基于线扫描成像的架空电线振动频率测量系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于输电线路测量与维护技术领域，具体涉及一种基于线扫描成像的架空 输电电线振动频率测量系统，用于测量架空电线的振动频率，为进一步采取防振措施提供 依据。
【背景技术】
[0002] 随着电力工业的迅猛发展，架空输电线路大量兴建。架空输电线路中的电线长期 处于野外露天之地，很容易受到风、雨、雪等自然条件的影响，从而引发电线出现周期性的 振动，振动频率范围0. 1~150Hz，其中0. 1~3HZ为低频率大幅度的舞动，3~5HZ为中频 中幅的次档距振动，5~150HZ高频微幅的微风振动。电线的长期振动会造成其疲劳断股、 金具磨损失效，严重时甚至会造成断线事故，危及线路安全稳定运行。
[0003] 架空电线的高频率微风振动是更需要引起关注。根据大量的实际线路工程经验得 出：微风振动是电线振动最普遍的形式，也是造成输电线路损伤的主要原因。同时这种振动 具有很高的隐蔽性。微风振动会使电线产生疲劳和磨损破坏，该破坏过程是一个积累的过 程，并且是从电线的内层开始。对于高频率的微风振动需要特殊设计的防振工具，例如防振 锤、防护条、阻尼线、防振鞭等，这些可以有效的减小振动危害。但防振器经过长期运行后， 其参数变、特性老化、消振性能衰减、很难准备判断，所以需要借助一款便携的现场测量系 统来对防振器进行调整，从而保证输电电线的安全。
[0004] 基于架空电线振动监测对保障输电线路安全运行的重要性，国内外针对输电电线 振动测量开展了相关研宄，监测方法和手段主要集中于三方面：采用加速度传感器技术、光 纤传感技术和图像处理技术三种方法。
[0005] 其中基于加速度传感器的振动测量系统，主要是通过安装在电线上的加速度传感 器测量电线的加速度值，该方法能够实现对线路低频率大幅度的舞动进行分析。但是，此方 法在实际应用中传感器需要固定在输电线路铁塔上，大范围布置成本高，并且测量范围局 限于低频率的电线舞动等缺陷，没有得到广泛应用。
[0006] 其中光纤传感器技术是通过光纤传感器测量电线振动的位移，从而确定振动的状 态，此方法具有抗电磁干扰能力、较高的灵敏度和非线性误差小等特点。但是光纤传感器在 应用时存在受温度干扰大、传感器布置和信号传输困难等较复杂的问题，目前不适合作为 通用测量手段。
[0007] 其中采用图像处理技术的架空电线振动测量系统，通常采用对现场电线振动 图像的采集，然后对电线振动的图像进行分析和处理。例如，中国专利申请，授权号为 CN-102143354B的发明专利，公开了一种基于视频图像处理的输电电线舞动识别计算方 法。该发明通过固定在现场的摄像头采集到电线振动的视频数据，传回控制中心对数据进 行图像灰度化、分割和提取等处理和识别，得到图像中振动的幅度信息。该发明存在以下缺 陷：
[0008] 首先，该发明是基于面扫描成像并对该成像数据进行处理和计算，采集到的图像 包含电线所在平面所有数据，但限于视频图像的分辨率低和传输速度低的问题，所采集的 图像只能得到变化明显的振动位置数据，即低频率大幅度舞动的位置，无法计算出电线高 频率低幅度的微风振动，测量电线振动频率范围小，应用有限制。同时摄像机因被固定在输 电线路铁塔上，它不能对电线的每一个位置的振动频率做出精确测量，这样在实际应用中 有可能产生遗漏和误判，从而造成防振措施采取不恰当，不能很好的发挥防振效果。
【发明内容】
[0009] 为了克服现有测量方法中存在的缺陷，本发明提出了一种基于线扫描成像的架空 电线振动测量系统，用以解决现有图像处理测量方案中由于视频分辨率和传输速度低造成 的测量数据不准确，以及高频率低幅度的振动无法进行测量造成的测量范围小的技术问 题。
[0010] 为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
[0011] 一种基于线扫描成像的架空电线振动频率测量系统，包括图像采集装置和与其相 连接的数据处理装置，所述图像采集装置采用高速摄像机，该高速摄像机的成像光路与架 空电线垂直对正，并对架空电线某一位置在与架空电线垂直方向上进行多次线扫描成像， 记录下架空电线在该位置振动随时间变化的图像数据；所述数据处理装置包括计算机和数 据处理模块，该数据处理模块对该图像数据进行去噪处理、增强、分割和计算。
[0012] 上述基于线扫描成像的架空电线振动频率测量系统，所述的高速摄像机的工作频 率大于150HZ，并搭配长焦距镜头。
[0013] 上述基于线扫描成像的架空电线振动频率测量系统，所述的图像数据去噪处理采 用高斯滤波法。
[0014] 上述的基于线扫描成像的架空电线振动频率测量系统，所述图像数据增强处理采 用驻点连线CLSP方法寻找基准线，该基准线与图像数据作比较，用于抑制天空背景起伏对 架空电线特征的影响。
[0015] 上述的基于线扫描成像的架空电线振动频率测量系统，所述的电图像数据分割采 用阈值分割法。
[0016] 上述的基于线扫描成像的架空电线振动频率测量系统，所述的图像数据计算包含 电线位置计算和电线振动频率计算。
[0017] 上述的基于线扫描成像的架空电线振动频率测量系统，所述的电线位置计算采用 形心计算的方法。
[0018] 上述基于线扫描成像的架空电线振动频率测量系统，所述的电线振动频率计算采 用傅里叶变换计算的方法。
[0019] 本发明与现有技术相比，具有以下优点：
[0020] 1、本发明由于采用工作频为大于150HZ，搭配长焦距镜头的高速摄像机，且测量时 将摄像机成像光路与被测导线垂直对正，能够实现对架空电线低、中或高振动频率的远距 离图像采集与记录，与现有技术所采用的普通摄像机通过电线振动幅度计算得出的低中频 振动频率相比，扩大了振动频率测量范围。
[0021] 2、本发明的图像采集装置由于采用高速摄像机，利用高速摄像机对架空电线某一 位置进行多次线扫描成像得到图像数据的方法，能够准确获得该位置的振动信息；而且本 发明对高速摄像机所采集并记录的图像数据进行了去噪、增强、分割，消除了外界和高速摄 像机本身产生的噪声对图像数据计算造成的影响，与现有技术相比，有效提高了测量数据 的准确性。
[0022] 3、本发明采用的图像采集装置由于安置在地面进行远距离测量，可以应对电线振 动频率随机分布的情况，具有一定的便携移动性。
【附图说明】
[0023] 图1为本发明测量系统的整体结构图；
[0024] 图2为本发明测量系统工作流程图；
[0025] 图3为本发明图像采集装置工作原理；
[0026] 图4为本发明数据处理模块中图像数据去噪处理结果前后对比；
[0027] 图5为本发明数据处理模块中CLSP方法计算示意图；
[0028] 图6为本发明数据处理模块中图像数据增强处理结果前后对比；
[0029] 图7为本发明数据处理模块中图像数据分割处理结果；
[0030] 图8为本发明数据处理模块中电线位置计算结果实测图。
【具体实施方式】
[0031] 以下结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细描述：
[0032] 参照图1，本发明包括图像采集装置和与之相连的数据处理装置；其中图像采集 装置采用高速摄像机1，数据采集装置包括计算机2和数据处理模块。
[0033] 本发明中高速摄像机1的工作频率为300HZ，并搭配长焦机镜头，能够实现远距离 对待测架空电线低中高频率振动时产生的光斑3信息进行图像数据采集和记录。数据处理 装置包括计算机2和数据处理模块，该数据处理模块对高速摄像机1得到的图像数据进行 去噪、增强、分割处理和计算。
[0034] 参照图2,为本发明系统的工作流程示意图，依据此流程介绍测量系统的工作步骤 如下：
[0035] 本发明利用光斑3运动特征表明架空电线振动的情况。在系统工作时，高速摄像 机1被安置在待测架空电线下的地面上，并使其成像光路与待测架空电线垂直对正，对待 测位置在与架空电线垂直方向上进行多次线扫描成像，记录下该位置振动发生时光斑3运 动的图像数据，该图像数据称为序列图像，该序列图像中行数为M，每一行中像素总数为N; 如果其成像光路与待测架空电线成倾斜角度时，光斑3的成像会变的模糊，会影响后续测 量结果的准确性。
[0036] 数据处理模块通过数据线接收高速摄像机1采集并记录的图像数据，并对其进行 处理与计算；其工作过程如下：
[0037] 1、图像数据的去噪处理采用高斯滤波法，目的是去除高速摄像机1工作时因器件 和电路所产生的噪声。
[0038] ①在进行高斯滤波之前需要按照给定的参数生成一维高斯滤波模板，过程如下：
[0039] 采用标准高斯分布，公式为：
[0041] 上式中：x为随机变量；yg为均值；〇g为标准差，G(x)为标准高斯分布。
[0042] 针对获得的图像数据，为了有效的去除噪声产生的影响，在生成高斯滤波模板时 取：x范围 0 <x< 30，yg= 15，〇g= 5。
[0043] 对G(x)作归一化处理，生成归一化系数c:
[0045] 生成高斯滤波模板C(x):
[0046] C(x) =cXG(x)
[0047] ②在产生高斯滤波模板后，用该模板与得到的原始图像数据的每一行数据作卷 积，即得到高斯滤波去噪结果：
[0048] r(n) =z(n)*C(x)。
[0049] 上式中，n为序列图像中每一行数据中像素位置，取值范围为：0 < n < N;z(n)为 去噪处理前像素灰度值大小；r(n)为去噪处理后的像素灰度值；
[0050] 2、图像数据增强处理采用驻点连线CLS