一种基于光谱成像技术的变电站巡检设备的制作方法

本发明涉及变电站巡检设备技术领域，尤其涉及一种基于光谱成像技术的变电站巡检设备。

背景技术：

电力设备在不正常工作时，会产生发热、电弧等现象，不同程度的损害程度电气设备。随着紫外电力检测技术的快速发展，单一的检测手段无法提供从故障早期预警到晚期发现的完整、准确的检测结果。集成紫外、热红外和可见光多种视频检测技术相结合的方式能大大提高故障检出率、降低故障误检率。因此，开展相关的研究工作具有重要的实际意义。

目前，变电站检测手段主要有红外检测、紫外检测、可见检测等，但三种检测设备相对独立，组合设计时，方案复杂，成本高，研发周期长，融合处理算法难度较大，研发生产成本高、周期长。

光谱相机能够获取多种光谱的颜色信息，已广泛用于农业、环境、安全、科学观测等诸多领域，然而，多光谱数据因其自身包含数据量大，设计复杂，成像曝光时间长，限于静态检测等局限，很少在电力巡检工作中使用。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，针对目前传统光谱仪成像时间长、无法拍摄动态场景的问题，提供了一种基于光谱成像技术的变电站巡检设备，通过将光谱成像技术应用于变电站巡检工作中，将传统光谱相机设计进行优化，配合后端光谱分析算法，可实时获取电气设备的图像信息和光谱信息，完成变电站巡检工作。与传统光学检测手段相比，克服了传统光谱仪成像时间长、无法拍摄动态场景等弊端，实现高空间分辨率、高光谱分辨率的光谱视频采集需求。在运算方面，一方面充分利用硬件优化重建，另一方面不断优化算法性能，双管齐下，保证数据得到实时处理。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于光谱成像技术的变电站巡检设备，包括壳体1，其特征在于：

所述壳体1内部从一端到另一端依次设置有光学采集系统3、分光棱镜系统5、成像系统2和控制箱7，且其上靠近光学采集系统3的一端留设有采集窗口4；

所述成像系统2与控制箱7相连接，控制箱7内部设置有信号采集模块、信号处理模块、信号输出模块和其他模块，其中信号采集模块分别与成像系统2和信号处理模块相连接，信号处理模块分别与其他模块和信号输出模块相连接，信号输出模块与成像系统2相连接，所述其他模块主要包括供电模块、网络模块和告警模块。

所述光学采集系统3采用视场设计为30°的石英窗口玻璃。

所述分光棱镜系统5由三个三棱镜结构组成而成。

所述成像系统2主要由多套胶片和支撑板组成，支撑板通过底部的导轨和两侧边的抓手6活动固定在壳体1上。

本发明的有益效果：本发明与传统多通道检测设备相比，可同时采集图像信息和光谱信息，可以为后期电气设备的故障研究提供大量的实验依据，并且根据图谱信息，可以进行故障细节状态分析，比如通过分析电晕、电弧的紫外光谱，来分析故障的严重程度，采集速度更快、采集面积更大，同时设备结构简单、成本低、可靠性强，具有便携性、易用性和实时性，另外本发明利用分光棱镜系统，将探测的光信号分解，将可见光、红外、紫外三种检测手段有机结合起来，优势互补，解决现在监测的技术单一问题，实现单设备多谱段、高光谱监测，此外本发明将光谱成像技术进行设计优化，使用分光棱镜与单成像芯片进行设计、设备简单，易于实现。

附图说明

图1是本发明实施例的内部结构示意图。

图2是本发明实施例的内部结构俯视图。

图3是本发明实施例的外部结构示意图。

图4是本发明实施例的电路部分工作原理框图。

图5是本发明实施例检测电晕放电光紫外光谱信息示意图。

附图序号及名称：壳体1、成像系统2、光学采集系统3、采集窗口4、分光棱镜系统5、抓手6、控制箱7。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1-4所示，本发明所述的一种基于光谱成像技术的变电站巡检设备，包括壳体1，所述壳体1内部从一端到另一端依次设置有光学采集系统3、分光棱镜系统5、成像系统2和控制箱7，且其上靠近光学采集系统3的一端留设有采集窗口4；

所述成像系统2与控制箱7相连接，控制箱7内部设置有信号采集模块、信号处理模块、信号输出模块和其他模块，其中信号采集模块分别与成像系统2和信号处理模块相连接，信号处理模块分别与其他模块和信号输出模块相连接，信号输出模块与成像系统2相连接，所述其他模块主要包括供电模块、网络模块和告警模块。

所述光学采集系统3采用视场设计为30°的石英窗口玻璃，在保障视场的同时，能够有效减少后端图像畸变。

所述分光棱镜系统5由三个三棱镜结构组成而成，确保了光线可以完全分解，同时缩短光程，进而能够有效减少整个设备的体积。

所述成像系统2主要由多套胶片和支撑板组成，支撑板通过底部的导轨和两侧边的抓手6活动固定在壳体1上，成像系统2利用控制箱7将分光棱镜系统5分解的光信号依靠信号采集模块进行采集，并通过信号处理模块对信号进行分类，分为紫外信号、可见信号和红外信号，然后进行滤波、放大、降噪等处理，获取三个波段的图像信息和光谱信息，然后通过信号输出模块将获取的三个波段的图像信息和光谱信息输出到成像系统2中的胶片上；同时支撑板2能够两侧边的抓手6在其底部的导轨上进行移动，进而能够有效的调整成像的位置和清晰度。

所述控制箱7中的信号采集模块包括一个成像芯片和其组件，用于采集故障信息，该成像芯片的影响波段为200-1400nm，涵盖紫外到红外，该成像芯片一次曝光可以采集多张不同图谱的图像，信号处理模块着重分析紫外200-280nm和红外800-1400nm之间光谱，绘制紫外、红外及可见光的光谱图片和光谱信息；如图5为分析所检测的紫外光谱信息。

所述控制箱7中的信号处理模块首先对信号进行分析，利用成像芯片一次可以获取不同波段的多组图像，信号处理模块根据变电站使用场景，对信号进行分类，分为紫外信号、可见信号和红外信号，然后进行滤波、放大、降噪等处理，获取三个波段的图像信息和光谱信息，其中紫外信号放大倍数较大。

所述控制箱7中的信号输出模块可以同时输出多组图像信息和光谱信息，根据变电应场景，设备选择输出三组信息，分别为紫外信息、红外信息和可见信息，并将其记录在胶片上。

所述采集窗口4采用环形结构，能够有效的保证光线进入。

所述其他模块主要包括供电模块、网络模块和告警模块，其中供电模块可以保证整个设备有稳定的工作环境，由于系统只有一个成像设备，整套设备功耗低，续航能力强；网络模块可以直接将采集的信号传入网络，进行实时监控；告警模块的合理使用，在紫外或红外采集到某个波段的信号，系统可以发出告警，提醒巡检人员前往处理。

所述控制箱7中的信号处理模块主要采用光谱分析算法，分光棱镜系统5将采集的光信号进行分解，成像芯片可以同时得到不同波段的图像信息，同时进行采集与分析，数据大，后端处理复杂，设备通过图像图谱分析方法在后端选择200-280nm的日盲紫外信号、800-1400nm的红外信号和可见信号分别处理。

所述壳体1采用共光路设计原则，因此结构设计简单，加工精度要求低，整套设备体积小、重量轻，便于推广。

在本发明中，先利用一个光学采集系统3对目标进行探测采集，通过分光棱镜系统5将采集的光分解，再通过后端成像系统2，通过光谱分析算法得到不同的光谱图片和光谱信息，最后将信号通过网络模块进行展现，巡检人员通过检测到的信息进行故障判断，本发明进行一次曝光，即可获取多组图像，根据应用场景，可着重分析处理紫外、红外和可见三个图像信号；

在信号采集方面，本发明利用一路光学采集系统3，对目标探测采集，光线通过采集窗口4进入系统，后通过分光棱镜系统5分解，到达成像系统2成像，与三通道或多通道检测设备相比，本发明使用一路光学系统和单个成像芯片，图像自然重合，无需后期复杂的光路叠加设计和图像重合校正，省去了后端的多成像设备或滤光装置，进一步的，本发明可采用广角镜头设计，视场大、捕捉范围广，能够兼顾大部分场景；

在信号处理方面，本发明克服了传统光谱仪成像时间长、无法拍摄动态场景等弊端，实现高空间分辨率、高光谱分辨率的光谱视频采集需求；在运算方面，本发明一方面充分利用硬件优化重建，另一方面不断优化算法性能，双管齐下，保证数据得到实时处理。

本发明光谱分析算法：传统光谱仪大多采用空间扫描或者时序滤波的策略，以时间换取光谱信息，成像时间冗长，只能用于观测静态样本，并且需要采用特制机械扫描装置，设备体积庞大、稳定性差，本信用新型在成像芯片成像时，分光棱镜系统5将光信号进行分解后，后端成像芯片可探测到不同波段的图像信息和光谱信息，大量的信息不利于信号的传输，成像芯片通过筛选每种信号波长对应的色彩信息进行，选择变电站日盲紫外波段、红外波段和可见波段信号，进行成像和光谱分析，保证了数据的实时处理。

本发明利用分光棱镜系统5将光线进行分解，后端成像芯片通过光谱分析算法、根据变电站应用场景，选择日盲紫外波段200-280nm、红外波段800-1400nm和可见波段400-700nm的信号进行成像和光谱分析，与现有的技术相比，本发明具有以下优点：

①本发明利用分光棱镜系统5，可实时成像，动态观测，无需冗长的曝光时间；

②本发明后端成像芯片通过光谱分析算法，只形成三组图像光谱信息：日盲紫外信息、红外信息和可见信息，避免后端产生大量的图像数据；

③本发明与传统多通道检测设备相比，可同时采集图像信息和光谱信息，可以为后期电气设备的故障研究提供大量的实验依据；光谱相机可以智能识别故障材质、表面异物、设备溢油等情况。此外，根据光谱图片和光谱信息，可以进行故障细节状态分析，比如通过分析电晕、电弧的紫外光谱，来分析故障的严重程度等。

④本发明的设计只有一路光学系统，一个成像芯片，利用分光棱镜系统5，无需多个成像设备、无需多组滤光器件，光谱图片和光谱信息根据波长分别成像，无需后端复杂精确的光路叠加设计与处理图像叠加运算处理，设计原理简单，技术门槛低，可进行小型化、低功耗设计。

⑤本发明与传统检测手段相比，一方面可以获取光谱信息，一方面可以获取图像信息：图像信息可以直观的将可见光、红外、紫外三种检测手段有机结合起来，优势互补，解决现在监测的技术单一问题，实现全波段实时监测；光谱信息，根据变电站使用场景，可以选择日盲紫外、红外可可见图谱，对大量电气设备故障的光谱信息的采集，可为后期故障研究提供大量实验依据。此外，本发明还可以实时获取图像信息和光谱信息，通过阈值的设置，可以进行告警设置，便于巡检人员及时处理故障；采集的信号也可以实时传入网络。

⑥本发明与传统多光谱相机相比，设计轻便，本发明成像芯片仅使用单个成像芯片，设计简单小巧，重量轻，对设备稳定性要求低，便捷、小巧、易用，更加适合机载、车载等高速运行的环境，适用于室外大面积快速作业环境。

⑦本发明中成像系统2能够通过抓手6和导轨进行前后移动，进而便于调节成像图片的清晰度，提高了适用性。

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

本发明未详尽描述的技术均为公知技术。