无人机红外影像技术在配电网巡检中的应用研究

2017-03-24张磊

中国高新技术企业 2017年1期

摘要：为了适应不断增长的用电需求，近年来我国在电网建设方面的投资力度逐年加大，基本实现了电网全覆盖，为保障企业正常生产和地区经济发展提供了动力支持，但是相应的电网巡检技术却没有同步跟进。文章对无人机红外影像技术在配电网巡检中的应用进行了研究。

关键词：无人机；红外影像技术；配电网；巡检技术；用电需求；电网建设文献标识码：A

中图分类号：TM75 文章编号：1009-2374（2017）01-0047-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.01.023

无人机具有机动性强、可控性高、飞行速度快等特点，在无人机上搭载红外影像设备，能够在短时间内对区域性的配电网进行全方位的巡检，对于及时发现配电网中的安全隐患、确定电网故障问题都有极大的帮助作用。目前，无人机红外影像技术在配电网巡检应用中初步取得成效。文章首先指出了无人机红外影像巡检系统的结构组成，随后对飞行动态状态下的红外影像优化进行了简单分析，并在此基础上概述了该系统的软件设计，最后结合红外影像的信息采集和特点分析，对整个系统的运作流程进行了总结。

1 无人机红外影像巡检系统的组成

电力系统的输电线路大多分布于野外，给维修和管理工作的开展带来了极大的不便。借助于无人机搭载红外影像技术，可以代替传统的人工巡检，既提高了配电网的巡检效率，又减轻了维护人员的工作压力。由于配电网所处的环境复杂，加上分布面积较广，因此对无人机的作业性能提出了较高的要求，例如要保证较强的续航能力、成像分辨率高、人为操控性好等。为了满足上述多方面的需求，需要给无人机安装相应功能的系统结构。总体来看，无人机搭载红外影像巡检系统主要由以下功能模块组成。

1.1 多源数据采集系统

多源数据采集系统主要包括激光器、可见光检测仪、红外热像仪、GPS、惯性测量单元等模块构成。其中，无人机在巡检过程中，根据人为控制，利用可见光相机、红外热像仪等设备，采集相应区域或特定目标的空間信息。传感器将这些信息发送到无人机搭载的信息处理平台上，结合单片机完成数据的融合、处理和分析。最后将不同时间段采集到的信息，以GPS时间作为时间基准，综合POS数据、红外影像、紫外视频、流数据、点云数据等多个数据类型，完成空间基准的统一。

1.2 安全巡检及智能诊断

1.2.1 基于激光扫描的电力线路安全诊断。从大量无序的激光点云数据中提取电力线矢量数据，并将其用于线路安全距离的检测，是三维激光扫描用于电力巡检的关键技术。基于激光扫描技术的电力线路安全诊断，主要完成电力线激光点云的自动提取，生成精准的电力线矢量模型进行安全距离诊断，对超限地物进行安全预警。

1.2.2 基于可见光及红、紫外的线路安全诊断。受技术条件的影响，早期无人机的续航时间、搭载能力都相对有限，因此数据采集设备的功能也受到了一定程度的制约。近年来，随着相关方面技术的发展，无人机巡检作业的功能日趋多样化，满足了人们多方面的数据勘测需求。针对无人机巡检复杂背景这一特性，对采集到的红外、紫外、可见光数据的诊断方法展开了一系列的研究。对于红外热成像视频数据，提出了一种基于运动估计的帧间差分方法，消除背景热源对设备热点的干扰，实现在无人机复杂背景下的电力设备热点自动检测。对于紫外放电视频数据，提出了一种基于光斑聚类方法的高放电概率区域自动提取方法，实现设备异常放电点检测。

1.3 红外热像仪

红外热像仪是一种二维热图像成像装置。它能够接受波长在[0.5，800]μm的电磁辐射，并且借助于内部的电子元件，实现光-电转换，最后将电信号在显示器上显示出来。红外热像仪从出现至今已经有近200年的历史，现阶段市场上的红外热像仪种类也比较丰富，在选择具体的类型时要综合考虑红外热像仪的功能、适用范围、自身重量等因素。

1.3.1 红外热像仪的组成。虽然红外热像仪的种类较多，但是其主要的系统组成却并无明显差异。总体来说，红外热像仪的系统结构主要分为五大部分：

第一部分是红外光学系统。主要功能是提高灵敏面上的照度，增加仪器对外界光线的感知度，增强系统探测能力。理论上来说，红外光学系统应当满足以下三个条件：一是系统结构要尽量精简，这是由无人机搭载重量的有限性决定的；二是要能够适应复杂的气象变化和振动条件，这是由无人机巡检拍摄的环境决定的；三是要具备确定的视场角，保证光学性能的稳定，以便于无人机红外影像的画面清晰。

第二部分是光机扫描器。主要作用是对目标单位进行连续性、完整性的拍摄，并根据红外热像仪与拍摄目标之间的距离变化，及时调整瞬时视场，使红外图像能够聚集在探测器上，确保拍摄画面的稳定性和连贯性。

第三部分是红外探测器。它是红外热像仪的主要组成结构，主要负责对各个部分所收集到的影像信息进行扫描和处理，并协助完成视场内图像的扫描和取样。将光线波长信息转化为电信号，并存储在集成数据库中。

第四部分是制冷机。考虑到红外探测设备在工作期间，会产生较大的热噪声，影响红外影像的清晰度。因此需要在红外成像仪上配备制冷机，用来延长工作波段，屏蔽噪声。

第五部分是图像输出装置。主要功能是提供可视化的图像信息，为技术人员各方面工作的开展提供必要的参考依据。

1.3.2 红外热像仪的工作原理。无人机搭载红外影像设备进行配电网巡检时，红外光学系统首先将巡检目标所反射的红外辐射收集起来，随后通过光谱滤波转换，将辐射信号转化为光信号，并投射到探测器的光敏面上。此时，光机扫面器通过电视光栅形式将光信号转换为电信号。这部分电信号经过识别后，红外探测器再进行处理，并在显示器上同步显示出热图像。

2 飞行动态状态下红外影像优化

自然界中不断产生红外辐射，这主要是由于物体内部分子在发生热运动，其表面的温度明显高于0℃，利用红外采集设备可以针对目标能量与温度的关系展开能量分析，利用温度值来表示捕捉到的能量，利用光机系统可以得到基于内量矢量的影像分布信息，最终形成基于目标的红外图像。

在当前电网经常应用的设备中，很多设备故障都会由运行中温度异常情况来表现，从客观上来说利用这种方法可以直接反映出设备的故障状态，这些设备发生故障的过程中也会产生大量的热量损耗。

在电力设备出现故障之前，其关键部位往往会出现温度上的变化，因此应该对电力设备表面的故障信息进行及时检测，在此基础上对故障类型进行确认。同时还要结合红外信息对故障进行分析，利用设备红外特征的变化收集设备故障信息。通常情况下不同设备的表面温度是不同的，但是多数都会呈现出均匀的热分布，而存在故障的设备则会出现集中升温的现象，同时设备红外辐射也会呈现出不均匀的现象，这种情况下利用红外成像仪可以将其辐射变化转变成有矢量像素的热感图像，然后对这种热图描述的热特征进行分析，就可以对设备缺陷类型进行合理判断。

3 红外影像的采集与分析

不同类型的红外热像仪，其适用领域、测温范围、成像性能等方面都会存在差异，本文以德国InfraTec公司生产的Mac-3000型红外热像仪为例，对该仪器的红外影像信息采集和特点分析进行整体概述。

3.1 红外影像的信息采集

Mac-3000型红外热像仪的光学镜片是由两组半导体薄片交替组成的凸透镜结构，并且透镜表面带有突变，形成势阱和势垒。在红外热像仪工作时，视场内的目标景物会将图像信息映射到FPA（焦平面阵列）上，FPA上密布大量的探测元，并且这些探测元与图像信息存在一一对应关系。与此同时，红外探测器感知目标景物的热辐射信息，并经过系统内部转化，将热辐射信息最终转化为电信号。FPA识别电信号后，将这些信号进行分解，并在探测元上进行一维排列。这些经过处理后的电信号，就会在显示器上生成热图像，即红外图像。

3.2 红外影像的特点分析

红外影像能够直观地反映出巡检对象不可见的红外线辐射的空间分布，并且通过分析巡检对象的温度变化和波长发射率，从而直观的看出配电网是否存在故障隐患。总体来说，利用无人机搭载红外影像设备，所形成的红外影像具有以下特点：首先，大气、云烟都可以吸收可见光和近红外线，因此如果在配电网巡检中使用普通摄像仪，所呈现出的图像不够清晰。而红外热像仪则能够无视大气、云烟的影响，清晰的观察巡检目标，保证了图像的清晰度；其次，配电网中电气设备、线路对外热辐射能量的大小，与自身的温度有关。利用红外热像仪，能够对待测目标进行无接触的温度测量。这也是红外影像技术在无人机巡检中得以应用的关键所在。

4 结语

配电网的安全和稳定运行对于保证企业生产和人们生活的正常开展有着至关重要的作用，加强配电网的巡检工作，及时发现配电网可能存在的隐患，能够有效避免事故的发生。无人机红外影像技术能够快速、高效、精确地对特定目标进行拍摄，从而给电网管理人员提供了丰富、详实的电网资料，为后期维修和养护工作的开展提供了支持。因此，必须要结合实际工作需要，不断进行技术优化，以确保无人机红外影像技术在配电网巡检中发挥更大的作用。

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