基于非线性时变参数的红外校验评估技术研究

董 斌，刘艳梅，宋进良，韩洪刚 ，任 川

(1.国网辽宁省电力有限公司检修公司，辽宁 沈阳 110006；2.国网辽宁省电力有限公司物资公司，辽宁 沈阳 110003；3.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006；4.辽宁东科电力有限公司，辽宁 沈阳 110179)

基于非线性时变参数的红外校验评估技术研究

董 斌1，刘艳梅2，宋进良3，韩洪刚3，任 川4

(1.国网辽宁省电力有限公司检修公司，辽宁 沈阳110006；2.国网辽宁省电力有限公司物资公司，辽宁 沈阳110003；3.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳110006；4.辽宁东科电力有限公司，辽宁 沈阳110179)

红外成像技术的广泛应用是实现电网状态检修的关键环节之一，对红外成像设备的性能评估可为电网安全、稳定运行提供重要保障。为了提高红外成像评估能力，针对传统红外成像设备校验评估方法中存在的各类问题，基于准确度、狭缝函数、最小可分辨温差(MRTD)、最小可探测温差(MDTD)和噪声等效温差(NETD)等参数，建立了基于非线性独立分量分析(ICA)时变参数的红外成像评估系统数据库。以数字接口的衔接实现红外成像设备的自动化检测与评估，提高了红外设备应用的准确性，解决了电网红外成像设备全性能评估的技术问题。试验结果表明，相较于传统方法，基于时变参数的红外成像校验评估技术的正确率、鲁棒性均更优，具有更广阔的应用前景，可为电网状态检修的准确性和安全性提供数据保障。

能源电力； 红外成像技术； 传递函数； 测量； 温度； 误差

0 引言

近年来,随着红外成像技术的不断发展，红外设备在电网状态检修领域的应用越来越广泛,出现了多种红外成像系统性能评估方法。红外成像设备的性能评估对象涵盖调制传递函数(modulationtransferfunction，MTF)和最小可分辨温差(minimumresolvabletemperaturedifference,MRTD)等诸多参数特性，但现有对红外成像设备性能参数的客观测量方法缺少对多变参数影响因素的考虑[1]。

国内外对红外评估系统整体参数综合测试的研究还比较少，缺少智能化的故障判别方法。目前，电网的红外成像设备评估技术主要以手动检测为主，对红外成像设备多参数全性能评估系统的研究存在不足，因而无法确保红外成像设备时变参数的准确、可靠。按照智能电网建设需要和国内外标准规程最新要求，红外成像设备需要对MRTD和最小可探测温差 (minimumdetectabletemperaturedifference,MDTD)等多个技术参数进行评估分析，以保证电网状态检修的准确性。由于现已应用的红外成像设备数量较多，分布较广，而且数字接口不统一，难以实现自动化全性能评估[2]。

基于时变参数的评估技术将以多参数变量为基础，建立红外成像评估系统数据库，以数字接口的衔接实现红外成像设备的自动化检测与评估，解决电网红外成像设备全性能评估的技术问题，保障电网状态检修的准确性。

1 评估系统算法分析

1.1独立分量分析算法

系统采用独立分量分析(indepandentcomponentanalysis,ICA)技术进行红外系统的信号识别与优化分析。独立分量分析流程如图1所示。

图1 独立分量分析流程图

为优化系统，在某一参量独立性判据下通过算法应用计算近似数据。

①球化。

对W进行线性变换，使Z(t)的各分量方差值为1，且不相关。

②正交变换。

使yi的方差值保持为1，且各分量相互独立[3]。

③判据。

(1)

式中：p(yi)和p(y)为未知参量。

对其进行概率预估计，则统计独立性I(y)可以描述为：

(2)

当式(2)中y的各个分量相互独立时，I(y)=0可以作为相互信息极小化的判据。确定B，根据y=Bx求y，从而实现I(y) 极小化[4]。

由此，可得到模型的预估结论：

H(y)=H(x)+lg|B|

(3)

(4)

1.2调制传递函数

MTF是对系统进行全性能评估的重要参数之一，通过将光场分布函数转变成傅里叶级数的形式来体现。基于线性滤波理论，通常二维物体g(u,v)可以分解成沿u方向和v方向的不同空间频率(gu，gv)简谐函数的线性叠加[5]：

exp[2πi(vxx+yyy)]dvxdvy

(5)

1.3信号传递函数

信号传递函数(signal-transferfunction,SITF)是对系统进行评估的重要参数之一。假设输入信号为标靶与其周围环境之间的温度差值、输出信号为系统最终电压值[6]，信号传递函数如图2所示。

图2 信号传递函数示意图

SITF的推算过程如式(6)所示：

(6)

式中:G为系统的增益系数；R(λ)为对波长λ的响应度；Ad为探测器面积；F为基数；∂Me(λ，TB)/∂T为辐射泰勒级数的简化式；Tsys(λ)为系统的光学传递函数[7]。采用最小二乘法对最佳估计值进行拟合，推导出信号传递函数，如式(7)所示。

(7)

存在于响应度函数中的偏置，可表示为式(8)。

(8)

式中：

(9)

(10)

1.4噪声等效温差

红外系统的温度分辨能力可以采用噪声等效温差(noiseequivalenttemperaturedifference,NETD)来判断、分析[8]。NETD既反映了系统的热灵敏度特性，又体现了系统的分辨能力。为保证测量精度，通常在标靶和环境具有较大温差的情况下，使信号电压Vs数倍于噪声电压Vn，累计背景温度与目标温度差值ΔT[9]，然后可以按式(11)计算：

(11)

1.5最小可分辨温差

对红外热成像系统的评估过程中，MRTD是综合评价系统温度和空间分辨能力的主要参数之一。四栅格标靶可以精准地测出MRTD相关数据。MRTD可以反映红外热像仪的温度灵敏度，也可以体现其空间分辨率，还包括了观察者的主观影响[10]。在试验中，采用四栅格标靶进行多次测量，确定标靶的空间频率[11]。

2 测试原理分析

系统测试原理如图3所示。

图3 系统测试原理图

控制系统采用ASP.NET技术，以通信网络为控制平台，链接通信接口对高温黑体和低温黑体进行控制与数据采集。

高温黑体控制系统采用MTB3和TAM2，通过平行光管与红外设备进行连接，将采集的数据进行比对、分析；对狭缝函数、NETD和热灵敏度进行实时监控与调整。低温黑体控制系统采用TCB和SUB-T，通过平行光管与红外设备进行连接，并将整个运算、分析过程存储于系统数据库中[12]。

试验系统的红外设备采用FPGA和DDS结合的模式，高温黑体与低温黑体采用稳压输出技术，经传感器转换后输出的温度值为恒定标准值。在测试过程中，将对准确度、狭缝函数、NETD和MRTD进行准确的测量与存储[13]。

3 评估试验

为测试红外成像评估系统的有效性和优越性，针对红外设备的准确度、狭缝函数、NETD和MRTD进行评估试验分析。评估试验结果如图4所示。

图4 评估试验结果图

3.1准确度的测量

准确度测量步骤如下。

①对高温黑体和低温黑体进行温度调节，测量出标准目标及其与周围环境之间的电压差。

②系统自动计算所有采集数据，并采用最小二乘法对线性部分拟合[14]。

③对记录的传递函数和环境温度进行比对、分析。

准确度测量数据与测量误差如图4(a)所示。

3.2狭缝函数的测量

为了提高测量温度的精度,需要测量和分析检测系统中狭缝函数对测量结果的影响,确定狭缝函数的具体形式。狭缝函数与测量角度如图4(b)所示。

3.3NETD和MRTD的测试

NETD是热成像系统灵敏度的客观评价指标，可用于预测小温差点目标的探测距离，从而实现技术指标向战术指标的转化。NRTD的采样形式由计算机控制系统通过数据采集卡采集，取多次试验平均值，验证在相关环境下的一致性[15]。

MRTD的测量结果主要反映了系统的热灵敏度特性，也体现了系统的空间分辨力。MRTD是针孔标靶与均匀背景之间的温差的函数，测试结果如图4(c)所示。

4 结束语

针对红外成像设备校验工作中的各类问题，提出了一种全新的基于非线性时变参数的红外校验评估方法。系统控制结构采用FPGA和DDS技术,提高了系统运行的稳定性,增强了成像的清晰度。该试验方法采用自动优化识别技术，缩短了系统的响应时间；采用多项参数试验测试算法，验证了系统的全性能，解决了现场红外成像设备时变参数无法进行全性能检验与评估的技术问题。试验结果表明，基于时变参数的红外成像校验方法不仅提高了红外成像的准确性，具有较强的鲁棒性，而且克服了传统方法对图像细节难以分割的缺点，实现了MRTD、MDTD和狭缝函数等诸多时变参数的全性能自动化检测与评估。该方法在电网的状态检修工作中可以发挥重要的作用，有着广阔的应用前景。

[1]DAISX,CHENHG,LIMZ.Chalcogenideglassesandtheirinfraredopticalapplications[J].InfraredandLaserEngineering,2012,41(1):847-852．

[2]FURLONGMJ,MARTINEZR,AMIRHAGHIS,etal.Multiwaferproductionofepitaxy-ready4"GaSb:Substrateperformanceassessmentspre-andpost-epitaxialgrowth[C]//SPIEProceeding,2013.

[3] 邹辉,黄福珍.基于改进Fast-Match算法的电力设备红外图像多目标定位[J].中国电机工程学报,2017,37(2):591-598.

[4] 何苗忠,王丰华,钱国超,等.基于.NET框架的变压器振动噪声综合分析系统设计与开发[J].电力系统自动化,2017,41(1):150-154.

[5]FANJX,YANGJY.Developmenttrendsofinfraredimagingdetectingtechnology[J]．InfraredandLaserEngineering，2012，41:3145-3153．

[6] 王淼,常乃超,刘金波,等.状态估计多指标综合评价方法[J].电力系统自动化,2015,39(1):94-98.

[7]TERTERIANS，NOSHOB，SHARIFIH，etal．FabricationandperformanceofInAs/GaSb-basedsuperlatticeLWIRdetectors[C]//ProceedingsoftheSPIE，2010．

[8] 曾戈虹,史衍丽,庄继胜.Ⅱ类超晶格红外探测器的机理、现状与前景[J].红外技术，2011，33(6):311-314．

[9] 崔恒丰,周国华,陈兴.伪连续导电模式Buck变换器的动态参考电流控制策略[J].电工技术学报,2017,32(2):246-254.

[10]杨词银， 张建萍， 曹立华.地基空间目标红外辐射特性测量技术[J].仪器仪表学报，2013，34(2):304-310．

[11]OERKEEC，STEINERUS，DEHNEHW，etal．Thermalimagingofcucumberleavesaffectedbydownymildewandenvironmentalconditions[J]．JournalofExperimentalBotany，2006，57(9):2121-2132．

[12]ASPLUNDC,WURTEMBERGRM,LANTZD,etal.Performanceofmid-waveT2SLdetectorswithheterojunctionbarriers[J].InfraredPhysTechnol,2013,59(2):22-27.

[13]张亚军,柴天佑,杨杰.一类非线性离散时间动态系统的交替辨识算法及应用[J].自动化学报,2017,43(1):101-113.

[14]JOYLK，WILLIAMV，EVASM，etal.Characterizationandperformanceofanear-infrared2-deoxyglucoseopticalimagingagentformousecancermodels[J]．AnalyticalBiochemistry，2009,384(2):254-262．

[15]张琛,蔡旭,李征.具有自主电网同步与弱网稳定运行能力的双馈风电机组控制方法[J].中国电机工程学报,2017,37(2):476-485.

ResearchontheInfraredCalibrationEvaluationTechnology
BasedonNonlinearTimeVaryingParameters

DONG Bin1,LIU Yanmei2,SONG Jinliang3,HAN Honggang3,REN Chuan4

(1.STATE GRID Electric Maintenance Company,Shenyang110006,China;2.STATE GRID Electric Power Material Company,Shenyang110003,China;3.STATE GRID Electric Power Research Institute,Shenyang110006,China;4.Liaoning DONGKE Electric Power Co.,Ltd.,Shenyang110179,China)

The wide application of infrared imaging technology is one of the key links to realize the condition based maintenance of the power system.The performance evaluation of the infrared imaging equipment can provide important guarantee for the safe and stable operation of the power grid.In order to improve the evaluation capability of infrared imaging,aiming at various problems of traditional evaluation method of infrared imaging equipment,and based on the accuracy,slit function,minimum resolution temperature difference(MRTD),minimum detectable temperature difference(MDTD) and noise equivalent temperature difference (NETD) and other parameters,the database of infrared imaging evaluation system based on nonlinear independent component analysis (ICA) time varying parameters is established.Automatic detection and evaluation are implemented by the link up of digital interfaces,to improve the precision of application of infrared equipment,and to solve the technical measure of overall performance evaluation of infrared imaging equipment for power grid.The experimental results show that compared with the traditional method,infrared imaging calibration and evaluation technology based on time-varying parameters features better robustness and accuracy,so it has wider application prospect,and can guarantee the data accuracy and safety for state maintenance of power grid.

Energy power； Infrared imaging technology； Transfer Function； Measuring； Temperature； Error

TH-39;TP27

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201710024

修改稿收到日期:201-03-23

董斌(1960—)，男，硕士，高级工程师，主要从事高电压技术的研究与管理。E-mail15318257@qq.com。

宋进良(通信作者)，男，硕士，高级工程师，主要从事高电压技术的研究。E-mail:SJL2241@163.com。