CC BY
19
'Приборостроение, системы управления, электронная и электротехническая промышленности
УДК 681.2
ШИРОКОУГОЛЬНАЯ АВИАЦИОННАЯ ОЭС ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ПРИРОДНЫХ И АНТРОПОГЕННЫХ ИСТОЧНИКОВ УФ-ИЗЛУЧЕНИЯ
WIDE-ANGLE AVIATION OPTOELECTRONIC SYSTEM FOR DETECTING NATURAL AND ANTHROPOGENIC SOURCES OF UV RADIATION
DOI: 10.24412/CL-35807-2021-1-25-30
Обрезков А. В., главный специалист филиала АО «ПО «УОМЗ» им. Э. С. Яламова «Урал-ГОИ». E-mail: obrezkovand@gmail.com Баранов Ю. П., главный специалист филиала АО «ПО «УОМЗ» им. Э. С. Яламова «Урал-ГОИ». E-mail: uralgoi@uomz.ru Писарев В. Н., начальник отдела филиала АО «ПО «УОМЗ» им. Э. С. Яламова «Урал-ГОИ». E-mail: uralgoi@uomz.ru Родионов А. Ю., начальник лаборатории филиала АО «ПО «УОМЗ» им. Э. С. Яламова «Урал-ГОИ». E-mail: uralgoi@uomz.ru Самохина И. А., заместитель директора филиала АО «ПО «УОМЗ» им. Э. С. Яламова «Урал-ГОИ». E-mail: uralgoi@uomz.ru Чиванов А. Н., директор филиала АО «ПО «УОМЗ» им. Э. С. Яламова «Урал-ГОИ». E-mail: uralgoi@uomz.ru
Obrezkov A. V., Chief Specialist, JSC "Production
Association "Urals Optical & Mechanical Plant "
named after Mr-. E. S. Yalamov" (UOMP)"
Branch in St. Petersburg "Ural-GOI".
E-mail: obrezkovand@gmail.com
Baranov Yu. P., Chief Specialist, JSC "Production
Association "Urals Optical & Mechanical Plant"
named after Mr-. E. S. Yalamov" (UOMP)"
Branch in St. Petersburg "Ural-GOI".
E-mail: uralgoi@uomz.com
Pisarev V. N., Department Head, JSC "Production
Association "Urals Optical & Mechanical Plant"
named after Mr-. E. S. Yalamov" (UOMP)"
Branch in St. Petersburg "Ural-GOI".
E-mail: uralgoi@uomz.com
Rodionov A. Yu., Head of the laboratory, JSC
"Production Association "Urals Optical &
Mechanical Plant" named after Mr. E. S. Yalamov"
(UOMP)" Branch in St. Petersburg "Ural-GOI".
E-mail: uralgoi@uomz.com
Samohina I. A., Deputy Director, JSC "Production Association "Urals Optical & Mechanical Plant" named after Mr-. E. S. Yalamov" (UOMP)" Branch in St. Petersburg "Ural-GOI". E-mail: uralgoi@uomz.com Chivanov A. N., Director, JSC "Production Association "Urals Optical & Mechanical Plant" named after Mr-. E. S. Yalamov" (UOMP)" Branch in St. Petersburg "Ural-GOI". E-mail: uralgoi@uomz.com
В работе рассматривается авиационная система мониторинга УФ-источников излучения, предназначенная для оперативного обнаружения аварийно-опасных участков линий воздушных электропередач и регистрации их координат в автоматическом режиме. Система базируется на ОЭС, включающей широкоугольный объектив, УФ-приемник излучения и цифровой блок обработки сигналов. Широкое поле зрения оптической системы, сочетающееся с высоким пространственным разрешением и быстродействием прибора, позволяет за один пролет самолета получить исчерпывающую информацию о состоянии контролируемого участка ЛЭП большой протяженности.
В статье приводится описание конструкции датчика, его основные технические характеристики, а также представлены результаты натурных испытаний прибора.
In this paper aviation optical-electronic system for monitoring UV radiation sources of hazardous sections of overhead power lines is shown. The system is designed to rapidly detect and estimate coordinates of corona discharges and is functioning in automatic mode. This system includes a wide-angle lens, UV photodetector and digital processing unit. The wide angle field of view of the optical system combined with high spatial resolution and high-speed performance of the processing unit allows to obtain comprehensive information about the state of the long-distance power transmission line section state in one flight only.
Design of the detector device, technical characteristics and analysis of experimental data are shown in this paper.
Ключевые слова: оптико-электронная система мониторинга, УФ-фильтр, коронный разряд, линии электропередачи, «солнечно-слепой» диапазон.
Keywords: optoelectronic inspection system, UV-filter, corona discharge, overhead transmission line, solarblind range.
Ведение
В последние годы во всем мире повысился интерес к датчикам ультрафиолетового (УФ) излучения. Это связано с тем, что ряд задач промышленного, медицинского, военного, экологического и охранного характера может быть эффективно решен с помощью датчиков УФ спектрального диапазона.
В частности, такие системы широко используются для мониторинга воздушных линий электропередач (ЛЭП), поскольку УФ-системы позволяют регистрировать свечение коронных разрядов и заблаговременно выявлять аварийно-опасные участки [1, с. 39; 2, с. 113]. При установке такого оборудования на летательные аппараты появляется возможность оперативно оценивать состояние протяженных участков ЛЭП.
Как известно, потери энергии за счет утечки токов в высоковольтных линиях часто обусловлены коронным разрядом. Он возникает в условиях, когда вблизи элементов конструкции линий электротехнического оборудования формируется сильное резко спадающее электрическое поле. Такие поля ионизируют воздух и способствуют образованию коррозийно-активного вещества — озона, который приводит к коррозии конструкций и усилению коронного разряда. Коронный разряд, даже на ранних стадиях своего образования, сопровождается ультрафиолетовым излучением с длинами волн, лежащими в области 150—400 нм, которое может быть зарегистрировано УФ-датчиками. В дальнейшем при прогрес-сировании разрушительных процессов происходит локальный нагрев поврежденных элементов конструкций, который, в свою очередь, способен привести к возникновению аварийной ситуации.
Таким образом, УФ-датчики, в отличие от приемников, работающих в ИК (инфракрасном) диапазоне светового излучения и регистрирующих аномальный нагрев конструкций, позволяют на ранних стадиях диагностировать аварийно-опасные участки и, следовательно, снизить продолжительность и стоимость восстановительных работ.
Другим существенным преимуществом таких систем диагностики является их высокая помехозащищенность. Из-за значительного поглощения солнечного излучения в диапазоне 0,2—0,3 мкм фоновая засветка от Солнца в этом спектральном диапазоне практически отсутствует («солнечно-слепой» диапазон), что позволяет добиться высокого контраста изображения источников УФ-излучения даже в яркий солнечный день. В этих условиях удается создать автоматизированные системы мониторинга, работающие без участия оператора [3, с. 15; 4, с. 72].
Для решения задач ультрафиолетового мониторинга линий электропередач оптико-электронные системы должны удовлетворять рядом требований, к которым можно отнести: широкое поле зрения, помехозащищенность за счет эффективного подавления фоновых помех в видимом и ИК-областях спектра, высокую чувствительность матричного приемника к УФ-излучению. Кроме того, оптико-электронная УФ-сис-тема должна сохранять работоспособность в условиях приме -нения аппаратуры на летательных аппаратах.
Состав оптико-электронной УФ-системы и принципы ее работы
Разработанная оптико-электронная система предназначена для оперативного автоматического обнаружения УФ-источников с борта л етатель-ного аппарата. При инспекционном полете происходит автоматическое (без участия оператора) обнаружение и регистрация координат аномально ярких источников УФ-излучения. Записанные во время полета данные затем используются для выдачи информации ремонтным бригадам о расположении аварийно-опасных участков.
Функциональная схема системы представлена на рисунке 1. УФ-датчик включает в себя широкоугольный объектив со спектральным узкополосным УФ-фильтром (1), матричное фотоприемное устройство (2) и блок цифровой обработки информации (3).
Объектив имеет поле зрения 120°. При высотах полета в несколько сотен метров широкоугольный объектив обеспечивает достаточно большую площадь обзора, что позволяет свести к минимуму требования к курсовой устойчивости несущего УФ-систему летательного аппарата.
Конструктивно объектив состоит из 13 оптических элементов, включающих 7 сферических линз и УФ-фильтра.
Ключевым элементом разработанного УФ-дат-чика является УФ-фильтр, пропускающий излучение лишь в узком «солнечно-слепом» спектральном диапазоне, что дает возможность легко выделять аномально яркие источники УФ-излу-чения и в автоматическом режиме регистрировать их координаты.
Необходимая структура полосы пропускания «солнечно-слепого» фильтра детально обсуждалась в статье [6, с. 11]. Как было показано, эффективность фильтра зависит от трех основных параметров: положения правой границы полосы пропускания Хд, «размытости» правой границы АХ и коэффициента режекции кг. Для условий применения УФ-датчика оптимальное положение правой границы спектрального УФ-фильтра должна находиться в области Хд ~ 296...302 нм, показатель «резкости» — АХ < 13 нм. При этом коэффициент режекции должен быть не менее кг ~ 10-7.
АО «ПО «УОМЗ» была разработана технология изготовления спектральных фильтров, соответствующих данным параметрам. Спектр пропускания образца фильтра показан на рисунке 2.
Как видно из рисунка, фильтр пропускает УФ-излучение в диапазоне ~ 260—300 нм, с максимумом ~ 290 нм и довольно сильно поглощает излучение в диапазоне 300—1000 нм. При использо-
Рис. 1. Внешний вид и основные узлы разработанной системы
вании данного фильтра удается добиться максимального отношения интенсивности УФ-сигнала к интенсивности фоновой засветки даже в яркий солнечный день. Конструктивно УФ-фильтр изготавливается на 6 подложках, выполненных из оптических стекол КУ1 и УФС1.
В качестве матричного приемника в УФ-датчи-ке используется высокочувствительное УФ ФПУ производства АО «ЦНИИ «Электрон». Параметры приемника приведены в таблице 1. ФПУ включает в себя электронно-оптический преобразователь, сочлененный через прямой волоконно-оптический контакт с широкоформатной ССБ-матрицей, источник питания и плату управления для обработки видеоизображения. Спектральная чувствительность УФ ФПУ представлена на рисунке 3, фотоэлектрические параметры приведены в таблице 1.
При разработке конструкции объектива размер кружка рассеяния был согласован с размером пикселя матричного приемника (2) (~ 17 мкм). Для широкоугольного объектива при высоте полета в несколько сотен метров область свечения регистрируемого участка, как правило, является квазиточечным источником. В этих условиях при светосиле объектива ~ 0,1 чувствительность всей системы позволяла регистрировать свечение аварийно-опасных участков на дистанциях до 200 м [5, с. 213] при времени накопления и считывания ~ 20 мкс. При частоте опроса 50 Гц и разрешающей способности датчика ~ 1° это позволяло получать достаточно детализированную карту мониторинга ЛЭП при высоких скоростях полета носителя.
Блок цифровой обработки, входящей в состав УФ ФПУ, предназначается для выделения квазиточечных источников УФ-излучения, определения их координат в системе координат, связанной с носителем, и передачи информации
0,1
0,01
0,001
0,0001
(4 1Е -005
<и
^ 1Е -006
1Е -007
1Е -008
1Е -009
1Е -010
1Е -011 :
200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100
Длина волны, нм
Рис. 2. График зависимости пропускания «солнечно-слепого» УФ-фильтра от длины волны
Таблица 1
Основные параметры приемника фирмы АО «ЦНИИ «Электрон»
Рабочий диапазон чувствительности фотокатода, нм 200—300
Квантовый выход фотокатода в максимуме, % 15—20
(Спектральная чувствительность фотокатода в максимуме, мА/Вт) (31—42)
Напряжение на фотокатоде, кВ 4—7
Размер чувствительной области, мм 13,1 х 9,8
Число элементов ЭЧППЗ матрицы 768 х 580
Размер элемента, мкм 17 х 34
Монохроматическая чувствительность на длинах волн 260—270 нм, В/Вт/см2 107
При облученности 2-10"13 Вт/элемент (3,4-10-8 Вт/см2) и полосе пропускания 6,3 Мгц
• Отношение сигнал/шум 20—25
• Глубина модуляции сигнала на мелких деталях (400 ТВЛ) 30—35
Пороговая облученность, Вт/элемент (Вт/см2) 3 • 10-15 (5 • 10-10)
Величина темнового сигнала, мВ <10
Диаметр прибора(в герметике), мм 60
Высота прибора, мм 23
5, В/Вт/см2 х 106 12
10
200
250
300
350 X, нм
Рис. 3. Кривая чувствительности ФПУ УФ
Рис. 4. Изображение ортогональной матрицы квазиточечных источников без компенсации (а) и с цифровой компенсацией (б) дисторсии объектива (результаты экспериментального тестирования)
в бортовую систему записи. При определении координат источника излучения обеспечивается цифровая компенсация аберраций широкоугольного объектива.
На рис. 4 представлены изображения ортогональной матрицы источников УФ-излучения, полученные без компенсации и с цифровой ком-
пенсацией аберраций широкоугольного объектива. Для цифровой корректировки использовалась полиномиальная аппроксимация отображения, устанавливающего связь между угловыми координатами точечных источников с положением их изображений, формируемых объективом в плоскости матричного приемника. Коэффициенты полиномов определялись в процессе калибровки прибора на технологическом стенде.
После полета проводится считывание сохраненной информации о координатах источников излучения, привязка ее к карте местности и формирование результатов мониторинга состояния ЛЭП.
Результаты экспериментального исследования
Для проверки помехозащищенности системы проводились натурные испытания, в ходе которых регистрировалось изображение солнечного диска в ясную солнечную погоду (см. рис. 5, а). Как видно, в этих условиях на цифровом изображении практически полностью отсутствует изображение д иска Солнца, что д оказывает факт эффективного подавления спектральными фильтрами УФ-датчика фоновой и даже прямой солнечной засветки.
В следующем эксперименте УФ-датчик был установлен на специальный стенд имитатора коронного разряда, позволяющий менять угловое положение источника. В ходе эксперимента при яркости излучения, соответствующего излучению коронного разряда на расстоянии 200 м от приемной системы, удалось получить четкое изображение источника с высоким отношением сигнал/шум (см. рис. 5, б). При этом угловое положение источника УФ-излучения определялось системой с ошибкой, не превышающей 1° во всем поле зрения объектива.
Рис. 5. Видеоизображение, снятое с опытного образца УФ-системы мониторинга коронных разрядов ЛЭП: а — система направлена на Солнце в безоблачный день; б — система регистрирует сигнал от стенда имитатора коронного разряда; в — изображение, снятое системой, работающей в ИК-области спектра (выделены области локального нагрева на ЛЭП)
Рис. 6. Карта местности с отмеченными УФ-источниками (ПМ1, ПМ2, ПМ3), зарегистрированными во время испытаний
системы. Линией отмечена траектория движения самолета
Для примера на рис. 5, в приведено изображение ЛЭП, снятое тепловизионной системой. Обведены области локального нагрева элементов конструкции опор, потенциально являющимися аварийными участками. Как видно, на изображении присутствуют пространственно неоднородный фон, связанный с излучением и рассеянием ИК света земной поверхностью. В этих условиях выделение областей аварийных участков ЛЭП становится довольно сложной задачей. Ситуация принципиально меняется при использовании наблюдательной системы, работающей в «солнечно-слепом» диапазоне (см. рис. 5, б). Фоновое излучение на изображении практически отсутствует, что позволяет достичь больших значений сигнал/шум и легко решить задачу регистрации координат источника излучения.
Следующим этапом испытаний УФ-датчика были полунатурные испытания. Разработанная ОЭС устанавливалась на борт летального аппара-
та (ЛА), который пролетал над испытательной трассой на высоте ~ 200 м. Вдоль трассы полета ЛА устанавливались три УФ-источника с уровнем излучения, равным уровню излучения коронного разряда.
В ходе полета были зарегистрированы все три тестовых источника излучения. После полета данные с УФ-датчика были обработаны совместно с данными навигационной системы самолета и затем «наложены» на карту местности. Полученная таким образом карта местности с отмеченными на ней источниками излучения представлена на рис. 6. Сравнение с известными GPS координатами тестовых источников показало, что ошибка регистрации координат источников не превышала несколько метров.
По результатам экспериментов было доказано, что разработанный УФ-датчик удовлетворяет всем требованиям к системе по чувствительности, помехозащищенности и точности регистрации источников излучения.
Список литературы
1. Завидей В. И., Голубев А. В., Крупени Н. В., Вихров М. А., Милованов С. В., Головичер В. А. Дистанционные методы и системы дефектоскопии высоковольтной изоляции электрооборудования по оптическому излучению // Электро. - 2008. - № 3. - С. 39-42.
2. Stolper R., Hart J., Mahatho N. The design and evaluation of a Multi-Spectral Imaging Camera for the inspection of transmission lines and substation equipment // Applied Optics 11, 2006. CSIR, South Africa.
3. Титов Д. В., Егошина И. Л. Автоматическая система обнаружения пожара на основе контурного анализа видеоизображений // ISSN 2223-1536. Известия Юго-Западного государственного университета. — 2014. — С. 15—18.
4. Сафин Р. Г., Гайнутдинов И. С., Сабиров Р. С., Азаматов М. Х. «Солнечно-слепой» фильтр для УФ области спектра // Оптический журнал. — 2007. — Т. 73. — № 3. — С. 72—74.
5. Andrey V. Obrezkov, Andrey Yu. Rodionov, Viktor N. Pisarev, Alexey N. Chivanov, Yuri P. Baranov, Valeriy V. Korotaev. Objective for corona discharge monitoring, Optical Sensing and Detection IV, Proc. of SPIE Vol. 9899, 98992H © 2016 SPIE • CCC code: 0277-786X/16/$18 • doi: 10.1117/12.2227875.
6. Обрезков А. В., Писарев В. Н., Родионов А. Ю., Чиванов А. Н., Коротаев В. В. «Солнечно-слепой» ультрафиолетовый фильтр для фотоприемных модулей, используемых при создании авиационных систем пеленгации угроз // Оптический журнал. — 2016. — Т. 83. — № 1. — С. 11—15.
