本發(fā)明涉及光電探測領(lǐng)域，尤其涉及一種用于高鐵的雙波段成像放電檢測儀及其使用方法。

背景技術(shù)：

高鐵機(jī)車運(yùn)行時(shí)，通過其頂部的受電弓從高壓接觸線獲取所需的電流，當(dāng)二者良好接觸時(shí)，兩者的電壓相等。但當(dāng)受電弓在升弓取流時(shí)，由于接觸網(wǎng)硬點(diǎn)、接觸網(wǎng)(受電弓弓頭)的振動(dòng)、導(dǎo)高突變、接觸網(wǎng)(受電弓)結(jié)冰、接觸網(wǎng)銹蝕等原因會(huì)造成“弓-網(wǎng)”間的電氣接觸不可靠，“弓-網(wǎng)”間會(huì)出現(xiàn)離線現(xiàn)象。離線就會(huì)產(chǎn)生電弧，列車速度越高，離線的幾率就越大，產(chǎn)生電弧就越大。如何有效檢測弓網(wǎng)電弧并進(jìn)行問題定位是一個(gè)需解決的問題。

而且，高鐵線路巡檢主要采用人工巡檢或?qū)Ｓ脵C(jī)車可見光成像巡檢等方式，人工巡檢效率比較低，而專用機(jī)車可見光成像巡檢需要多個(gè)高分辨力可見光相機(jī)精確采集，只能巡檢后進(jìn)行處理，有時(shí)需要人工參與分析和定位，處理麻煩。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明提供一種用于高鐵的雙波段成像放電檢測儀及其使用方法，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)受電弓與接觸網(wǎng)局部放電情況，實(shí)時(shí)檢測受電弓與接觸網(wǎng)接觸產(chǎn)生的電弧狀態(tài)，可用于高鐵受電弓和接觸網(wǎng)日常的檢測與維護(hù)，為預(yù)防受電弓和接觸網(wǎng)設(shè)備故障，保障高鐵正常運(yùn)輸秩序，減小不必要的經(jīng)濟(jì)損失提供有利支持。

本發(fā)明提供的一種用于高鐵的雙波段成像放電檢測儀，其改進(jìn)之處在于，所述雙波段成像放電檢測儀包括可見光鏡頭、可見光相機(jī)、紫外鏡頭、濾光片、紫外相機(jī)、處理與控制板和電源板；

所述檢測儀安裝在機(jī)車車頂受電弓后方的位置(設(shè)機(jī)車車頭方向?yàn)榍胺?；

所述匹配可見光鏡頭的可見光相機(jī)獲取機(jī)車運(yùn)行前方受電弓和接觸網(wǎng)的可見光背景圖像后傳給處理與控制板；

所述匹配紫外鏡頭與濾光片的紫外相機(jī)獲取機(jī)車運(yùn)行前方受電弓和接觸網(wǎng)的紫外目標(biāo)圖像后傳給處理與控制板；

所述處理與控制板根據(jù)獲得的圖像進(jìn)行處理，判斷受電弓與接觸網(wǎng)關(guān)鍵部件是否出現(xiàn)局部放電和受電弓與接觸網(wǎng)接觸是否產(chǎn)生電弧，當(dāng)出現(xiàn)局部放電或電弧時(shí)，根據(jù)帶有此信息的視頻圖像進(jìn)行定位，并通過外部設(shè)備顯示；

所述電源板分別為所述可見光相機(jī)和所述紫外相機(jī)供電。

優(yōu)選的，所述處理與控制板包括fpga模塊和壓縮模塊。

較優(yōu)選的，所述雙波段成像放電檢測儀包括保護(hù)裝置，所述保護(hù)裝置包括封裝盒，用于保護(hù)所述紫外相機(jī)和所述可見光相機(jī)；

所述可見光鏡頭和所述紫外鏡頭對應(yīng)的共用窗口在所述封裝盒的一側(cè)面，其窗口材質(zhì)為石英玻璃；

所述檢測儀采用共孔徑分光的方式。

較優(yōu)選的，所述可見光相機(jī)為高速可見光相機(jī)；所述紫外相機(jī)為高速紫外相機(jī)。

較優(yōu)選的，所述關(guān)鍵部件包括絕緣子和導(dǎo)電線。

本發(fā)明提供的一種雙波段成像放電檢測儀的使用方法，其改進(jìn)之處在于，可見光相機(jī)與可見光鏡頭匹配，獲取高鐵機(jī)車運(yùn)行前方接觸網(wǎng)的可見光背景圖像，傳給處理與控制板；紫外相機(jī)與紫外鏡頭和濾光片匹配，獲取所述高鐵機(jī)車運(yùn)行前方接觸網(wǎng)的紫外目標(biāo)圖像，傳給所述處理與控制板；所述處理與控制板將可見光背景圖像和紫外目標(biāo)圖像采用壓縮模塊進(jìn)行壓縮存儲(chǔ)的同時(shí)，進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，判斷受電弓與接觸網(wǎng)關(guān)鍵部件是否出現(xiàn)局部放電和受電弓與接觸網(wǎng)接觸是否產(chǎn)生電弧，當(dāng)出現(xiàn)局部放電或電弧時(shí)，根據(jù)帶有此信息的視頻圖像進(jìn)行定位，并通過外部設(shè)備顯示。

優(yōu)選的，所述處理與控制板實(shí)時(shí)接收所述高鐵機(jī)車內(nèi)的計(jì)算機(jī)發(fā)送的指令，對所述可見光相機(jī)和所述紫外相機(jī)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和調(diào)整。

較優(yōu)選的，所述處理與控制板包括fpga模塊；

所述fpga模塊將所述紫外目標(biāo)圖像進(jìn)行目標(biāo)檢測，判斷當(dāng)前幀圖像中所述受電弓與接觸網(wǎng)關(guān)鍵部件是否出現(xiàn)局部放電和受電弓與接觸網(wǎng)接觸是否產(chǎn)生電弧，當(dāng)出現(xiàn)局部放電或產(chǎn)生電弧時(shí)，則確定局部放電或電弧的初步位置；然后將位置信息用于當(dāng)前幀的所述可見光背景圖像中，所述可見光背景圖像通過兩路圖像同視場、同光軸及各自分辨率大小，計(jì)算出局部放電或電弧在可見光背景圖像中的位置并進(jìn)行標(biāo)記，然后將處理后的圖像輸出給所述外部設(shè)備顯示。

較優(yōu)選的，所述可見光相機(jī)和所述紫外相機(jī)通過所述電源板進(jìn)行穩(wěn)壓。

較優(yōu)選的，所述外部設(shè)備包括高鐵機(jī)車內(nèi)的計(jì)算機(jī)。

較優(yōu)選的，所述關(guān)鍵部件包括絕緣子和導(dǎo)電線。

本發(fā)明的技術(shù)方案中，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)受電弓與接觸網(wǎng)關(guān)鍵部件局部放電情況，實(shí)時(shí)檢測受電弓與接觸網(wǎng)接觸產(chǎn)生的電弧狀態(tài)，可用于高鐵受電弓和接觸網(wǎng)日常的檢測與維護(hù)，為預(yù)防接觸網(wǎng)和受電弓設(shè)備故障，保障高鐵正常運(yùn)輸秩序，減小不必要的經(jīng)濟(jì)損失提供有利支持。

本發(fā)明的技術(shù)方案中，設(shè)計(jì)了專用于高鐵線路放電檢測的紫外相機(jī)，該相機(jī)通過集成紫外像增強(qiáng)器提高了探測的靈敏度，同時(shí)180幀頻速度可以滿足高鐵實(shí)時(shí)檢測的需要；

本發(fā)明的技術(shù)方案中，實(shí)現(xiàn)了由高鐵機(jī)車內(nèi)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)紫外相機(jī)的增益大小，保證了觀測目標(biāo)能夠清晰成像；

本發(fā)明的技術(shù)方案中，提出了用于高鐵線路放電檢測的雙波段圖像處理算法。通過單幀紫外目標(biāo)圖像快速檢測目標(biāo)的有無及初步位置，然后利用高分辨率可見光圖像進(jìn)行精確定位和狀態(tài)判斷，提高了檢測效率和檢測的準(zhǔn)確率。

本發(fā)明的技術(shù)方案中，利用可見光相機(jī)檢測背景圖像，通過雙波段成像技術(shù)，既可以保證紫外信號(hào)的質(zhì)量，又保留了背景圖像的信息；其突出的特點(diǎn)是可以在日光下獲得清晰的紫外光圖像，工作可靠、準(zhǔn)確方便，誤報(bào)率低。該技術(shù)能夠發(fā)現(xiàn)引起放電的設(shè)備缺陷，精確定位放電位置、觀察放電情況，再通過分析來判斷放電對電氣設(shè)備造成的危害。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的雙波段成像檢測儀原理框圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的弱小目標(biāo)檢測方法示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下參照附圖并舉出優(yōu)選實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。然而，需要說明的是，說明書中列出的許多細(xì)節(jié)僅僅是為了使讀者對本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面有一個(gè)透徹的理解，即便沒有這些特定的細(xì)節(jié)也可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的這些方面。

本實(shí)施例提出的一種用于高鐵的雙波段成像放電檢測儀，其框圖如圖1所示，包括可見光鏡頭、可見光相機(jī)、紫外鏡頭、濾光片、紫外相機(jī)、處理與控制板、電源板和保護(hù)裝置；檢測儀安裝在機(jī)車車頂靠近受電弓后方的位置(機(jī)車車頭方向?yàn)榍胺剑茈姽蠓郊淳嚯x受電弓3m之內(nèi))，檢測儀的保護(hù)裝置，本實(shí)施例為封裝盒，可見光鏡頭和所述紫外鏡頭對應(yīng)的共用窗口在所述封裝盒的一側(cè)面，其窗口材質(zhì)為石英玻璃。本實(shí)施例采用共孔徑分光的方式，匹配可見光鏡頭的可見光相機(jī)獲取高鐵機(jī)車運(yùn)行前方受電弓和接觸網(wǎng)的可見光背景圖像后通過cameralink接口傳給處理與控制板；匹配紫外鏡頭與濾光片的紫外相機(jī)獲取高鐵機(jī)車運(yùn)行前方受電弓和接觸網(wǎng)的紫外目標(biāo)圖像后通過cameralink接口傳給處理與控制板；處理與控制板根據(jù)獲得的可見光背景圖像和紫外目標(biāo)圖像進(jìn)行處理，判斷受電弓與接觸網(wǎng)關(guān)鍵部件(包括絕緣子，導(dǎo)電線等)是否出現(xiàn)局部放電和受電弓與接觸網(wǎng)接觸是否產(chǎn)生電弧，當(dāng)出現(xiàn)局部放電或電弧時(shí)，根據(jù)帶有此信息的視頻圖像進(jìn)行定位，并通過外部設(shè)備顯示。同時(shí)，處理與控制板通過rs-485接口可接收高鐵機(jī)車內(nèi)的計(jì)算機(jī)發(fā)送的指令，根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)記錄或停止記錄觀測圖像或?qū)梢姽庀鄼C(jī)和紫外相機(jī)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和調(diào)整，可見光相機(jī)為高速可見光相機(jī)，紫外相機(jī)為高速紫外相機(jī)，參數(shù)調(diào)整包括相機(jī)的增益大小、電子快門大小等，確保圖像清晰。此外，電源板對外部輸入電壓進(jìn)行穩(wěn)壓和轉(zhuǎn)換，以滿足可見光相機(jī)、紫外相機(jī)和處理與控制板的供電需要。

處理與控制板包括fpga模塊和壓縮模塊。本實(shí)施例中，在雙波段成像放電檢測儀啟動(dòng)后，處理與控制板通過fpga模塊產(chǎn)生180幀頻的外同步信號(hào)并分成兩路，一路同步帶外同步接口的可見光相機(jī)，另一路同步帶外同步接口的紫外相機(jī)。當(dāng)fpga模塊接收到兩個(gè)相機(jī)發(fā)送的可見光背景圖像和紫外目標(biāo)圖像后，將圖像一路采用h.264專用壓縮模塊進(jìn)行壓縮并存儲(chǔ)到固態(tài)硬盤，另一路利用fpga模塊對輸入的當(dāng)前幀紫外目標(biāo)圖像進(jìn)行快速目標(biāo)檢測，判斷當(dāng)前幀圖像中受電弓與接觸網(wǎng)關(guān)鍵部件是否出現(xiàn)局部放電和受電弓與接觸網(wǎng)接觸是否產(chǎn)生電弧，當(dāng)出現(xiàn)局部放電或產(chǎn)生電弧時(shí)，則確定局部放電或電弧的初步位置；然后將位置信息用于當(dāng)前幀的可見光背景圖像中，可見光背景圖像通過兩路圖像同視場、同光軸及各自分辨率大小，計(jì)算出局部放電或電弧在可見光背景圖像中的位置并進(jìn)行標(biāo)記，然后將處理后的圖像輸出給高鐵機(jī)車內(nèi)計(jì)算機(jī)，進(jìn)行顯示。

具體的，fpga模塊的紫外目標(biāo)圖像的處理采用改進(jìn)的弱小目標(biāo)檢測方法對圖像中存在的受電弓與接觸網(wǎng)局部放電以及受電弓與接觸網(wǎng)接觸產(chǎn)生的電弧進(jìn)行檢測告警。其弱小目標(biāo)檢測方法的示意圖如圖2所示，具體如下：

圖像濾波：利用圖像濾波抑制背景，能夠顯著提高目標(biāo)的信噪比，使其易于提取。本實(shí)施例根據(jù)空域?yàn)V波的原理，算法采用最值濾波器，估計(jì)出圖像背景，進(jìn)而進(jìn)行背景對消，得到接觸網(wǎng)的目標(biāo)前景。

目標(biāo)分割：圖像分割采用改進(jìn)的最大類間方差自動(dòng)門限法，最大類間方差法原理如下：設(shè)圖像灰度范圍為{1,2,…,l}，n為圖像像素總數(shù)，ni為灰度為i的像素個(gè)數(shù)，則有概率分布pi＝ni/n。選擇門限k將其劃分為c0和c1兩類，其中c0為{1,2,…,k}，c1為{k+1,k+2,…,l}，由模式識(shí)別理論，兩類的類間方差和總體方差分別為：

式中最大化的過程就是自動(dòng)確定門限t的過程，即最佳門限為：

針對紫外放電圖像，由于目標(biāo)總比背景亮，c2類為目標(biāo)。根據(jù)圖像分割門限，灰度值大于門限值的象素保留其灰度值，其余的象素灰度值置為零。

區(qū)域標(biāo)記：分割后的圖像中，目標(biāo)圖像由各行中的目標(biāo)段(目標(biāo)行程)組成，連通的目標(biāo)段同屬于一個(gè)目標(biāo)，各段長度的總和即目標(biāo)的面積，各段的起終點(diǎn)坐標(biāo)可用來計(jì)算目標(biāo)位置和形狀特征。

置信度累計(jì)：將第一場標(biāo)記出的各區(qū)域中選取對比度最大的作為潛在目標(biāo)，在以后連續(xù)每場中特征參數(shù)與之最相近的區(qū)域都作為潛在目標(biāo)予以記錄，主要比對位置、尺寸等參數(shù)的相關(guān)性以確認(rèn)目標(biāo)，置信度累計(jì)滿5場時(shí)，則確認(rèn)潛在目標(biāo)為實(shí)際目標(biāo)。

本實(shí)施例帶可見光鏡頭的可見光相機(jī)獲取觀察區(qū)域(典型工作距離為30m)的可見光背景圖像時(shí)，可見光鏡頭視場為10°(水平)×7.5°(垂直)?？梢姽庀鄼C(jī)選用帶有外同步功能的彩色可見光相機(jī)，輸出接口為cameralink接口，圖像分辨率為2048×2048，幀頻為180。

本實(shí)施例帶紫外鏡頭和濾光片的紫外相機(jī)獲取觀察區(qū)域(典型工作距離為30m)的紫外目標(biāo)圖像時(shí)，紫外鏡頭視場為10°(水平)×7.5°(垂直)。紫外相機(jī)為集成有紫外像增強(qiáng)器的cmos相機(jī)，該相機(jī)帶有外同步功能，輸出接口為cameralink接口，輸出圖像為黑白圖像，光譜響應(yīng)范圍200nm～340nm，圖像分辨率為1024×1024，幀頻為180。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。