基于微波成像技术的复合绝缘子检测方法和系统

摘要

本发明公开了一种基于微波成像技术的复合绝缘子检测方法，包括：通过微波探头对样品进行扫描,获取样品的每个扫描点的微波反射波和对应的飞行时间；计算并分析样品的每个扫描点的微波反射波幅值和对应的飞行时间值；计算每个扫描点的第一图像灰度值,生成幅值成像灰度图；计算每个扫描点的第二图像灰度值,生成飞行时间成像灰度图；对幅值成像灰度图和飞行时间成像灰度图进行小波图像融合，得到复合绝缘子检测图像。本发明通过对微波信息深度提取，实现基于微波的复合绝缘子成像检测，可对复合绝缘子界面缺陷进行快速检出，有利于保障复合绝缘子的正常运行。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于微波成像技术的复合绝缘子检测方法和系统。

背景技术

复合绝缘子在电网中起到电气绝缘和机械支撑的作用，由于防污闪性能优异、价格便宜、质量轻等优点，在国内外电网中应用广泛。复合绝缘子的结构具有特殊性，两层绝缘材料之间有一层位于绝缘子内部的交界面。在生产过程中或者长期运行中内部交界面各处的绝缘性能难以保证完全优秀，在水汽、电场、泄露电流的作用下，内部缺陷从无到有、并进一步扩大，逐渐导致气孔气隙或者内部放电烧蚀通道等缺陷，缺陷进一步发展甚至会出现绝缘子击穿或断裂等严重后果。

为了减少事故的发生，采用无损检测手段是有效的方法。基于不同原理，无损检测在目前已有很多方法，归纳起来主要依靠射线、声波、电磁场、光学、热学等方面的原理。这些方法各有不同性质、有其不同的适用范围。

超声法需要探头与样品表面紧密接触并使用耦合剂确保超声的传播。复合绝缘子表面形状复杂，测试探头难以固连到绝缘子的外表面；只能接触式测量，尤其是需要在测量过程中使用耦合剂限制了超声检测法的应用范围。

X射线成像检测是采用X进行检测的一种技术手段。由于高能射线具有电离辐射危害，因此操作过程较为复杂。而且对于内部组织不均匀的材料，射线检测的分辨率会受到较大干扰，且X射线检测对空气、杂质等缺陷检测效果一般。

红外成像检测是一种常用在线无损检测手段，当绝缘设备存在内在缺失时，通过红外成像手段可以检测出这些故障。红外成像法仅适用于绝缘设备的带电检测，并且易受环境的影响，阳光、大风、潮气等都可能引起绝缘子表面温度的变化，而影响检测结果。此外，红外检测法通过发热来判断绝缘设备质量，并不适用于尚无明显温升的绝缘设备早期内部缺陷。

目前针对复合绝缘子的无损检测手段大多是传统的检测陶瓷或玻璃绝缘子的方法的延续，这些检测方法各有其适用范围，但是尚无很好的检测复合绝缘子内部缺陷的方法。而且，由于复合材料的材料性质的特殊性与结构构造的特殊性，许多针对陶瓷或玻璃绝缘子的无损检测手段并不能很好地适用于复合绝缘子。因此，急需改进与完善现有的无损检测方法，或提出新的检测手段以确保复合绝缘子的安全性。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于微波成像技术的复合绝缘子检测方法和系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于微波成像技术的复合绝缘子检测方法，包括以下步骤：

步骤S1、将样品置于样品架上,通过微波探头对所述样品进行扫描,获取所述样品的每个扫描点的微波反射波和对应的飞行时间；

步骤S2、计算并分析所述样品的每个扫描点的微波反射波幅值和对应的飞行时间值，得到所述样品的微波反射波幅值最大值、微波反射波幅值最小值、飞行时间最大值和飞行时间最小值；

步骤S3、根据每个扫描点的微波反射波幅值、微波反射波幅值最大值、微波反射波幅值最小值，计算每个扫描点的第一图像灰度值,生成幅值成像灰度图；

步骤S4、根据每个扫描点的飞行时间值、飞行时间最大值和飞行时间最小值，计算每个扫描点的第二图像灰度值,生成飞行时间成像灰度图；

步骤S5、对幅值成像灰度图和飞行时间成像灰度图进行小波图像融合，得到复合绝缘子检测图像。

在本发明提供的基于微波成像技术的复合绝缘子检测方法中，在步骤S3中，通过以下公式计算每个扫描点i的第一图像灰度值Gray(i)_I，

Gray_I(i)＝(Gmax_I-Gmin_I)*(Ii-Imin)/(Imax-Imin)+Gmin_I

其中，i为大于等于1且小于等于N的自然数，N为扫描点的总个数，Ii为扫描点i的微波反射波幅值，Gray_I(i)为扫描点i的第一图像灰度值，Imin为微波反射波幅值最小值，Imax为微波反射波幅值最大值，Gmin_I为微波反射波幅值最小值的扫描点对应的第一图像灰度值，Gmax_I为微波反射波幅值最大值的扫描点对应的第一图像灰度值。

在本发明提供的基于微波成像技术的复合绝缘子检测方法中，在步骤S4中，通过以下公式计算每个扫描点i的第二图像灰度值Gray(i)_T，

Gray_T(i)＝(Gmax_T-Gmin_T)*(Ti-Tmin)/(Tmax-Tmin)+Gmin_T

其中，i为大于等于1且小于等于N的自然数，N为扫描点的总个数，Ti为扫描点i的飞行时间值，Gray_T(i)为扫描点i的第二图像灰度值，Tmin为飞行时间最小值，Tmax为飞行时间最大值，Gmin_T为飞行时间最小值的扫描点对应的第二图像灰度值，Gmax_T为飞行时间最大值的扫描点对应的第二图像灰度值。

在本发明提供的基于微波成像技术的复合绝缘子检测方法中，步骤S5包括：

步骤S51、对幅值成像灰度图和飞行时间成像灰度图分别进行p层小波分解，将幅值成像灰度图分解得到幅值低频子带和幅值高频子带，将飞行时间成像灰度图分解得到飞行时间低频子带和飞行时间高频子带；

步骤S52、采用第一融合规则对幅值低频子带和飞行时间低频子带进行融合处理，采用第二融合规则对幅值高频子带和飞行时间高频子带进行融合处理，到融合后的小波金字塔；

步骤S53、对融合后得到的小波金字塔进行小波逆变换，获得所述复合绝缘子检测图像。

在本发明提供的基于微波成像技术的复合绝缘子检测方法中，在步骤S53中，所述第一融合规则是对两幅待融合图像低频系数相对应位置进行加权平均，所述第一融合规则是选择成像的高频系数。

另一方面，本发明还提供一种基于微波成像技术的复合绝缘子检测系统，包括微波探头、样品架和计算机，所述样品架用于放置样品，所述微波探头用于对所述样品进行扫描，所述计算机包括：

数据获取模块，用于获取所述样品的每个扫描点的微波反射波和对应的飞行时间；

计算模块，用于计算并分析所述样品的每个扫描点的微波反射波幅值和对应的飞行时间值，得到所述样品的微波反射波幅值最大值、微波反射波幅值最小值、飞行时间最大值和飞行时间最小值；

灰度图生成模块，用于根据每个扫描点的微波反射波幅值、微波反射波幅值最大值、微波反射波幅值最小值，计算每个扫描点的第一图像灰度值,生成幅值成像灰度图；根据每个扫描点的飞行时间值、飞行时间最大值和飞行时间最小值，计算每个扫描点的第二图像灰度值,生成飞行时间成像灰度图；

融合模块，用于对幅值成像灰度图和飞行时间成像灰度图进行小波图像融合，得到复合绝缘子检测图像。

在本发明提供的基于微波成像技术的复合绝缘子检测系统中，所述融合模块包括：

小波分解单元，用于对幅值成像灰度图和飞行时间成像灰度图分别进行p层小波分解，将幅值成像灰度图分解得到幅值低频子带和幅值高频子带，将飞行时间成像灰度图分解得到飞行时间低频子带和飞行时间高频子带；

处理单元，用于采用第一融合规则对幅值低频子带和飞行时间低频子带进行融合处理，采用第二融合规则对幅值高频子带和飞行时间高频子带进行融合处理，到融合后的小波金字塔；

变换单元，用于对融合后得到的小波金字塔进行小波逆变换，获得所述复合绝缘子检测图像。

在本发明提供的基于微波成像技术的复合绝缘子检测系统中，所述第一融合规则是对两幅待融合图像低频系数相对应位置进行加权平均，所述第一融合规则是选择成像的高频系数。

在本发明提供的基于微波成像技术的复合绝缘子检测系统中，所述微波探头包括直流源、微波源、导波装置、定向耦合器、低频放大器和信号采集卡，所述直流源连接于所述微波源，所述微波源连接于所述导波装置、所述导波装置连接于所述定向耦合器，所述定向耦合器连接于所述低频放大器，所述低频放大器连接于所述信号采集卡。

在本发明提供的基于微波成像技术的复合绝缘子检测系统中，所述微波探头还包括连接于所述定向耦合器和所述低频放大器之间的检波器。

本发明的基于微波成像技术的复合绝缘子检测方法，具有以下有益效果：本发明通过对复合绝缘子样品进行微波反射波数据的面扫描检测，获取复合绝缘子的三维尺度的检测数据，并依据微波反射波的幅值和飞行时间特征，对复合绝缘子进行成像，结合小波算法对成像进行融合分析，获取复合绝缘子的微波成像。微波检测具有非接触、无害、便携等优势，通过对微波信息深度提取，实现基于微波的复合绝缘子成像检测，可对复合绝缘子界面缺陷进行快速检出，有利于保障复合绝缘子的正常运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图：

图1是本发明提供的基于微波成像技术的复合绝缘子检测系统的整体结构图；

图2是本发明提供的基于微波成像技术的复合绝缘子检测方法的流程图；

图3所示为微波探头的扫描方式示意图；

图4所示为微波灰度成像的图像融合结果；

图5是本发明提供的基于微波成像技术的复合绝缘子检测系统的原理图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的典型实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

图1是本发明提供的基于微波成像技术的复合绝缘子检测系统的整体结构图。如图1所示，本发明提供的基于微波成像技术的复合绝缘子检测系统包括微波探头、样品架和计算机，所述样品架用于放置样品，所述微波探头用于对所述样品进行扫描。如图1所示，样品架包括轮转装置1、X轴电机及导轨2、探头夹具3、Z轴电机及导轨4、Y轴电机及导轨5、绝缘子支撑结构7，6为待检测的绝缘子样品。其中X、Y、Z三轴分别由步进电机带动滚珠丝杠做直线运动。而轮转装置对应的R轴步进电机则通过减速器和三爪卡盘带动绝缘子转动。

图2是本发明提供的基于微波成像技术的复合绝缘子检测方法的流程图。如图2所示，本发明提供的基于微波成像技术的复合绝缘子检测方法包括以下步骤：

步骤S1、将样品置于样品架上,通过微波探头对所述样品进行扫描,获取所述样品的每个扫描点的微波反射波和对应的飞行时间；

具体地，在室温下条件下,将复合绝缘子置于样品架上,微波探头以0.1mm/次～1mm/次的步进对样品进行扫描,得到样品每个扫描点的微波反射波和对应的飞行时间；扫描方式如图3所示。

步骤S2、计算并分析所述样品的每个扫描点的微波反射波幅值和对应的飞行时间值，得到所述样品的微波反射波幅值最大值、微波反射波幅值最小值、飞行时间最大值和飞行时间最小值；

具体地，对步骤S1得到的微波反射波进行分析,得到样品每个扫描点的微波反射波幅值Ii和飞行时间Ti,对所有的样品微波反射波幅值Ii和Ti进行比较,得到样品微波反射波幅值的最大值Imax＝max(I1,I2,I3…IN)和最小值Imin＝min(I1,I2,I3…IN),以及飞行时间的最大值Tmax＝max(T1,T2,T3…TN)和最小值Tmin＝min(T1,T2,T3…TN)N为自然数。

步骤S3、根据每个扫描点的微波反射波幅值、微波反射波幅值最大值、微波反射波幅值最小值，计算每个扫描点的第一图像灰度值,生成幅值成像灰度图；

具体地，利用步骤S2得到的每一样品点上的微波反射波幅值Ii,通过以下公式计算每个扫描点i的第一图像灰度值Gray(i)_I，

Gray_I(i)＝(Gmax_I-Gmin_I)*(Ii-Imin)/(Imax-Imin)+Gmin_I

其中，i为大于等于1且小于等于N的自然数，N为扫描点的总个数，Ii为扫描点i的微波反射波幅值，Gray_I(i)为扫描点i的第一图像灰度值，Imin为微波反射波幅值最小值，Imax为微波反射波幅值最大值，Gmin_I为微波反射波幅值最小值的扫描点对应的第一图像灰度值，Gmax_I为微波反射波幅值最大值的扫描点对应的第一图像灰度值,最终生成以幅值成像的样品灰度图,记为图a，如图4所示；其中，Gmin_I＝0,Gmax_I＝255。

步骤S4、根据每个扫描点的飞行时间值、飞行时间最大值和飞行时间最小值，计算每个扫描点的第二图像灰度值,生成飞行时间成像灰度图；

具体地，在步骤S4中，通过以下公式计算每个扫描点i的第二图像灰度值Gray(i)_T，

Gray_T(i)＝(Gmax_T-Gmin_T)*(Ti-Tmin)/(Tmax-Tmin)+Gmin_T

其中，i为大于等于1且小于等于N的自然数，N为扫描点的总个数，Ti为扫描点i的飞行时间值，Gray_T(i)为扫描点i的第二图像灰度值，Tmin为飞行时间最小值，Tmax为飞行时间最大值，Gmin_T为飞行时间最小值的扫描点对应的第二图像灰度值，Gmax_T为飞行时间最大值的扫描点对应的第二图像灰度值，生成以飞行时间成像的样品灰度图，记为图b，如图4所示；其中，Gmin_T＝0,Gmax_T＝255。

步骤S5、对幅值成像灰度图和飞行时间成像灰度图进行小波图像融合，得到复合绝缘子检测图像。

具体地，步骤S5包括以下步骤：

步骤S51、对幅值成像灰度图和飞行时间成像灰度图分别进行p层小波分解，将幅值成像灰度图分解得到幅值低频子带和幅值高频子带，将飞行时间成像灰度图分解得到飞行时间低频子带和飞行时间高频子带；

具体地，分别对两幅待融合图像a和图像b进行p层小波分解，每辐图像可得到3p+1个子频带，其中1个低频子带(近似系数)和3p个高频子带(细节系数)，实现图像的小波塔型分解。图像的低频信息集中在近似系数中，决定了图像的主要轮廓，而高频信息集中在细节系数中，决定了图像的边缘。小波分解的主要作用是将融合图像分解到不同子频带上，从而可以在不同子频带分别进行融合处理。

步骤S52、采用第一融合规则对幅值低频子带和飞行时间低频子带进行融合处理，采用第二融合规则对幅值高频子带和飞行时间高频子带进行融合处理，到融合后的小波金字塔；

具体地，分别采用不同的融合规则对两幅待融合图像的各个子频带进行融合处理，即图像a和图像b的低频子带、高频子带分别进行融合，最终得到融合后的小波金字塔。融合处理的作用是保留两幅待融合图像的相应子频带的互补和冗余信息。融合规则的选取特别重要，对于低频子带和高频子带，有时需要选取不同的融合规则。

步骤S53、对融合后得到的小波金字塔进行小波逆变换，获得所述复合绝缘子检测图像。

具体地，对融合后得到的小波金字塔进行小波逆变换，获得融合图像c。在基于小波分解的图像融合中，小波基、小波分解层数和融合规则的选择都会给图像融合效果带来影响，针对不同的待融合图像，我们需要根据待融合图像的特点，选取合适的小波基、小波分解层数以及融合规则。质量高的融合图像应尽可能多地保留待融合图像中的有用信息，并尽可能少地引起图像失真。本发明所用实例采用3层小波分解和Sym4小波基，低频子带的融合规则是对两幅待融合图像低频系数相对应位置进行加权平均，高频子带的融合规则是直接选择成像的高频系数。

图5是本发明提供的基于微波成像技术的复合绝缘子检测系统的原理图。基于微波成像技术的复合绝缘子检测系统包括微波探头、样品架和计算机70，所述样品架用于放置样品，所述微波探头用于对所述样品进行扫描，所述计算机70包括：

数据获取模块，用于获取所述样品的每个扫描点的微波反射波和对应的飞行时间；

计算模块，用于计算并分析所述样品的每个扫描点的微波反射波幅值和对应的飞行时间值，得到所述样品的微波反射波幅值最大值、微波反射波幅值最小值、飞行时间最大值和飞行时间最小值；

灰度图生成模块，用于根据每个扫描点的微波反射波幅值、微波反射波幅值最大值、微波反射波幅值最小值，计算每个扫描点的第一图像灰度值,生成幅值成像灰度图；根据每个扫描点的飞行时间值、飞行时间最大值和飞行时间最小值，计算每个扫描点的第二图像灰度值,生成飞行时间成像灰度图；

融合模块，用于对幅值成像灰度图和飞行时间成像灰度图进行小波图像融合，得到复合绝缘子检测图像。

进一步地，所述融合模块包括：

小波分解单元，用于对幅值成像灰度图和飞行时间成像灰度图分别进行p层小波分解，将幅值成像灰度图分解得到幅值低频子带和幅值高频子带，将飞行时间成像灰度图分解得到飞行时间低频子带和飞行时间高频子带；

处理单元，用于采用第一融合规则对幅值低频子带和飞行时间低频子带进行融合处理，采用第二融合规则对幅值高频子带和飞行时间高频子带进行融合处理，到融合后的小波金字塔；

变换单元，用于对融合后得到的小波金字塔进行小波逆变换，获得所述复合绝缘子检测图像。

所述微波探头包括直流源10、微波源20、导波装置30、定向耦合器40、低频放大器50、信号采集卡60，所述直流源10连接于所述微波源20，所述微波源20连接于所述导波装置30、所述导波装置30连接于所述定向耦合器40，所述定向耦合器40连接于所述低频放大器50，所述低频放大器50连接于所述信号采集卡60，所述定向耦合器40还连接于待测样品。所述微波探头还包括连接于所述定向耦合器和所述低频放大器之间的检波器(图中未示出)。

具体地，直流电源提供满足微波源工作的电压，微波源采用耿氏振荡器，产生24GHz的微波。通过软波导和矩形金属波导管两段波导管将微波传递到试样表面或者附近，微波从波导管的开口端发射出来，在试样的各个表面发生折射反射，反射波的一部分传播回波导管(与发射端是同一根波导管)，在波导管中经过定向耦合器，将负向传播的波即反射波分离提取出来，经过微波检波器转换成电压强度模拟电路信号，在低频放大器中滤波、低频放大，进入数据采集卡转换成数字信号，输入计算机被读数并处理。

本发明通过对复合绝缘子样品进行微波反射波数据的面扫描检测，获取复合绝缘子的三维尺度的检测数据，并依据微波反射波的幅值和飞行时间特征，对复合绝缘子进行成像，结合小波算法对成像进行融合分析，获取复合绝缘子的微波成像。微波检测具有非接触、无害、便携等优势，通过对微波信息深度提取，实现基于微波的复合绝缘子成像检测，可对复合绝缘子界面缺陷进行快速检出，有利于保障复合绝缘子的正常运行。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。