров на основе анализа и накопления опорных фрагментов видимого и тепловизионного каналов, позволяющий в условиях постоянных смещений поля зрения прибора при работе
ным алгоритмом накопления кадров позволяет приблизить чувствительность к чувствительности приборов ночного видения с электронно-оптическими преобразователями поколений 1, 2 и 2+.
7 (елекцвя фввгиЕнтвб Fie Fi В твхущЕН тЗее
Начало программы
БуфЕр ЕйУ.ВВЛЕЕВЯ
ФввемеялівВ Fib Fi
Щ,ЛП Я )\ ITS /it
Выбор числа
накапливаемых
изображений
9 сувевввівцвя ФввемеялівВ Fib Fi
M=-(Mlk-Ml+M2)
являем хеЛевії e Ившыш
в кввддтмтк вввввык
фввгтившВ Fi s Fi
прием изображений
, Нормирование динамического диапазона яркостей
Квіівеееецея Взввивых
ЕНЕЩЕЕВВ U ЕЕЗёВЕПтпВ
езеВвехевив
В„ = В „
li ,
Вычитание
неоднородное/ней
12 БуфЕЕ- ЯВ.Г.ВЛЛЕЯЕЯ В
хв,
t+wj
ы.
д: = дй
" 2и + 1 I
ЕувЕвввзвввв ввлнык хпЗввВ
6 [ёЯЕХЦИЯ
ф$йгнЕнтв& Fiu ft
ВыВвй итвгвбвгв изпВрвхения ив:
Ъ~Ъ
Рис.3. Блок-схема алгоритма пространственно-временного накопления изображе-
остаточного параллакса при доле яркости тепловизионного изображения 100 % приведены на рис.2, а и рис.2, б соответственно. До программной коррекции имеется параллакс, после программной коррекции пространственные искажения отсутствуют.
Предложенный алгоритм совмещения тепловизионного и телевизионного изображений показал свою работоспособность. В настоящее время алгоритм и программа находятся на стадии внедрения в промышленный образец МІЖ.
Рис. 2. Совмещенное изображение изолятора: а) до программной коррекции остаточного параллакса, б) после программной коррекции остаточного параллакса.
Один из важных параметров изображений является отношение сигнал/шум. С целью повышения отношения сигнал/шум в случае наблюдения слабоконтрастных аномалий на объектах предлагается алгоритм пространственно-временного накопления изображений, представленный на рис. 3. Алгоритм включает следующие операции.
Захват исходного файла изображения и нормирование динамического диапазона яркостей [0-255].
Вычитание фоновых неоднородностей. Определение координат верхней и нижней частей гирлянды.
Деформирование изображений с целью выравнивания наклона осевой линии гирлянды во всей серии изображений.
Наложение изображений друг на друга со сдвигом, обеспечивающим совмещение изображений гирлянды.
Результаты обработки тепловизионного изображения полимерного изолятора согласно изложенному алгоритму представлены на рис. 4.
Отношение сигнал/шум на рис. 4, а составило 5,36, а на рис. 4, в - 33,07. Применение алгоритма позволило отчетливо выявить малоразмерные тепловые аномалии, не обнаруживаемые на исходном изображении.
Применение того же алгоритма к обработке телевизионных изображений, формируемых телевизионным каналом МІЖ, позволило выявить зоны свечения электрических разрядов, показанные стрелками (рис. 5).
Телевизионный канал дает высококачественные изображения в дневных условиях. Использование телевизионного канала ночью совместно с предложен-
с рук снизить пространственные шумы, вызванные неоднородностью чувствительности элементов фотоприемника.
Практическая ценность. Предложенная концепция построения легла в основу разработки ОАО «Красногорский завод им. С.А. Зверева» экспериментального образца прибора ТТП-1, о чем имеется акт внедрения. Проведены лабораторные и натурные испытания прибора, планируется его серийный выпуск. Испытания показали, что прибор может быть использован в качестве средства контроля технического состояния высоковольтного электрооборудования. Эффективность разработанного прибора контроля подтверждена практикой диагностики электрооборудования на участках Казанского отделения Горьковской железной дороги по согласованной программе, о чем имеется соответствующий акт.
Достоверность и обоснованность полученных результатов теоретических и практических исследований подтверждена согласием с результатами исследований других авторов, лабораторными и натурными экспериментами. Предложенный способ коррекции параллакса подтвердил свою работоспособность применительно к задаче пространственного совмещения тепловизионного и телевизионного каналов с более точными результатами по сравнению с аналогами.
Личный вклад автора. Автор принимал участие в разработке концепции построения, разрабатывал электрические схемы, алгоритмы и программное обеспечения модуля управления прибором, настраивал экспериментальные образцы прибора, осуществлял внедрение и сопровождении на производстве экспериментального образца прибора, участвовал в лабораторных и натурных испытаниях на участках Казанского отделения Горьковской железной дороги.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
Третьей молодежной международной научной конференции «Тинчурин-ские чтения» (Казань, 2008), Международной научно-технической конференции «Энергетика 2008: инновации, решения, перспективы» (Казань, 2008), XXI всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ материалов и изделий» (Казань, 2009).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, и 1 патент на изобретение.
Соответствие диссертации научной специальности. Диссертация соответствует специальности 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий и затрагивает следующие области исследования.
Техническое решение, состоящее в создании программного обеспечения для обработки изображений (пространственно-временное накопление сигнала) в сочетании с высокочувствительной ТВ камерой, давшее возможность визуализации электрических разрядов с чувствительностью, сопоставимой с электронно-оптическими преобразователями, при более низкой стоимости, соответствует п. 1 «Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов
аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» паспорта специальности.
Разработанный МПК энергетических объектов, прошедший испытания и внедрение в ОАО «Красногорский завод им. С.А. Зверева», соответствует п. 3 «Разработка, внедрение и испытания приборов, средств и систем контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, имеющих лучшие характеристики по сравнению с прототипами» паспорта специальности.
Разработанные ПАС автоматизированного МПК энергетических объектов, его алгоритмы и компьютерные программы реализации, позволяющие представить совмещенное изображение каналов прибора, соответствует п. 6 «Разработка алгоритмического и программно-технического обеспечения процессов обработки информативных сигналов и представление результатов в приборах и средствах контроля, автоматизация приборов контроля» паспорта специальности.
Концепция построения МПК, сочетающая в приборе три информативных канала, расширяющая количество контролируемых признаков и повышающая информативность и достоверность контроля, а также разделяющая функции обработки информации, управления и контроля между двумя раздельными процессорами с повышением быстродействия, надежности и гибкости системы, соответствует п. 7 «Методы повышения информационной и метрологической надежности приборов и средств контроля в процессе эксплуатации, диагностика приборов контроля» паспорта специальности.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения и библиографии. Работа изложена на 152 страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков и 14 таблиц; библиографический список включает 92 наименования.
Современные многоканальные оптико-электронные приборы контроля
В настоящее время на рынок внедряются различные многоканальные приборы, основным каналом контроля которых часто является тепловизионный. Современные приборы контроля имеют тепловизионный канал наблюдения на базе микроболометрических матриц и дополняются встроенными видеокамерами и лазерными указателями.
В энергетике начинают использоваться и ультрафиолетовые камеры. В ходе анализа были рассмотрены вошедшие в серию разработки с ультрафиолетовым каналом. Интересным представляется прибор, разработанный совместно фирмами CSIR и Eskom (ЮАР), содержащий видимый, тепловизионный и ультрафиолетовый каналы. Отличительной особенностью данного прибора контроля является возможность совмещения изображений со всех трех каналов. Прибор предполагается использовать в энергетике, в частности, при диагностике высоковольтной изоляции. На рис. 1.2 представлен внешний вид прибора.
Приборы подобного класса представлены также серией двухспектральных приборов Daycor, позволяющие обнаруживать коронные разряды в условиях дневного и ночного освещения. Точность совмещения оптических осей составляет более 1 мрад, что в случае использования объективов с высоким пространственным разрешением может не обеспечить совмещение изображений с точностью до одного элемента разложения.
Наиболее широкая номенклатура приборов представлена одной из ведущих компаний FLIR Systems. Модели этой компании имеют дополнительный видоискатель с регулируемым наклоном с dTmin = 65 мК (серия Р) для контроля вне помещений и обеспечивают совместимость с программами компании. Данными приборами поддерживаются функции совмещения тепловизионного изображения с видимым изображением и функция «картинка в картинке». Качество совмещения можно визуально оценить по рис. 1.4.
На приведенном рисунке видны имеющиеся погрешности совмещения изображений, обусловленные различием масштабов совмещаемых изображений. Данная погрешность совмещения обусловлена различными параметрами видеоканалов и пространственным расположением их оптических осей. Удивительно, что даже у такого ведущего производителя тепловизионных систем, как FLIR Systems, возникает параллакс при использовании объектива с полем зрения менее 12 градусов.
К числу приборов работающих в ультрафиолетовой области спектра относиться электронно-оптический дефектоскоп «Филин-6». Данный прибор предназначен для дистанционного выявления коронных и поверхностно-частичных разрядов. Авторами [33] создано программное обеспечение, позволяющее с использованием внешнего ПК осуществить оценку степени загрязнения поверхности изоляторов. Обнаружение неисправностей высоковольтных ЛЭП возможно также, с помощью разработанного НПО «ГИПО», оптико-электронного прибора «Корона», работающего в спектральном диапазоне 0,250-0,350 мкм. Прибор отличается возможностью обнаружения поверхностных разрядов на дальности до 150 м. Проведенный анализ МПК показывает широкий ассортимент представленных на рынке приборов. Однако их востребованность различными подразделениями объектов энергетики остается низкой. Одна из причин, приводящая к этому, является высокая стоимость МПК. К основным факторам, обуславливающим данную ситуацию, следует отнести: малое количество контролируемых признаков оценки состояния ВЭО (в подавляющем большинстве приборов, контроль осуществляется лишь по одному признаку); - применение тепловизионных матриц высокого разрешения существенно, увеличивает стоимость прибора и приводит также к необходимости использования дорогостоящих объективов; преимущественное использование объективов с низким пространственным разрешением вызывает необходимость докупать телескопическую насадку, что приводит к удорожанию прибора на 20— 30 %; использование в приборах электронно-оптических преобразователей также повышает их стоимость; стоимость приборов иностранных фирм на российском рынке примерно в 1,7-2,3 раза выше цен, установленных производителями. Дистанционная тепловизионная оценка состояния ВЭО имеет ограниченную эффективность. К числу основных параметров тепловизионных приборов определяющих эффективность его использования относят МОРТ [51,58]. От значения данного параметра напрямую зависит вероятность обнаружения тепловых аномалий ВЭО. Обеспечить получение меньшего значения данного параметра возможно путем повышения отношения S/N, используя цифровую обработку [55]. Увеличение отношения S/N осуществимо путем накопления кадров. Причем для сложно оцениваемых объектов целесообразно предусмотреть возможность выбора числа накапливаемых кадров, обеспечив при этом небольшое время обработки и требуемое улучшенное значение МОРТ. На основании сравнительного анализа достоинств и недостатков рассмотренных выше приборов и системного подхода, нами определены необходимые особенности архитектуры построения многоканального прибора контроля, которые должны обеспечить: 1. Модульность конструкции и легкость модернизации, которые снижают затраты на новую разработку и, одновременно; повышают технологичность производства. 2. Расширение количества контролируемых признаков (тепловой нагрев, поверхностные частичные и коронный разряды), путем совместного применения независимых оптических каналов наблюдения, существенно повышающих информативность и достоверность контроля.
Аппаратные способы совмещения изображений разных. спектральных каналов
Применение в приборе микроконтроллера ATmegal28 необходимо1 по ряду причин. Казалось бы, что-мощная высокопроизводительная системная плата может справиться со всеми задачами по управлению прибором- и. обработке информационных сигналов. Однако-при ближайшем рассмотрении выясняется, что у системной платы отсутствует АЦП. Отсутствие портов ввода/вывода с необходимыми уровнями напряжений на системной плате также снижает возможности работы системной платы. Кроме того, на системную» плату возлагается обработка большого объема видеоинформации в режиме реального времени, требующая больших программных и аппаратных ресурсов.. Следовательно; разделение функций между микропроцессорами неизбежно. Поэтому был дополнительно разработан блок управления1 на. базе микроконтроллера AVR. Разделение осуществляемых функций позволяет повысить быстродействие системы.
Блок управления построен на базе микроконтроллера ATmegal28 с RISC-архитектурой, которая обеспечивает быстродействие1 выполнения. программы и обработки данных во много раз больше по сравнению с традиционной CISC архитектурой: Благодаря использованию технологии конвейеризации микроконтроллер" AVR может обеспечивать ту же производительность, что и другие RISC-микроконтроллеры, но- при более низкой тактовой частоте [56]. Предусмотрено- шесть 8-разрядных портов ввода/вывода, а также богатый набор периферийных устройств [37]: 16-разрядные таймеры/счетчики (таймеры ТІ и ТЗ); сторожевой таймер WDT; генераторы сигнала с ШИМ разрядностью 8 бит; одно-, двух- и трехканальные генераторы сигнала с ШИМ регулируемой разрядности; аналоговый компаратор; многоканальный 10-разрядный АЦП как с несимметричными, так и с дифференциальными входами;. полнодуплексный универсальный асинхронный приемопередатчик (UART);:, полнодуплексный универсальный синхронный/асинхронный приемопередатчик (ШART); последовательный синхронный интерфейс SPI; двухпроводный интерфейс TW1 (аналог интерфейса-1С) ; последовательный интерфейс JTAG1 Блок управления управляет тепловизионным модулем, осуществляет автоматическую калибровку тепловизионного канала, контролирует уровень заряда аккумуляторных батарей;: взаимодействует с; платами прибора, передает информационные данные по интерфейсу RS-232 на скорости 9600? бод;: или выше, запускает последовательные процессы включения/выключения прибора. Блок управления обеспечивает подачу питающего напряжения на1 все узлы и модули прибора. Обеспечение надежного функционирования всех модулей требует поддержания постоянства данного питающего напряжения: Основным нестабильным элементом в цепи передачи питающих, а затем управляющих напряжений, является аккумуляторный блок. Его напряжение может меняться- в; диапазоне- от 16, до 24 В;. Стабильность, питающих напряжений 5: и. 12. В обеспечивается платой; питания. Однако в случае выхода за допустимый диапазон входного напряжения платы питания; поступающего с аккумуляторного блока, стабильность напряжения не будет обеспечена. Поэтому блок управления осуществляет периодическое аналогово-цифровое преобразование напряжения аккумуляторного блока. Поскольку результат преобразования занимает 10 разрядов, для хранения результата используется два восьмибитных регистра ADCH и ADCL, которые должны быть прочитаны для получения результата. Для защиты данных, чтобы обеспечить чтение результата одного преобразования из обоих регистров,, используется специальная логика защиты данных. Оцифрованное напряжение приводится к цифровому диапазону, крайние значения которого соответствуют заряженному и разряженному состоянию. Полученныш диапазон разбивается на; пять градаций, диапазонов: Каждой градации диапазона, присваивается определенный код, который? по последовательному интерфейсу RS-232 передается? в: системную плату. на; скорости;9600-бЬд. Программное обеспечение1 системной платы формирует изображение индикатора уровня, заряда- аккумуляторных батарейі В5 зависимости от полученного кода, на» дисплее заполняется определенное количество ячеек, по которым оператор может определить оставшийся уровень заряда; аккумуляторного блока.
Процедура включения и» выключения. предусматривает последовательное, включение: и выключение модулей, прибора. В случае последовательного включения , скачки тока, обусловленные переходными процессами; возникающими при; включении: модулей; распределяются последовательно и более, равномерно. В этом; случае максимальный ток прибора существенно меньше, что позволяет оптимизировать процедуру включения и использовать самовосстанавливающийся: предохранитель с меньшим значением тока срабатывания:
Передача информации и управляющих сигналов осуществляется- по последовательному интерфейсу, что сокращает число используемых шин, по» сравнению с параллельным интерфейсом;
В системе предусмотрен постоянный контроль передаваемых данных. Проверка достоверности переданных пакетов данных производится с использованием дополнительного бита четности. В случае, если бит четности не соответствует четности переданного пакета информации, данные считаются принятыми неверно. Согласование уровней сигналов ТТЛ с сигналами последовательного порта RS-232 осуществляется с помощью интегральной микросхемы МАХ232. Микросхема МАХ232 служит приемопередатчиком и преобразует сигналы RX, ТХ, CTS и RTS, необходимые для организации обмена информации между системной платой и блоком управления.
Одной из характерных особенностей цифровых высоко интегрированных процессоров является жесткая зависимость работы от надежности выполнения заданной программы. Поэтому для устранения случаев зависания и сбоев в программе МК был инициализирован сторожевой таймер. Сторожевой таймера имеет независимый тактовый генератор, поэтому он работает даже во время нахождения микроконтроллера в любом из спящих режимов. Типовое значение частоты этого генератора равно 1 МГц при напряжении питания 5 В. Через промежутки времени, равные его периоду, он выполняет сброс микроконтроллера. Чтобы избежать сброса при нормальном выполнении программы, сторожевой таймер регулярно сбрасывается через промежутки времени меньше его периода. Осуществление данной функции позволяет повысить надежность работы программы блока управления, и в результате и надежность всего прибора в целом.
Электрическая схема блока управления приведена в Приложении 1. Укрупненная схема алгоритма работы блока управления представлена в Приложении 2. Основная часть программы блока управления на языке СИ приведена в Приложении 3.
Структурное построение дистанционного прибора контроля и общий принцип работы
В положении "Б" диафрагма убирается из хода лучей и весь поток излучения от точечного удаленного источника фокусируется на фотокатоде УФ датчика в пределах угла поля зрения около 8,5. В этом режиме производится обзор пространства и поиск приблизительного направления на источник УФ излучения. В положении "А" линза отодвигается от УФ датчика на 20 мм и в ход лучей устанавливается круглая диафрагма диаметром 1 мм, ограничивающая поле зрения оптической системы углом 1. При этом через диафрагму проходят лучи, сфокусированные центральной частью линзы диаметром около 2/3 от полного диаметра. Лучи, сфокусированные периферийной частью линзы, до фотокатода УФ датчика не доходят, поэтому поток излучения будет ослаблен в 2 - 2,5 раза относительно положения "Б". При установке линзы в положение "А" производится более точное определение направления на источник УФ излучения.
Основные элементы конструкции макета УФ модуля представлены на рисунке 2.9. На установочную планку 4 размещается подложка 5, к ней крепится кронштейн 11. На верхнюю часть кронштейна 11 сажается плата управления 10 на стойках. На нижней части крепятся кронштейн 6 для установки сменных диафрагм и держатель 9 для установки цоколя 8 с УФ датчиком 7. Вся электроника закрывается кожухом 12.
Линза в оправе 3 помещается в корпус 1, который крепится на переднюю часть установочной планки 4. К оправе линзы крепятся направляющие винты 2, которые имеют возможность перемещаться по пазам, выполненным в корпусе 1, и дают возможность перемещения линзы в оправе 3 вдоль оптической оси.
При необходимости УФ модуль посредством планки 4 может быть установлен на верхней части тепловизионного модуля вместо ТВ модуля.
Конструкция макета УФ модуля состоит из 10 механических деталей, одной оптической детали (линзы), стандартного крепежа и покупных комплектующих изделий в составе датчика R9533, цоколя E678-8F и платы управления С3704. Работоспособность макетного образца с использованием ультрафиолетовых датчиков, UV TRON R259-01 № UV TRON R9533 проверена, как в лабораторных, так и в натурных испытаниях. Благодаря выбранному спектральному диапазону (185-260 нм) и фильтрации-помех, влияние солнечных засветок не сказывается. Это позволяет с большей достоверностью осуществлять контроль ВЭО и. ВЛ« электропередач в частности. В случае установки- соответствующей линзы, чувствительность данного УФ канала сравнима с ультразвуковым прибором УД-8В. Испытания показали возможность использования данного макетного образца в качестве средства диагностики изоляционных конструкций ВЛ. Выводы по главе 2 Определены технические требования к аппаратуре приборов контроля высоковольтного - оборудования. Определена концепция построения МІЖ, обеспечивающая расширение количества контролируемых признаков (тепловой нагрев, поверхностные частичные и коронный разряды), включающая: телевизионный, чувствительный в спектральной области 0,4-1,0 мкм, тепловизионный, чувствительный в области 8-14 мкм, и дополнительный ультрафиолетовый канал, чувствительный в области спектра 185-260 нм. Предложено доступное альтернативное техническое обеспечение для обнаружения и визуализации электрических разрядов, не требующее дорогостоящих элементов, на основе ультрафиолетового канала обнаружения и высокочувствительного телевизионного канала визуализации ЭР. Проведена оценка эффективности режимов работы ТВ модуля с целью обнаружения электрических разрядов: режим без накопления и режим интегрирования сигнала по смежным ФЧЭ в пределах прямоугольника 3x4 элемента. Результаты предварительной оценки показывают, что на расстоянии порядка 10 - 40 м, на которых чаще всего выполняется контроль ВЭО, режим интегрирования является более чувствительным, чем режим без накопления. Пороговый заряд ЭР в 1 нКл может быть обнаружен телевизионным каналом в режиме интегрирования на расстоянии 20 метров. А в режиме без интегрирования на расстоянии 20 м пороговый заряд ЭР составит 10 нКл. Оценка ультрафиолетового канала показала, что КР на элементах исправных конструкций ВЛ 150-300 кВ и КР на дефектах проводов и изоляционных конструкций В Л 35 кВ, характеризующиеся наличием ЭР в диапазоне 100 - 1000 нКл, обнаруживаются УФ каналом путем измерения интенсивности КР на расстояниях до 80 м. А в диапазоне величин заряда ЭР 1-50 нКл возможна регистрация дефектов по повышенной интенсивности ПЧР на дальностях 10 - 15 м. Разработан блок управления, построенный на базе микроконтроллера ATmegal28 с RISC-архитектурой. В блоке управления реализованы решения, обеспечивающие автоматизацию обработки и накопления информативных сигналов, периодическую самодиагностику отдельных узлов прибора и стабилизацию выходных сигналов в номинальных диапазонах, что повысит метрологическую надежность прибора при эксплуатации.
Программа пространственно—временного накопления изображений
Другой способ коррекции параллакса с использованием лазерного указателя заключается в следующем. Луч лазерного указателя направляется параллельно оптической оси тепловизионного канала. Лазерный луч модулируется путем подачи импульсного напряжения питания с частотой в два- раза меньшей: частоты кадров: телевизионного- канала. В результате обеспечивается чередование телевизионных кадров? с. изображением; лазерногошятна на-объекте и безэтого пятна; В «этом случае местоположение лазерного4 пятна в поле; телевизионного изображенияшегко; определить путем; вычитания поля яркостей текущего кадра из предыдущего; В-1 зависимости от расстояния доюбъекта наблюдения, местоположение лазерного пятна в поле телевизионного изображения будет меняться; Посредством соответствующей программной» обработки координат лазерного пятна в поле телевизионного» изображения вычисляется?дистанция до объекта наблюдения:и производится соответствующая; коррекция- параллакса. Вз отличие от вышеописанного способа, в данном-; случае отпадает необходимость использования второго лазера.. Однако трудности,- связанные% с. необходимостью!: учета изменения-: формьг и размеров лазерного пятна-- в зависимости от расстояния, цвета, объекта и угла расположения его поверхности относительно оптической оси прибора; остаются;
Учитывая имеющиеся- недостатки рассмотренных способов, намш разработан метод пассивной двухступенчатой: полуавтоматической коррекции параллакса,, обеспечивающий; повышенную точность пространственного совмещения изображений.. Первая ступень г совмещения изображений1 реализуется при фокусировке на объект наблюдения? по сигналам, от датчиков Холла, установленных на объективе тепловизионного канала и включает следующие операции: - ручную фокусировку на объект наблюдения; - определение расстояния между прибором и наблюдаемым объектом посредством измерения углового положения фокусировочного кольца тепловизионного объектива по сигналам с датчиков Холла; - вычисление на основе этой информации величины необходимого смещения тепловизионного изображения относительно телевизионного; - осуществление этого? смещения в адресном пространстве оперативной памяти блока: обработки и вывод совмещенного изображения; на дисплей: Вторая ступень предусматривает дополнительную- программную: коррекцию, основанную: на анализе корреляции тепловизионного, и телевизионного цифровых изображений- в пределах; целевого участка поля, зрения, выбранного оператором. На; этой стадии производятся следующие операции: - выбор оператором- опорного фрагмента изображения; проявляющегося, как в телевизионном; так и в тепловизионном изображениях, и наведение поля зрения прибора;на выбранный;участок объекта; - сканирование опорным фрагментом, тепловизионного изображения; по полю телевизионного изображения и: вычисление коэффициентов корреляции фрагментов телевизионного и тепловизионного изображений; - определение величины необходимого смещения тепловизионного изображения относительно телевизионного? по максимуму абсолютной величины коэффициента корреляции осуществление этого смещения. Программно-техническая процедура;совмещения изображений состоит в следующем. В-процессе работы с прибором фокусировка тепловизионного канала осуществляется посредством фокусировочного кольца, установленного на тепловизионном объективе. Установленные на объективе датчики Холла служат в качестве датчиков перемещения; выдавая! сигнал в зависимости от их расположения относительно постоянного магнита. Используемые датчики Холла имеют встроенный усилитель выходного сигнала, а также могут включать стабилизатор напряжения, схему термокомпенсации и защиты от обратного подключения полярности. Выходной каскад датчика представляет собой усилитель на биполярном транзисторе с открытым коллектором (PNP). Выходное напряжение с датчиков Холла поступает на 10-разрядный АЦП управляющего микроконтроллера AVR. После осуществления аналогово-цифрового преобразования полученное значение приводится к численному значению перемещения фокусировочного кольца- относительно исходной точки объектива. Полученное- значение приводится в восьмибитный формат и передается по последовательному порту UART в системную плату прибора. Получаемые байты данных загружаются в программное- обеспечение системной платы прибора, где производится их обработка и вычисление расстояния до объекта.
В соответствии с предлагаемым способом величина остаточного параллакса после первой ступени совмещения» вычисляется не опосредованно через несколько механических и магнитных связей, а непосредственно на основе анализа изображений, формируемых оптико-электронными каналами, что обусловливает достижение повышенной точности коррекции параллакса. Кроме того, в предлагаемом способе, после фокусировки объектива и осуществления первой ступени коррекции параллакса априорно известно, что остаточное пространственное смещение тепловизионного изображения относительно телевизионного ограничено диапазоном1 (15—20 пикселей). Следовательно, в программной части коррекции параллакса сканирование фрагментом тепловизионного изображения по полю телевизионного изображения достаточно производить лишь в пределах небольшой области кадра, что повышает помехоустойчивость и снижает требования к ресурсам вычислительной части прибора.
Как отмечалось выше, программная стадия- коррекции параллакса основана на корреляционном анализе изображений, формируемых тепловизионным и телевизионным каналами прибора. Корреляционный метод совмещения изображений основан на так называемой методике скользящего окна, предусматривающий использование коэффициента корреляции в качестве меры подобия фрагментов изображений. Этот метод является хорошо изученным и дает надежные, точные результаты, например, при совмещении фотоснимков земной поверхности, полученных из космоса в разное время. Метод достаточно надежен- при наличии шумов в обрабатываемых изображениях,, а также при сравнении фрагментов, изображений со: значительно различающимися радиометрическими.; характеристиками.
