無人機紅外影像技術(shù)在配電網(wǎng)巡檢中的應用研究

摘要：為了適應不斷增長的用電需求，近年來我國在電網(wǎng)建設方面的投資力度逐年加大，基本實現(xiàn)了電網(wǎng)全覆蓋，為保障企業(yè)正常生產(chǎn)和地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展提供了動力支持，但是相應的電網(wǎng)巡檢技術(shù)卻沒有同步跟進。文章對無人機紅外影像技術(shù)在配電網(wǎng)巡檢中的應用進行了研究。

關(guān)鍵詞：無人機；紅外影像技術(shù)；配電網(wǎng)；巡檢技術(shù)；用電需求；電網(wǎng)建設 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM75 文章編號：1009-2374（2017）01-0047-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.01.023

無人機具有機動性強、可控性高、飛行速度快等特點，在無人機上搭載紅外影像設備，能夠在短時間內(nèi)對區(qū)域性的配電網(wǎng)進行全方位的巡檢，對于及時發(fā)現(xiàn)配電網(wǎng)中的安全隱患、確定電網(wǎng)故障問題都有極大的幫助作用。目前，無人機紅外影像技術(shù)在配電網(wǎng)巡檢應用中初步取得成效。文章首先指出了無人機紅外影像巡檢系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，隨后對飛行動態(tài)狀態(tài)下的紅外影像優(yōu)化進行了簡單分析，并在此基礎(chǔ)上概述了該系統(tǒng)的軟件設計，最后結(jié)合紅外影像的信息采集和特點分析，對整個系統(tǒng)的運作流程進行了總結(jié)。

1 無人機紅外影像巡檢系統(tǒng)的組成

電力系統(tǒng)的輸電線路大多分布于野外，給維修和管理工作的開展帶來了極大的不便。借助于無人機搭載紅外影像技術(shù)，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工巡檢，既提高了配電網(wǎng)的巡檢效率，又減輕了維護人員的工作壓力。由于配電網(wǎng)所處的環(huán)境復雜，加上分布面積較廣，因此對無人機的作業(yè)性能提出了較高的要求，例如要保證較強的續(xù)航能力、成像分辨率高、人為操控性好等。為了滿足上述多方面的需求，需要給無人機安裝相應功能的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)?？傮w來看，無人機搭載紅外影像巡檢系統(tǒng)主要由以下功能模塊組成。

1.1 多源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

多源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括激光器、可見光檢測儀、紅外熱像儀、GPS、慣性測量單元等模塊構(gòu)成。其中，無人機在巡檢過程中，根據(jù)人為控制，利用可見光相機、紅外熱像儀等設備，采集相應區(qū)域或特定目標的空間信息。傳感器將這些信息發(fā)送到無人機搭載的信息處理平臺上，結(jié)合單片機完成數(shù)據(jù)的融合、處理和分析。最后將不同時間段采集到的信息，以GPS時間作為時間基準，綜合POS數(shù)據(jù)、紅外影像、紫外視頻、流數(shù)據(jù)、點云數(shù)據(jù)等多個數(shù)據(jù)類型，完成空間基準的統(tǒng)一。

1.2 安全巡檢及智能診斷

1.2.1 基于激光掃描的電力線路安全診斷。從大量無序的激光點云數(shù)據(jù)中提取電力線矢量數(shù)據(jù)，并將其用于線路安全距離的檢測，是三維激光掃描用于電力巡檢的關(guān)鍵技術(shù)?；诩す鈷呙杓夹g(shù)的電力線路安全診斷，主要完成電力線激光點云的自動提取，生成精準的電力線矢量模型進行安全距離診斷，對超限地物進行安全預警。

1.2.2 基于可見光及紅、紫外的線路安全診斷。受技術(shù)條件的影響，早期無人機的續(xù)航時間、搭載能力都相對有限，因此數(shù)據(jù)采集設備的功能也受到了一定程度的制約。近年來，隨著相關(guān)方面技術(shù)的發(fā)展，無人機巡檢作業(yè)的功能日趨多樣化，滿足了人們多方面的數(shù)據(jù)勘測需求。針對無人機巡檢復雜背景這一特性，對采集到的紅外、紫外、可見光數(shù)據(jù)的診斷方法展開了一系列的研究。對于紅外熱成像視頻數(shù)據(jù)，提出了一種基于運動估計的幀間差分方法，消除背景熱源對設備熱點的干擾，實現(xiàn)在無人機復雜背景下的電力設備熱點自動檢測。對于紫外放電視頻數(shù)據(jù)，提出了一種基于光斑聚類方法的高放電概率區(qū)域自動提取方法，實現(xiàn)設備異常放電點檢測。

1.3 紅外熱像儀

紅外熱像儀是一種二維熱圖像成像裝置。它能夠接受波長在[0.5，800]μm的電磁輻射，并且借助于內(nèi)部的電子元件，實現(xiàn)光-電轉(zhuǎn)換，最后將電信號在顯示器上顯示出來。紅外熱像儀從出現(xiàn)至今已經(jīng)有近200年的歷史，現(xiàn)階段市場上的紅外熱像儀種類也比較豐富，在選擇具體的類型時要綜合考慮紅外熱像儀的功能、適用范圍、自身重量等因素。

1.3.1 紅外熱像儀的組成。雖然紅外熱像儀的種類較多，但是其主要的系統(tǒng)組成卻并無明顯差異。總體來說，紅外熱像儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要分為五大部分：

第一部分是紅外光學系統(tǒng)。主要功能是提高靈敏面上的照度，增加儀器對外界光線的感知度，增強系統(tǒng)探測能力。理論上來說，紅外光學系統(tǒng)應當滿足以下三個條件：一是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要盡量精簡，這是由無人機搭載重量的有限性決定的；二是要能夠適應復雜的氣象變化和振動條件，這是由無人機巡檢拍攝的環(huán)境決定的；三是要具備確定的視場角，保證光學性能的穩(wěn)定，以便于無人機紅外影像的畫面清晰。

第二部分是光機掃描器。主要作用是對目標單位進行連續(xù)性、完整性的拍攝，并根據(jù)紅外熱像儀與拍攝目標之間的距離變化，及時調(diào)整瞬時視場，使紅外圖像能夠聚集在探測器上，確保拍攝畫面的穩(wěn)定性和連貫性。

第三部分是紅外探測器。它是紅外熱像儀的主要組成結(jié)構(gòu)，主要負責對各個部分所收集到的影像信息進行掃描和處理，并協(xié)助完成視場內(nèi)圖像的掃描和取樣。將光線波長信息轉(zhuǎn)化為電信號，并存儲在集成數(shù)據(jù)庫中。

第四部分是制冷機。考慮到紅外探測設備在工作期間，會產(chǎn)生較大的熱噪聲，影響紅外影像的清晰度。因此需要在紅外成像儀上配備制冷機，用來延長工作波段，屏蔽噪聲。

第五部分是圖像輸出裝置。主要功能是提供可視化的圖像信息，為技術(shù)人員各方面工作的開展提供必要的參考依據(jù)。

1.3.2 紅外熱像儀的工作原理。無人機搭載紅外影像設備進行配電網(wǎng)巡檢時，紅外光學系統(tǒng)首先將巡檢目標所反射的紅外輻射收集起來，隨后通過光譜濾波轉(zhuǎn)換，將輻射信號轉(zhuǎn)化為光信號，并投射到探測器的光敏面上。此時，光機掃面器通過電視光柵形式將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。這部分電信號經(jīng)過識別后，紅外探測器再進行處理，并在顯示器上同步顯示出熱圖像。

2 飛行動態(tài)狀態(tài)下紅外影像優(yōu)化

自然界中不斷產(chǎn)生紅外輻射，這主要是由于物體內(nèi)部分子在發(fā)生熱運動，其表面的溫度明顯高于0℃，利用紅外采集設備可以針對目標能量與溫度的關(guān)系展開能量分析，利用溫度值來表示捕捉到的能量，利用光機系統(tǒng)可以得到基于內(nèi)量矢量的影像分布信息，最終形成基于目標的紅外圖像。

在當前電網(wǎng)經(jīng)常應用的設備中，很多設備故障都會由運行中溫度異常情況來表現(xiàn)，從客觀上來說利用這種方法可以直接反映出設備的故障狀態(tài)，這些設備發(fā)生故障的過程中也會產(chǎn)生大量的熱量損耗。

在電力設備出現(xiàn)故障之前，其關(guān)鍵部位往往會出現(xiàn)溫度上的變化，因此應該對電力設備表面的故障信息進行及時檢測，在此基礎(chǔ)上對故障類型進行確認。同時還要結(jié)合紅外信息對故障進行分析，利用設備紅外特征的變化收集設備故障信息。通常情況下不同設備的表面溫度是不同的，但是多數(shù)都會呈現(xiàn)出均勻的熱分布，而存在故障的設備則會出現(xiàn)集中升溫的現(xiàn)象，同時設備紅外輻射也會呈現(xiàn)出不均勻的現(xiàn)象，這種情況下利用紅外成像儀可以將其輻射變化轉(zhuǎn)變成有矢量像素的熱感圖像，然后對這種熱圖描述的熱特征進行分析，就可以對設備缺陷類型進行合理判斷。

3 紅外影像的采集與分析

不同類型的紅外熱像儀，其適用領(lǐng)域、測溫范圍、成像性能等方面都會存在差異，本文以德國InfraTec公司生產(chǎn)的Mac-3000型紅外熱像儀為例，對該儀器的紅外影像信息采集和特點分析進行整體概述。

3.1 紅外影像的信息采集

Mac-3000型紅外熱像儀的光學鏡片是由兩組半導體薄片交替組成的凸透鏡結(jié)構(gòu)，并且透鏡表面帶有突變，形成勢阱和勢壘。在紅外熱像儀工作時，視場內(nèi)的目標景物會將圖像信息映射到FPA（焦平面陣列）上，F(xiàn)PA上密布大量的探測元，并且這些探測元與圖像信息存在一一對應關(guān)系。與此同時，紅外探測器感知目標景物的熱輻射信息，并經(jīng)過系統(tǒng)內(nèi)部轉(zhuǎn)化，將熱輻射信息最終轉(zhuǎn)化為電信號。FPA識別電信號后，將這些信號進行分解，并在探測元上進行一維排列。這些經(jīng)過處理后的電信號，就會在顯示器上生成熱圖像，即紅外圖像。

3.2 紅外影像的特點分析

紅外影像能夠直觀地反映出巡檢對象不可見的紅外線輻射的空間分布，并且通過分析巡檢對象的溫度變化和波長發(fā)射率，從而直觀的看出配電網(wǎng)是否存在故障隱患?？傮w來說，利用無人機搭載紅外影像設備，所形成的紅外影像具有以下特點：首先，大氣、云煙都可以吸收可見光和近紅外線，因此如果在配電網(wǎng)巡檢中使用普通攝像儀，所呈現(xiàn)出的圖像不夠清晰。而紅外熱像儀則能夠無視大氣、云煙的影響，清晰的觀察巡檢目標，保證了圖像的清晰度；其次，配電網(wǎng)中電氣設備、線路對外熱輻射能量的大小，與自身的溫度有關(guān)。利用紅外熱像儀，能夠?qū)Υ郎y目標進行無接觸的溫度測量。這也是紅外影像技術(shù)在無人機巡檢中得以應用的關(guān)鍵所在。

4 結(jié)語

配電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定運行對于保證企業(yè)生產(chǎn)和人們生活的正常開展有著至關(guān)重要的作用，加強配電網(wǎng)的巡檢工作，及時發(fā)現(xiàn)配電網(wǎng)可能存在的隱患，能夠有效避免事故的發(fā)生。無人機紅外影像技術(shù)能夠快速、高效、精確地對特定目標進行拍攝，從而給電網(wǎng)管理人員提供了豐富、詳實的電網(wǎng)資料，為后期維修和養(yǎng)護工作的開展提供了支持。因此，必須要結(jié)合實際工作需要，不斷進行技術(shù)優(yōu)化，以確保無人機紅外影像技術(shù)在配電網(wǎng)巡檢中發(fā)揮更大的作用。

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作者簡介：張磊（1979-），男，山西太原人，山西阿瑞斯自動化科技有限公司工程師，碩士。

（責任編輯：蔣建華）