Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор методов и технических средств регистрации коронных разрядов 11
1.1. Процессы, происходящие в коронном разряде 11
1.2. Методы регистрации коронных разрядов 15
1.2.1. Контактные методы 17
1.2.2. Дистанционные методы 18
1.3. Приборы дистанционного зондирования источников в солнечно-слепом диапазоне уф-излучения ..20
1.4. Постановка задачи, решаемой в диссертации 23
Выводы 24
Глава 2. Монофотонный датчик уф-излучения 26
2.1. Функциональная схема и принцип работы монофотонного датчика 28
2.2. Усовершенствованные узлы датчика 43
Выводы 51
Глава 3. Методы обработки данных монофотонного датчика 53
3.1 частотные методы исследования амплитудно-временной информации коронного разряда 56
3.1.1. Анализ сигнала методом преобразования фурье. Измерение ухода частоты 56
3.1.2. Анализ сигнала методом кратковременного (оконного) преобразования фурье 63
3.1.3. Анализ сигнала методом вейвлет-преобразования 64
3.2. Определение состояния элементов силовых энергетических установок высокого напряжения на
Основе измерения характеристик коронных разрядов 74
3.2.1. Относительные измерения мощности УФ-излучения 75
3.2.2. Фазовые количественные характеристики частичных разрядов 79
3.2.3. Амплитудно-фазовое распределение 91
Выводы 93
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования метода определения состояния элементов силовых энергетических установок 95
4.1. Описание экспериментальной установки 96
4.1.1. Генерация коронных разрядов 96
4.1.2. Измерение напряжения разрядного промежутка и тока утечки 98
4.2. Методика проведения экспериментов 99
4.2.1. Методика лабораторных экспериментов 99
4.2.2. Программный комплекс для работы с монофотонным датчиком 100
4.2.3. Программный комплекс в среде matlab для реализации методов детектирования чр102
4.2.4. Методика натурных испытаний 103
4.3. Результаты лабораторных исследований и их анализ 104
4.3.1. Проверка предположения о пропорциональной зависимости интенсивности счета фотонов от электрической мощности 104
4.3.2. Проверка предположения о частичных разрядах на временном распределении 106
4.3.3. Сравнительный анализ обработки данных по коронному разряду без чр и с чр 108
4.4. Результаты натурных исследований и их анализ 113
4.5. Методика и результаты лабораторных исследований диаграммы излучения коронного разряда 120
Выводы 126
ГЛАВА 5. Области альтернативного применения монофотонного датчика
5.1. Возможности изучения динамики процессов горения 128
5.2. Изучение индустриальных и естественных источников излучения в уф-с диапазоне спектра.
Прохождение уф-с излучения сквозь атмосферу 129
5.3. Мониторинг состояния озонового слоя земли и аэрозолей, вызванных пожарами, вулканами,
Техногенными катастрофами 133
5.4. Оптическая локация с помощью монофотонного уф-с сенсора- мдм локатор (трехмерное зрение) 136
5.5. Предложение по использованию монофотонного датчика по изучению транзиентных световых
Явлений в стратосфере 137
Выводы 141
Заключение 143
Литература 145
- Приборы дистанционного зондирования источников в солнечно-слепом диапазоне уф-излучения
- Усовершенствованные узлы датчика
- Анализ сигнала методом кратковременного (оконного) преобразования фурье
- Измерение напряжения разрядного промежутка и тока утечки
Введение к работе
Актуальность работы
В последние годы по мере повышения потребления электроэнергии все более острой становится проблема качества ее передачи. Увеличение эксплуатационной нагрузки на объекты электроэнергетики, снижение уровня их обслуживания, текущего ремонта и замены изношенного оборудования ведет к возникновению аварийных режимов, сопровождающихся различного рода электрическими пробоями и искровыми разрядами и, в частности, коронным разрядом. Коронный разряд представляет собой физическое явление, сопровождающее многие природные и техногенные процессы. Так, например, по характеристикам коронного разряда судят о состоянии высоковольтных электрических установок. При этом именно коронный разряд является фактором, характеризующим состояние элементов высоковольтных линий (изоляторов), силовых трансформаторов и т.п. В связи с этим является актуальной разработка эффективных методов дефектоскопии электроизоляторов и иных элементов высоковольтных электроустановок и линий электропередач (ЛЭП), основанных на регистрации коронных разрядов. Особый практический интерес представляют дистанционные методы диагностики, базирующиеся на регистрации излучений в различных спектральных диапазонах (ультрафиолетовом, видимом, инфракрасном, акустическом), сопровождающих коронный разряд. Среди них наиболее широкое применение получил метод, основанный на регистрации излучения в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне. Существующие на сегодня методы дистанционной диагностики, базирующиеся на обнаружении УФ-излучения коронных разрядов, позволяют лишь регистрировать наличие излучения. В связи с этим возникает необходимость разработки метода дистанционной диагностики силовых высоковольтных установок, который бы позволял не только регистрировать УФ излучение, но и вьщелять из него особый вид коронных разрядов - так называемые частичные разряды, и по их измеряемым характеристикам делать заключение о наличии неисправностей элементов высоковольтного оборудования, вызванных дефектами изоляции, ее
механическими повреждениями, наличием поверхностных загрязнений и т.п. Именно частичные разряды возникают в первую очередь при зарождении неисправностей и, таким образом, служат чувствительным индикатором последних.
Весь УФ-диапазон можно условно разделить на поддиапазоны: УФ-А (длины волн 315-400 нм), УФ-В (280-315 нм), УФ-С (200- 280 нм). Последний представляется наиболее перспективным для задач дистанционной диагностики, поскольку он является «солнечно-слепым» и, тем самым, обладает низким уровнем аддитивных помех. Это позволяет существенно повысить чувствительность сенсоров, работающих в этом диапазоне вплоть до регистрации отдельных фотонов, что реализовано в монофотонном датчике УФ-С излучения. Такой датчик может найти альтернативные применения в таких областях науки и техники, как изучение озонового слоя Земли, обнаружение пожаров, извержений вулканов, исследование процессов горения и взрыва, транзиентных люминесцентных явлений в верхней атмосфере и т.п.
В связи с этим тематика настоящей диссертационной работы, посвященной разработке метода дистанционного мониторинга коронных и частичных разрядов с помощью монофотонного датчика УФ-С излучения для целей дефектоскопии высоковольтных электроустановок, представляется актуальной, учитывающей злободневные потребности электроэнергетики, экологии, физики верхней атмосферы и др.
Цель работы состояла в разработке метода дистанционного мониторинга коронных разрядов с помощью монофотонного датчика УФ-С излучения, а также качественного улучшения характеристик монофотонного датчика, способного обеспечивать решение задач диагностики состояния высоковольтного электрооборудования по регистрации и определению характеристик частичных разрядов.
Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач:
разработка концепции дистанционной дефектоскопии элементов высоковольтных электрических установок, основанной на обнаружении частичных разрядов;
разработка частотных методов дистанционного мониторинга частичных разрядов с целью определения качественных и количественных характеристик состояния элементов высоковольтных электрических установок;
усовершенствование монофотонного датчика УФ- С излучения для решения задач дистанционной дефектоскопии;
создание экспериментальной установки для лабораторного моделирования коронных и частичных разрядов.
разработка программного обеспечения обработки данных монофотонного датчика УФ-С излучения для дистанционной диагностики элементов высоковольтных электрических установок.
проведение лабораторных исследований усовершенствованной аппаратуры и разработанного метода дистанционной дефектоскопии.
проведение натурных исследований коронных разрядов на участках линий электропередач и апробация методов дистанционной дефектоскопии.
Научная новизна работы
Разработаны методы дистанционного мониторинга и анализа время-амплитудной зависимости УФ-С излучения коронных и частичных разрядов, основанные на Фурье- и вейвлет-преобразованиях.
Создан метод дистанционной диагностики элементов силовых энергетических установок высокого напряжения.
Проведены с помощью усовершенствованного монофотонного датчика натурные экспериментальные исследования по дистанционной диагностике линий электропередач высокого напряжения и высоковольтных силовых трансформаторов, впервые позволившие определять количественные характеристики частичных разрядов.
Основные положения, выносимые на защиту
Усовершенствованный монофотонный датчик УФ-С излучения.
Частотные методы анализа данных, полученных при регистрации коронных разрядов, на основе Фурье- и вейвлет-преобразования, позволяющих установить соответствие результатов такого анализа наличию дефектов элементов силовых электрических установок.
Метод дистанционной дефектоскопии силовых энергетических установок высокого напряжения на основе измерения характеристик частичных разрядов, таких как фазовая интегральная характеристика и амплитудно-фазовое распределение.
Результаты измерения характеристик частичных разрядов, полученных на специально созданной экспериментальной установке, подтверждающие разработанные в диссертации методические положения.
Результаты натурных испытаний, основанных на дистанционном измерении характеристик частичных разрядов, возникающих на неисправных участках ЛЭП, подтверждающие возможность дистанционной дефектоскопии.
Лабораторная установка для исследования коронных разрядов.
Достоверность работы подтверждается следующим
Результатами экспериментальных лабораторных исследований.
Результатами натурных экспериментов, в ходе которых произведено измерение параметров частичных разрядов, возникающих на неисправных участках ЛЭП.
Патентом на изобретение №2402030 «Способ дистанционного контроля качества изоляции объектов высоковольтных электрических установок переменного тока.
Научная и практическая ценность работы
Научная ценность работы заключается в комплексном использовании методов частотного и временного анализа данных, поступающих с
монофотонного датчика, что позволяет делать обоснованные заключения о состоянии элементов конструкций ЛЭП, силовых установок и т.п.
Практическая ценность работы заключается в усовершенствовании монофотонного датчика УФ-излучения на основе время-координато-чувствительного детектора (ВКЧД). Монофотонный датчик и разработанная методика могут быть использованы для предотвращения аварий на ЛЭП и на электроустановках высокого напряжения. Прибор доведен до промышленного образца (литера Оі). Разработаны методики использования прибора и его функциональных узлов, а также испытательная база в объеме, необходимом для серийного производства в промышленном масштабе. Усовершенствованный монофотонный датчик может использоваться в альтернативных областях, таких как мониторинг толщины озонового слоя Земли, объемное наблюдение стратосферных и тропосферных электрических явлений, мониторинг лесных пожаров, активная трехмерная локация.
Работы по созданию нового поколения монофотонных УФ-С датчиков, использующих современную элементную базу и основанных на достижениях направленного выращивания новых оптических кристаллов, проводились в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2012 годы». Данная программа является приоритетным направлением Роснауки «Осуществление комплексных проектов, в том числе разработка конкурентно-способных технологий, предназначенных для последующей коммерциализации в области индустрии наносистем и материалов».
Апробация работы
Способ дистанционного контроля качества изоляции объектов высоковольтных электрических установок переменного тока запатентован в федеральной службе РФ по интеллектуальной собственности, патентам товарным знакам [7].
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
Втором Международном форуме по нанотехнологиям, Москва, 6-8 октября 2009.
Седьмой Всероссийской Открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из Космоса» в ИКИ РАН, Москва, 16 - 20 ноября 2009 г.
Двенадцатой международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение» в ИЛУ РАН, Москва, 31 марта - 2 апреля 2010 г.
Восьмой Всероссийской Открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из Космоса» в ИКИ РАН, Москва, 15 -19 ноября 2010 г.
Шестнадцатой международной выставке-конгрессе «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции. HI-Tech», Санкт-Петербург, 10-12 марта 2010 г.
Научно-технической конференции «Техническое зрение в системах управления - 2012» в ИКИ РАН, Москва, 14-16 марта 2012 г.
Симпозиумах химической физики
Семинарах ИПМех РАН.
Семинарах ИХФ им. Н.Н. Семенова РАН
Семинарах ЗАО НТЦ «Реагент».
Результаты работы опубликованы в периодических изданиях:
Доклады Академии наук [3, 12]
Датчики и системы [11, 8]
Приборы и техника эксперимента [2]
Публикации
В рамках диссертации было опубликовано 18 печатных работ, в т.ч. 7 статей из списка ВАК и два патента на изобретение. Список работ приведён в конце автореферата.
Личный вклад автора
Все оригинальные результаты, приведенные в диссертации и вынесенные на защиту, получены лично автором, либо при его определяющем участии. Все работы, в которых опубликованы результаты диссертации, написаны в соавторстве с коллегами.
Авторским в диссертации является: разработка частотных методов регистрации частичных разрядов на основе вейвлет-преобразования, а также методика получения фазовой интегральной характеристики и амплитудно-фазового распределения.
Лично автором или под его непосредственным руководством осуществлено создание усовершенствованного монофотонного сенсора УФ-С излучения.
Лично автором осуществлено: создание лабораторной экспериментальной установки получения коронных разрядов с известными характеристиками, разработка программного обеспечения на языке MATLAB для реализации частотных алгоритмов распознавания частичных разрядов, разработка программного обеспечения (ПО) цифровой системы монофотонного датчика, проведение лабораторных и натурных экспериментов и обработки их результатов.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы. Она изложена на 151 странице и содержит 5 таблиц, 95 рисунков и списка литературы из 56 наименований.
Приборы дистанционного зондирования источников в солнечно-слепом диапазоне уф-излучения
Из этих графиков видно, что максимум интенсивности излучения находится в видимом диапазоне, а излучение в диапазоне 250 - 280 нм более чем в 100 раз слабее излучения в диапазоне 280 - 400 нм. Тем не менее, именно диапазон 250 - 280 нм наиболее удобен для проведения диагностики высоковольтного оборудования. Это объясняется тем, что озоновый слой Земли практически полностью поглощает излучение Солнца на длинах волн 280 нм и меньше. Этот диапазон активно используется для регистрации коронных разрядов.
Протекание импульсов тока через активное сопротивление элементов загрязнений приводит к выделению активной мощности, в результате чего температура поверхности изолятора может увеличиваться, что приводит к образованию дефектов. На поверхности изолятора образуются бороздки, в которые попадают новые элементы загрязнений, увеличивающие проводимость изолятора. Чем в худшем состоянии находится изолятор, тем больше выделяется тепловая мощность. Таким образом, появление ЧР, в конечном счете, приводит к разрушению изолятора. в отечественной и зарубежной литературе под словосочетанием «коронный разряд» понимается как чистый коронный разряд (без ЧР), так и коронный разряд с ЧР. Это, по всей видимости, связано с тем, что коронный разряд довольно широко известен, в то время как ЧР - понятие, специфичное в отраслевой энергетике. Однако именно появление ЧР является основным критерием, по которому производится оценка качества изоляции, и в связи с этим уже разработано немало методов регистрации ЧР. Протекание ЧР сопровождается кратковременным импульсом тока в цепи электроустановки, на чем основаны уже существующие контактные методы его регистрации. Кроме этого, ЧР обусловливает появление вспышки или свечения в широком спектре электромагнитного излучения, на характеристиках которых основан развиваемый метод дистанционной диагностики неисправностей элементов высоковольтных установок. Существующие методы дистанционной диагностики силовых высоковольтных электроустановок, основанные на регистрации электромагнитного излучения, не позволяют фиксировать появление ЧР. В данной работе речь идет о разработке методов регистрации коронного разряда с ЧР.
Классификация разработанных в настоящее время методов регистрации коронных разрядов и измерения их параметров отображена на схеме на рис. 6. Контактные и дистанционные методы рассмотрены далее в соответствующх разделах диссертации.
Классификация методов регистрации и измерения параметров ЧР. Методы, к которым относится данная работа, выделены еерым цветом Для оценки степени износа изоляции в МЭК 60270 введены количественные характеристики ЧР. Основной характеристикой ЧР является так называемый кажущийся заряд, определенный как абсолютное значение такого заряда, при мгновенном введении которого между электродами испытуемого объекта напряжение между его электродами кратковременно изменится на такое значение, на какое изменилось бы при частичном разряде. Для определения интенсивности ЧР существует еще одна характеристика, показывающая число ЧР в секунду. Так как большая часть электроустановок работает на переменном токе, то также существуют фазовые характеристики ЧР, такие как фаза появления ЧР и фаза пропадания ЧР, амплитудно-фазовая характеристика, а также число ЧР за один полупериод напряжения электросети. Как видно, большинство количественных характеристик ЧР отсчитывается во временной и в частотной области, следовательно, для их измерения необходимо использовать приборы с высоким временным разрешением.
Дистанционное измерение характеристик ЧР важно потому, что существуют методы, по которым возможно определить причину возникновения ЧР, зная некоторые его параметры (Вдовико, 2007). Отсюда можно также оценить степень износа электроизоляции и вовремя сообщить о необходимости проведения ремонтных работ.
Контактные методы подразумевают проводное присоединение специального измерительного прибора к испытуемой электроустановке. Контактные методы подразделяются на методы с отключением напряжения и без отключения. В методах с отключением производится генерация высоковольтных импульсов тока с последующим измерением формы импульса напряжения. В методах без отключения измерение параметров ЧР производится на основе анализа формы напряжения электросети. Достоинством контактного метода является то, что при его использовании возможно измерение всех параметров ЧР, в том числе ЧР, протекающих внутри изоляции и не проявляющихся в видимом и УФ-диапазоне. Главный недостаток контактного метода - это невозможность проведения массовой проверки. Еще одним примером контактного метода является волновой метод, в котором используется измерение времени распространения электромагнитной волны от ЧР по проводам вдоль ЛЭП. В качестве примеров измерительных приборов для контактного метода измерения характеристик ЧР можно привести прибор CCM-6R для постоянного контроля состояния изоляции силовых высоковольтных кабельных линий под рабочим напряжением (рис. 7). Прибор имеет шесть равноценных входных каналов для регистрации частичных разрядов, что позволяет ему одновременно контролировать состояние изоляции до шести кабельных линий, находящихся под напряжением. Для локализации зоны возникновения дефекта встроенный в прибор рефлектометр использует сигналы от возникающих в изоляции частичных разрядов. По разнице времени прихода прямого и отраженного импульсов рефлектометр локализует зону дефекта с точностью не хуже 1% от длины контролируемого кабеля (http://www.electronpribor.ru/goods/1/2/3479.html )
Бесконтактные методы основаны на регистрации акустического или электромагнитного излучения. Как уже было сказано, протекание ЧР сопровождается характерным звуком, что объясняется движением объемного заряда ионов в электрическом поле (более подробно см. 1.1). На данном явлении основан акустический метод (Пинталь, 1998). Этот метод в чем-то схож с предлагаемым в данной работе методом, так как методики обработки полученного сигнала также основаны на время-амплитудном анализе
Усовершенствованные узлы датчика
Как было сказано выше, коронный разряд, возникающий на электроустановках, является периодическим процессом. В случае переменного тока с частотой 50 Гц разряд возникает только на полуволнах высокого напряжения. Таким образом, в спектре сигнала должна присутствовать гармоника удвоенной частоты электросети 100 Гц. Спектр {Sk}, вычисленный для временной последовательности {sn}, полученной монофотонным датчиком, показывает наличие основной гармонической составляющей на частоте сети. Анализ выходной информации монофотонного датчика методом ПФ, по крайней мере, позволяет классифицировать источники излучения по тому, являются ли они следствием протекания коронного разряда на электроустановках переменного тока, или это какие-либо другие источники, например, пламя горения. Помимо этого, данный метод позволяет контролировать отклонение частоты электросети от заданных норм и стандартов. Рассмотрим более подробно вопрос о том, как процессы коронного разряда отображаются в выходной информации монофотонного датчика. Как было сказано выше, коронный разряд состоит из стримеров, начинающихся на проводнике и заканчивающихся в газе по причине уменьшения напряженности поля по мере удаления от проводника. Стримеры коронного разряда без ЧР излучают импульсы УФ-излучения. Вероятность их появления зависит от напряженности поля и при постоянном напряжении она имеет пуассоновское распределение. Характер протекания коронного разряда без ЧР проиллюстрирован рис. 39 а. Кроме этого при определенных условиях в коронном разряде могут возникать частичные разряды (ЧР) - импульсы большей мощности по сравнению с импульсами коронного разряда. Они также представляют собой стримеры, но возникающие на поверхности загрязненного изолятора между элементами загрязнений. ЧР могут возникать и внутри высоковольтной изоляции как следствие посторонних газовых включений (пузырей внутри стекла) или мелких проводящих частиц в масле трансформатора. Графики, иллюстрирующие частичный разряд, приведены на рис. 39 б. В отличие от коронного разряда, протекание ЧР во времени имеет закономерности, связанные с разрядом/зарядом емкостей связанных электрических цепей электроустановок. Лабораторные эксперименты показали, что частота следования ЧР, как правило, лежит в диапазоне от 0,2 до 2 кГц и выше. а)
Согласно МЭК 60270, появление ЧР является критерием нарушения качества изоляции. Временное разрешение и чувствительность монофотонного фотоприемника позволяют регистрировать излучение от ЧР. Рассмотрим более подробно вопрос о том, какую информацию о протекании разряда можно извлечь из изображения Фурье {&} выходной последовательности монофотонного УФ-датчика.
Генерация коронного разряда без ЧР и ЧР проводилась на экспериментальной установке, описанной в главе 4. При регистрации коронного разряда без ЧР и обработке методом Фурье был получен спектр, на котором присутствует ярко выраженный основной тон на частоте 100 Гц (рис. 40). При регистрации излучения от коронных разрядов без ЧР возможно появление гармоник, наличие которых обусловлено тем, что средняя интенсивность коронного разряда не пропорциональна мгновенному напряжению в электросети. Непропорциональная зависимость объясняется тем, что коронный разряд возникает лишь в ограниченной части фазового диапазона (0; 2тс]. Оставшаяся часть диапазона относится к не сопровождающемуся люминесценцией темновому разряду.
Относительно равномерный неубывающий энергетический спектр при наличии ярко выраженного основного тона и нескольких гармоник может быть критерием наблюдения коронного разряда без ЧР. При регистрации коронного разряда с ЧР получаются иные спектры, имеющие неравномерности на частотах протекания ЧР. На рис. 41 приведен пример неравномерного энергетического спектра. 2000
Дополнительные максимумы на спектре соответствуют частотам, на которых протекает ЧР. Данный разряд был также получен на экспериментальной установке. Реальные частоты, генерируемые ЧР, измерялись осциллографом, токовый пробник которого включен последовательно с разрядным промежутком (подробнее об этом в главе 4). В силу различных причин, влияющих на состояние поверхности изолятора, по которому протекает ЧР, частота ЧР в данном случае непрерывно изменяется, в результате чего соответствующий пик частотного распределения имеет большую дисперсию. Неравномерность частотного распределения во многих случаях может быть критерием наличия ЧР.
В заключение рассмотрения метода с применением преобразования Фурье отметим, что его использование имеет ряд недостатков, к которым главным образом относится то, что базисная гармоническая функция ej(0t не локализована во времени. Кроме этого, данный метод не позволяет привязать моменты возникновения ЧР к фазе напряжения электросети.
Анализ сигнала методом кратковременного (оконного) преобразования фурье
Преобразование Гильберта в общем случае применяется к узкополосным случайным сигналам, в то время как сигнал {sn} является широкополосным в полосе частоте от нуля до 1/2Едискр- Для решения задачи фазовой привязки из всего сигнала в спектральном диапазоне необходима лишь часть, находящаяся в окрестности 100 Гц. В связи с этим является актуальным вопрос цифровой фильтрации выходного сигнала монофотонного датчика.
Перед применением преобразования Гильберта сигнал {sn} был пропущен через цифровой фильтр, предетавляющий еобой фильтр с конечной импульсной характеристикой (КИХ-фильтр - один из видов линейных цифровых фильтров). Такой фильтр называют ещё нерекурсивным из-за отсутствия в нем обратной связи, в основе КИХ-фильтра лежит разностное уравнение, описывающее связь между входным и выходным сигналом. ,Д 3.41 у(п) = у ЪуХ(п - і) І=0 где Р — порядок фильтра, х(п) — входной сигнал, у(п) — выходной сигнал, bi — коэффициенты фильтра, п - номер отсчета при дискретизации по времени.
Значение любого отсчета выходного сигнала определяется суммой масштабированных значений Р предыдущих отсчетов. Т.о., значение выхода фильтра в любой момент времени есть значение отклика на мгновенное значение входа и суммы всех постепенно затухающих откликов Р предыдущих отсчетов сигнала, которые все еще оказывают влияние на выход (после Р-отсчетов импульсная переходная функция полагается равной нулю, поэтому все члены после Р-го тоже станут равными нулю).
В данной работе для расчета коэффициентов КИХ-фильтра bt было использовано встроенное средство MATLAB fdatool.
К числу преимуществ цифровой фильтрации и последующей фазовой привязки методом вейвлет-преобразования (или преобразования Гильберта) можно отнести простоту аппаратной реализации. Так, например, этот метод может быть реализован в составе модуля цифрового ввода данных (см. 2.2) с использованием DSP-блоков, имеющихся в составе ПЛИС.
Для определения фазового сдвига на заданной частоте в двух случайных сигналах можно было бы воспользоваться вышеприведенными методами вычисления фазы. Однако в данном случае целесообразно предложить значительно более простой подход - использование взаимной корреляционной функции (ВКФ) с предварительной фильтрацией КИХ-фильтром. ВКФ имеет Из выражения (3.44) следует, что при максимальном значении WBS Т = фо. Это позволяет определить фазовый сдвиг между анализируемыми сигналами s(t) ttp(t), энергетические спектры этих сигналов содержат гармоники только на частоте 100 Гц.
Так как для вычисления фазового сдвига необходима лишь та часть сигнала, которая находится в окрестности 100 Гц. Для режектирования иных гармоник, неизбежно присутствующих в реальном сигнале, был использован метод, описанный в подразделе «Цифровая фильтрация выходного сигнала монофотонного датчика».
Фазовая интегральная характеристика (ФИХ) согласно МЭК 60270 является одной из основных характеристик ЧР. Рассмотрим вопросы, связанные с ее построением и анализом. ФИХ показывает распределение числа зарегистрированных фотонов по фазе, полученной одним их вышерассмотренных методов фазовой привязки. Для построения ФИХ значения ф необходимо дискретизировать с некоторым шагом Ар. Тогда дискретное значение фазы будет определяться через выражение { Pj} = {jA p} (3.45) где у - номер фазового отсчета, у = 1,2..J. Обозначим через {sjn} подпоследовательность {sn}, включающую только те элементы sn, для которых мгновенная фаза УФ-излучения на частоте 100 Гц соответствует заданному номеру фазового отсчета у. Обозначим через Ij среднее значение элементов последовательности {snJ}, определяемое через выражение:
При отображении на графике ФИХ может строиться в полярных или в прямоугольных координатах. Пример ФИХ для коронного разряда с ЧР изображен на рис. 56 500
Фаза мощности УФ излучения на частоте 100 Гц Рис. 56. Фазовая интегральная характеристика коронного разряда с частичными разрядами по 4 стримера на один период мощности.
Кроме этого, при известном амплитудном напряжении электросети возможно каждому значению последовательности {SJ сопоставить его значение мгновенного напряжения UMrH. Соответствующая последовательность мгновенных напряжений электросети вычисляется по формуле: { } = { Sin(y)Sgn(-Sin( ))} (3.48)
Для более наглядного отображения последующих зависимостей выражение (3.48) построено таким образом, что положительные значения последовательности {иJ соответствуют возрастанию UaMn, а отрицательные значения соответствуют спаду UaMn Приведенная фазовая интегральная характеристика (ПФИХ) - это зависимость s„(Un) интенсивности счета фотонов от мгновенного напряжения электросети. Иными словами, ПФИХ - это ФИХ, в которой фаза заменена на мгновенные значения напряжения электросети, соответствующие этим фазам. Пример ПФИХ для коронного разряда с ЧР при амплитудном значении напряжении электросети 17 кВ приведен на рис. 57.
Измерение напряжения разрядного промежутка и тока утечки
Перспективным направлением использования монофотонного сенсора является применение его в системах оптической локации. Для определения расстояния до объекта можно использовать различные системы, в том числе и радиолокационные. Однако эти системы, как правило, дают низкую точность определения координат, а их работа может быть затруднена помехами от подстилающей поверхности. Кроме того, они характеризуются высокой стоимостью и достаточно значительными массо-габаритными показателями.
Другой подход - использовать системы, работающие в ИК-диапазоне. Отметим, что к недостаткам этих систем относятся природные и антропогенные источники помех, наличие бликов от Солнца. Кроме того, применение ИК-систем затруднено в сложных метеоусловиях, так как ИК-излучение сильно поглощается дождем и туманом. И, наконец, высокочувствительные ИК-системы дороги и сложны в эксплуатации и имеют сильно ограниченный ресурс, а доступные системы обладают низкой чувствительностью.
В то же время, другим возможным решением данной задачи является применение оптического локатора в УФ-С диапазоне длин волн, состоящего из источника УФ-С излучения, «подевечивающего» объект, и приемника УФ-излучения (МДМ - локатора (Родионов и др, 2004)). Оптический локатор (рис. 93) работает следующим образом: приемник УФ-излучения выдает в УФ-источник строб на начало излучения короткого импульса ( 1 нс) в широком угловом диапазоне и запускает сброшенный счетчик времени; приемник УФ 136 излучения фиксирует время прихода отдельных фотонов, что позволяет рассчитать расстояние до объектов, находящихся в поле зрения УФ-излучателя.
Преимущество использования УФ-С диапазона в качестве локатора (МДМ - локатора) диапазона очевидно. Он может работать в условиях солнечного освещения. Следует отметить высокую чувствительность предлагаемого УФ-С приемника, который регистрирует отдельные фотоны - т.е. осуществляется «принцип», означающий, что один зарегистрированный фотон соответствует одной точке пространства (трем координатам). Отсутствие систем сканирования, как правило, присутствующих в известных методах оптической локации, обеспечивает простоту конструкции устройства и его надежность. В материалах диссертации показано прохождение УФ-С сквозь атмосферу в различных (в том числе и сквозь облачность) условиях. Это открывает возможность для использования его с целью обеспечения безопасности движения транспорта (самолетов, кораблей, автомобилей) в сложных условиях применения.
Над Землей ежесекундно происходит до сотни грозовых разрядов, которые обычно наблюдаются в виде молний между облаками и земной поверхностью или между облаками. Однако еще в двадцатых годах прошлого века шотландский физик С. Т. R. Wilson предсказал существование коротких вспышек света над грозовыми облаками (Wilson, 1925). Такие вспышки повсеместно наблюдались пилотами самолетов в течение всего прошлого века (Boeck et al, 1998). Научное изучение этих явлений началось только в 90-х годах. Франц (Frantz) с коллегами (Franz et al, 1990) впервые зарегистрировал эти явления с помощью высокочувствительной телевизионной камеры. Затем они наблюдались с шатлов (Boeck et al, 1998), с самолетов (Sentman et al, 1995), с баллонов (Bering et al, 2002), и с земли и (Mende et al, 2005), (Lyons, 1996), (Stanley et al, 1997), (Gerken, 2000), (Neubert et al, 2001), (Su et al, 2002). Эти явления получили название транзиентные световые явления (ТСЯ) в атмосфере (в англоязычной литературе transient luminous event (TLE)).
Существует несколько типов ТСЯ: спрайты (sprites), , джеты (jets) (Wescall et al, 2005), эльфы (elves) (Fukunishi et al, 1996) и другие (Pasco et al, 2002), которые, в свою очередь, подразделяются на ряд подтипов, например, “carrot sprite”, “blue jet” и т.п. Изображения ТСЯ и их положение в атмосфере Земли очень красочно показано на рис. 94, взятой из работы (Park et al, 2008).
Имеется большое число различных экспериментов по наблюдению ТСЯ, моделированию происходящих в них процессов. Подробное рассмотрение их обсуждалось на симпозиуме и в многочисленных статьях, которые можно найти в Интернете (www.oma.be/TLE2008Workshop/V
Заметим, что в России активно занимаются процессами по изучению явлений ТСЯ. Так в Институте космических исследований РАН ведется разработка и изготовление микроспутника «Чибис-М», предназначенного для детального изучения физических механизмов электрических разрядов в атмосфере в самом широком диапазоне энергий — от радио- до гамма-излучения. Кроме ИКИ РАН, в процессе создания научной аппаратуры участвуют Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.Н. Скобельцына МГУ им. М.В. Ломоносова. Научные руководители проекта — академик РАН Л.М. Зеленый (ИКИ РАН) и академик РАН А.В. Гуревич (ФИАН). Состав научной аппаратуры спутника по-настоящему уникален: впервые исследования грозовых разрядов будут проводиться в столь широком спектре электромагнитных излучений. В него входят: рентген-гамма детектор, детектор ультрафиолета (разрабатываются в НИИЯФ МГУ), радиочастотный анализатор и цифровая фотокамера (ИКИ РАН). Кроме этого, в состав научного комплекса входит система сбора, анализа, хранения и передачи информации, которая разрабатывается в ИКИ. Запуск микроспутника предполагается совершить с использованием грузового корабля «Прогресс».
Кроме того, вот уже несколько месяцев второй российский университетский студенческий спутник «Университетский - Татьяна-2», созданный в Московском государственном университете, исследует околоземное космическое пространство и верхнюю атмосферу, выполняя международную научно-образовательную программу. В создании второго спутника участвовали ученые из Женского университета в Сеуле (Корея) и Автономного университета провинции Пуэбло (Мексика). Подробно о конструкции спутника и составе его научной аппаратуры можно найти в Интернете (http://space.msu.m/proiects/tatyana2).
