全日盲紫外成像探測儀光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

董建新+袁曉輝+潘瑞龍

摘 要： 全日盲紫外成像探測儀可對架空輸電線路產(chǎn)生的電暈進(jìn)行早期探測，降低電力設(shè)備損傷。紫外物鏡作為全日盲紫外成像探測儀的核心元器件，其性能指標(biāo)直接影響探測儀的性能。針對電暈檢測系統(tǒng)大多存在光能利用率不足的問題，設(shè)計了一種基于分色分光的同軸光學(xué)系統(tǒng)，消除了中心視場遮攔，增大了紫外光通道的通光口徑，有效提高了電暈探測系統(tǒng)的能量收集能力。設(shè)計的紫外物鏡全視場全探測范圍內(nèi)點(diǎn)列圖均方根小于0.14 mm，滿足紫外電暈探測的分辨率需求。相較于國外紫外成像探測儀的光學(xué)系統(tǒng)，分色分光同軸光學(xué)系統(tǒng)的全日盲紫外成像探測儀對能量的收集能力明顯高于國外紫外成像探測儀。

關(guān)鍵詞： 紫外成像； 探測儀； 同軸光學(xué)系統(tǒng)； 分辨率

中圖分類號： TN02?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）01?0152?04

Abstract： The solar?blind ultraviolet （UV） imaging detector can detect the corona generated by the overhead transmission line early， and reduce the damage of electrical equipments. The UV objective is taken as the core component of the solar?blind UV detector， whose performance indicator affects on the performance of the detector directly. Since the corona detection system has the problem of insufficient solar energy utilization efficiency， a coaxial optical system based on wavelength and light separation was designed to eliminate the shelter of the center field， and enlarge the optical aperture of the UV channel， improve the energy collection ability of the corona detection system effectively. The root mean square of the spot diagram of the designed UV objective within the full field and whole detection range is less than 0.14 mm， and meets the requirement of UV corona detection resolution. In comparison with the optical system of the foreign UV imaging detector， the energy collection ability of the solar?blind UV imaging detector adopting the wavelength and light separation coaxial optical system is superior.

Keywords： UV imaging； detector； coaxial optical system； resolution

0 引 言

由于宇宙射線及地層放射性物質(zhì)的物理作用，使得空氣中含有少量帶電離子，這些帶電離子在電場的作用下做定向移動，形成電導(dǎo)電流。當(dāng)高壓輸電設(shè)備之間的電場強(qiáng)度增高至一定值時（一般在20～30 kV/cm之間），空氣中的帶電離子在電場的作用下獲得足夠的能量，與空氣中的其他分子發(fā)生碰撞電離，形成傳導(dǎo)性很高的通道，使高壓輸電設(shè)備表面的空氣被局部擊穿，產(chǎn)生電暈放電[1?4]。電暈放電會導(dǎo)致輸電設(shè)備表面產(chǎn)生燒毛現(xiàn)象，腐蝕絕緣子，損壞輸電線路，更嚴(yán)重的可能導(dǎo)致供電事故。此外，由于電暈放電伴隨有高頻脈沖電磁波的輻射，對無線電通信也會產(chǎn)生很大干擾。因此，能夠進(jìn)行電暈早期探測并準(zhǔn)確定位的日盲紫外成像探測儀越來越受到電力部門的重視[5?7]。日盲紫外成像探測儀通過視場高度匹配的紫外、可見光兩個通道，實(shí)時采集視場內(nèi)的紫外圖像與可見光圖像。其中，紫外通道工作于240～280 nm的日盲紫外譜段，由于平流層中臭氧的強(qiáng)烈吸收，太陽光譜中該譜段輻射在近地大氣中幾乎是不存在的，在該譜段開展成像探測可天然地避免自然界復(fù)雜背景的干擾。日盲紫外成像探測儀利用電暈輻射光譜中含有日盲紫外光這一特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對電暈的早期成像探測。早在20世紀(jì)70年代末期，國外便已開展了對紫外輻射光信號的研究。20世紀(jì)90 年代末，國外已著手開展了日盲紫外成像探測儀的研制工作，而后逐步投放市場[8?10]。目前，具有代表性的產(chǎn)品主要有以色列Ofil公司的SuperB，Luminar以及南非UViRCO公司的CoroCAM系列等，如圖1所示。

上文所述產(chǎn)品雖具有靈敏度高、定位準(zhǔn)確、操作簡單、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，但同時也存在著諸多缺點(diǎn)，紫外光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)即是存在的典型缺點(diǎn)之一。紫外物鏡作為日盲紫外成像探測儀的核心元器件，主要影響探測儀的通光口徑、光能利用率、分辨率及視場等參數(shù)，其性能指標(biāo)直接影響探測儀的性能。Ofil及UViRCO公司生產(chǎn)的紫外物鏡普遍采用卡塞格林系統(tǒng)，中心視場存在遮攔，導(dǎo)致整個探測儀的通光口徑減小、光能利用率不足，如圖2所示。這直接導(dǎo)致在探測儀遠(yuǎn)距離工作時為使入射至探測儀的光能量滿足成像需求，通常要求較大的主鏡口徑。在應(yīng)用方面，這一缺陷大大不利于產(chǎn)品的小型化研制。

針對上述問題，本文設(shè)計了一種基于分色分光的同軸光學(xué)系統(tǒng)，消除了中心視場遮攔，增大了紫外光通道的通光口徑，有效提高了電暈探測系統(tǒng)的能量收集能力，為全日盲紫外成像探測儀的廣泛應(yīng)用提供了借鑒和實(shí)用參考。

1 光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)的確定

全日盲紫外成像探測儀通常要求的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

計算得到所需的紫外物鏡焦距mm，綜合考慮，最終確定選取的系統(tǒng)焦距為160 mm。

在電暈檢測系統(tǒng)中，可見光通道用于對探測背景進(jìn)行成像，其成像通道應(yīng)盡可能保留背景圖像的細(xì)節(jié)信息。而日盲紫外通道僅用于探測是否存在電暈放電現(xiàn)象，其圖像特點(diǎn)為電暈放電區(qū)域呈斑點(diǎn)狀且時域圖像不具有特定的形貌信息，因此日盲紫外通道成像不關(guān)心物體的細(xì)節(jié)信息，僅關(guān)心成像的光能量以及分辨能力。當(dāng)兩個電暈放電點(diǎn)成像的80%彌散斑不發(fā)生重疊時，后續(xù)的圖像處理系統(tǒng)可通過簡單的圖像處理算法將兩物點(diǎn)分開。由系統(tǒng)的角分辨率需求及系統(tǒng)焦距可計算得到紫外物鏡對點(diǎn)物成像的80%彌散斑半徑需滿足：

2 紫外物鏡設(shè)計

光學(xué)材料的透過率大都隨工作波長的減小而降低，因此能夠用于日盲紫外工作波段的透鏡材料較少，常用的材料有熔石英和氟化鈣。對于氟化鈣材料，其價格比較昂貴且在240～280 nm的工作波段范圍內(nèi)，氟化鈣表現(xiàn)出較強(qiáng)的本征雙折射，嚴(yán)重影響著系統(tǒng)的分辨率。由于實(shí)際工作波段較窄，色差較小，因此本系統(tǒng)設(shè)計中僅選用熔石英作為透鏡材料。由于電暈放電發(fā)出的日盲紫外光能量較弱，為避免過多鏡片導(dǎo)致能量的過度損耗同時節(jié)約系統(tǒng)成本，在設(shè)計時希望采用盡量少的鏡片滿足系統(tǒng)需求，因此采用分裂單片鏡片的方法進(jìn)行紫外物鏡的設(shè)計，設(shè)計步驟如圖3所示。

圖4中面1反射鏡為分光分色鏡，用于將目標(biāo)發(fā)出的可見光和紫外光分開，實(shí)現(xiàn)紫外可見雙路探測。面12，13有紫外帶通濾光片，紫外ICCD的像面和面13重合。同時，紫外物鏡可以通過機(jī)械調(diào)焦結(jié)構(gòu)整體移動，實(shí)現(xiàn)對3 m至無窮遠(yuǎn)的目標(biāo)進(jìn)行探測。

3 紫外物鏡分析

3.1 紫外物鏡像質(zhì)評價

電暈檢測系統(tǒng)中，紫外通道的光學(xué)系統(tǒng)是對目標(biāo)信號進(jìn)行能量探測的系統(tǒng)，系統(tǒng)的能量集中度是評價系統(tǒng)成像質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。大像差系統(tǒng)中，點(diǎn)列圖的點(diǎn)分布能代表點(diǎn)像的能量分布，點(diǎn)的密集程度可以衡量系統(tǒng)成像質(zhì)量的優(yōu)劣。因此對于能量探測系統(tǒng)常采用點(diǎn)列圖作為系統(tǒng)的評價標(biāo)準(zhǔn)。探測距離分別為3 m和無窮遠(yuǎn)時各個視場成像的點(diǎn)列圖如圖6和圖7所示。從圖中可以看出，在整個探測范圍內(nèi)，系統(tǒng)的各個視場彌散斑的均方根半徑均小于0.14 mm，滿足設(shè)計需求。

3.2 紫外物鏡公差

實(shí)際的光學(xué)系統(tǒng)與理論設(shè)計的光學(xué)系統(tǒng)之間會存在光學(xué)元件的加工、裝調(diào)誤差，使得實(shí)際性能有所改變或降低，而像質(zhì)評價只是反應(yīng)在理論設(shè)計理想的情況下紫外物鏡成像的好壞。因此在光學(xué)系統(tǒng)的理論設(shè)計達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求后，還需根據(jù)生產(chǎn)制造及裝配能力制定初步公差參數(shù)，并進(jìn)行公差分析，通過對系統(tǒng)公差的分析，找出系統(tǒng)敏感性公差，對影響較大的公差項加以嚴(yán)格控制，同時，合理地設(shè)置公差補(bǔ)償，提高系統(tǒng)的容差，并最終確定系統(tǒng)的各項公差參數(shù)，為后續(xù)的機(jī)械方案設(shè)計提供指導(dǎo)。綜合考慮光學(xué)鏡片生產(chǎn)水平和實(shí)驗(yàn)室的裝配能力，最終制定的公差如表3所示，其中光學(xué)元件的折射率公差設(shè)定為0.000 1，阿貝數(shù)公差為0.1%。

可以看出，90%的鏡頭在最終制定的公差范圍內(nèi)都能夠滿足設(shè)計需求，因此，紫外物鏡可以依據(jù)此公差進(jìn)行加工和裝配。相較于現(xiàn)在國外的反射式設(shè)計，透射式設(shè)計在光能利用率上更具有優(yōu)勢，具體見表5。

4 結(jié) 論

本文分析了電暈檢測的需求，提出了紫外物鏡的總體設(shè)計需求，通過分裂法設(shè)計了應(yīng)用于分光分色系統(tǒng)的紫外物鏡。在6°的視場內(nèi)，設(shè)計的紫外物鏡在3 m至無窮遠(yuǎn)的成像范圍點(diǎn)列圖均方根均小于0.14 mm，滿足紫外電暈檢測的分辨率需求。同時，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的加工和裝配能力，給出了整個光學(xué)系統(tǒng)的公差分析。因此本文設(shè)計的物鏡可以滿足紫外電暈探測的應(yīng)用需求。

參考文獻(xiàn)

[1] 張海峰，龐其昌，陳秀春.高壓電暈放點(diǎn)特征及其檢測[J].電測與儀表，2006，43（2）：6?8.

[2] 王金剛.高壓設(shè)備放電紫外檢測技術(shù)及其應(yīng)用研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2008.

[3] 顧樂觀，孫才新.電力系統(tǒng)的污染絕緣[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，1990：59?61.

[4] 肖東萍，何為，謝鵬舉，等.高壓輸電線路電暈放電特性及其電磁輻射場計算[J].電網(wǎng)技術(shù)，2007，31（21）：52?55.

[5] 董永超.特高壓輸電線路電暈放電在線監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇科技大學(xué)，2012.

[6] 閆豐，于子江，于曉，等.電暈探測紫外ICCD相機(jī)圖像噪聲分析與處理[J].光學(xué)精密工程，2006，14（4）：709?713.

[7] LIU Jungang， HE Wei， ZHOU Liang， et al. Application of ultraviolet detector in discharge detection [J]. International journal of emerging electric power system， 2006， 7（3）： 1?6.

[8] 靳平貴.紫外探測技術(shù)與雙光譜圖像檢測系統(tǒng)的研究[D].西安：中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，2004.

[9] YAN Feng， WANG Xin， YU Xiao， et al. Using real time embedded system with multiple DSPs in corona detection [C]// Proceedings of 2005 International Conference on Optical Information Processing. Changchun， China： SPIE， 2005： 928?933

[10] 章明朝，宋慧營，周躍.日盲紫外電暈探測系統(tǒng)定標(biāo)[J].光電工程，2010，37（4）：135?140.