一种麦克风和红外热成像联合定位的电缆故障定位方法及系统与流程

1.本发明涉及一种麦克风阵列声源定位与红外热成像仪(红外相机)定位相结合的电缆故障定位方法及其系统实现，尤其涉及一种二维空间定位算法及相应的系统实现。


背景技术：

2.当前，电力电缆故障检测的方法有故障粗测及精准定位两种。故障粗测采用电桥法或脉冲反射法，仅能检测限定条件下的故障类型，且无法进行故障点的定位。
3.精准定位法主要有声测法和音频感应法。声测法是电缆故障最基本的精确定位方法，但容易外界振动噪声的干扰；音频感应法一般用于探测故障电阻小于10ω的低阻故障，对两相接地短路和三相短路都能获得满意的效果，但这种方法只适用于为数不多的低阻故障和断线故障，通用性较差。
4.以上提到的检测方法，存在检测范围受限、易受外界噪声环境影响及设备成本过高等缺点，所以考虑采用一种麦克风阵列和红外热成像联合方法的电缆故障检测定位方法。


技术实现要素：

5.高压信号通过电缆的故障点，会产生放电现象。通过声学成像可以提供快速、准确的声源目标分布图；红外热像仪能够将探测到的热量精确量化，不仅能够观察热图像，还能够对发热的故障区域进行准确识别和严格分析。因此，本发明采用以上两种方法联合的方式进行故障点的探测及定位。
6.本发明通过麦克风阵列进行声源定位，通过测量空间内的声波到达各麦克风的信号相位差异，依据相控阵原理确定声源的位置，并以图像的方式显示声源在空间的分布，取得空间声场分布云图(声像图)，其中以图像的颜色和亮度代表声音的强弱。所述系统由麦克风阵列单元、数据采集卡单元和上位机单元三部分构成，其中要求麦克风阵列单元由若干个(16～64)性能一致的麦克风组成。麦克风阵列单元负责收集声源信号并进行处理，数据采集卡进行多通道数据同步传输保存，上位机将数据采集卡传输的数据进行处理显示。工作中，首先由麦克风阵列将声源信号转化为电信号并对目标声源信号进行放大处理，然后采用数据采集卡进行多通道数据同步采集，并通过上位机系统的外围设备的显示器输出。麦克风阵列单元与声数据采集卡单元的硬件部分均用导线相互连接。
7.本发明通过红外热像仪检测由于异常放电产生的热源。红外热成像根据温度高于绝对零度的物体辐射出红外线，这种红外线辐射都载有物体的特征信息，通过光电红外探测器将物体发热部位辐射的功率信号转换成电信号后，成像装置就可以模拟出物体表面温度的空间分布，最后经系统处理，形成热图像视频信号，就得到与物体表面热分布相对应的热像图。该系统由红外热成像仪和显示器两部分组成，红外热像仪是通过非接触探测红外能量，并将其转换为电信号经过信号放大和处理，生成热图像，以图像的方式显示温度在空
间的分布，取得空间红外热成像图。图像的灰度表示温度的高低，以亮表示温度高，暗表示温度低，或以暖色和暗色表示温度的高低。从高到低渐进，分别以红、黄、蓝、绿等颜色标记。红外热像仪通过通用串行总线(usb)接口将图像数据传送到上位机单元。
8.综上，高压信号通过有故障的电缆时产生声音及红外信号，通过麦克风阵列可得空间声场图并定位声源的发生点；通过红外热像仪可以得到电缆的红外热成像图，并确定由高压放电引起电火花产生的异常红外热源位置。
9.根据红外相机的视角范围，确定声学图像的分辨率，得到与红外图像大小一致的声场图，然后采用平均融合法进行图像融合，若声学图像所指向的故障点与红外图像指向的故障点重合，则实现了电缆故障点的检测与定位。
10.本发明的优势在于：
11.首先，本发明在声学成像方法上进行了创新，根据红外图像的大小确定声场图的范围，缩小了成像范围，减少了计算量；另外，通过麦克风阵列和红外热成像技术联合检测，使检测的准确性大大提高实时性好，技术相对成熟，系统简单，容易实现。
附图说明
12.图1为红外相机与麦克风布放示意图；
13.图2为系统实现示意图；
14.图3为圆形麦克风阵列成像示例图。
具体实施方式
15.下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
16.如图1所示，多个麦克风组成麦克风阵列，红外检测仪放置于阵列的物理中心点。
17.如图1所示，整个麦克风阵列的物理中心点作为空间坐标系的圆心，实现坐标系的转换。
18.图2所示是麦克风声源定位与红外热成像技术联合方法的系统图，其系统实现由麦克风阵列单元、红外热成像仪、数据采集卡单元、上位机单元和显示器五部分构成，其中麦克风阵列单元要求由若干个性能完全一致的麦克风按照一定的顺序组装组成。
19.下面以圆阵为例，进行麦克风阵列波束形成的过程描述：
20.如图3所示，将m个完全相同的麦克风均匀分布在平面x-y上一个半径为r的圆周上。以整个阵列模型的中心位置即参考阵元为空间坐标系的圆心，坐标系的x轴为参考阵元与第一个阵元之间的连线，建立起声学成像的空间坐标系。θ为声源与圆心的俯仰角，φ为声源与圆心的方位角。
21.频域波束形成算法是针对传统时域波束形成算法计算量大的特点，将fft技术引入波束形成，提高了计算的速度。
22.首先要确定阵列各麦克风之间的互谱矩阵(csm,cross-spectral-matrix)。将麦克风采集到的时域数据信号进行分块，采用快速傅里叶变换(fft)转换为频域信号，可得到麦克风的m
×
m互谱矩阵。
[0023][0024]
式中矩阵元素为：
[0025][0026]
式中：c
mn
(f)中的f为快速傅里叶变换中1/3倍频程的中心频率，k为阵列信号数据块数，m表示阵列中麦克风数目，p
mk
(f)表示第m个麦克风第k段数据块的频域信号，p
nk
(f)表示第n个麦克风第k段数据块的频域信号，ws为频谱分析选取的数据窗函数因子，tb为带宽，上标t表示共轭。互谱矩阵下三角元素通过上三角对应矩阵元素复共轭得到。
[0027]
声学试验中，通常在声源处设一扫描区域，其中任一扫描点处的声功率由a表示。设为m维的导向向量，由扫描点处的一组点声源激发的麦克风声压幅值所组成,因为它包含相位，可以指数抵消与声音传播有关的相移。
[0028]
如果(m,n)组合是s的一个子集，那么声功率a可以由下式的最小化得到，
[0029][0030]
其中gm和gn分别代表了第m个麦克风和第n个麦克风的导向向量。
[0031]
解式如下：
[0032][0033]
关于声场图和红外热成像图像融合的关键是：将声场图和红外热成像图设置为相同的大小，并且分辨率对齐，使得声场图和红外热成像图同一个像素点对应相同位置。
[0034]
本发明采取的方法为：对于选定的红外相机，可得到其成像大小、分辨率、视角范围等参数，其中视角范围的计算可通过焦距和法兰距等这些镜头的物理参数计算出来。
[0035]
麦克风阵列的成像以俯仰角θ和方位角表示，假设相机生成的一幅红外图像的大小为k
×
l(长乘以宽)，相机的视角范围为[-γ,γ]。一般而言，麦克风阵列成像的视角范围会超过相机的视角范围，因此，本发明中，设定麦克风阵列成像的角度分辨率为[2γ/k,2γ/l]，则公式(4)的生成声学图像的步长为[2γ/k,2γ/l]，这样声学图像和红外图像的像素点就可以一一对应了。
[0036]
然后，本发明采用平均融合法进行图像融合，加权平均融合法是将两幅源图像像素的灰度值进行线性加权平均，生成新的融合图像，是一种简单、直接的图像融合方法，融合过程如下
[0037]
f(x,y)＝aa(x,y)+bb(x,y)#(5)
[0038]
其中a和b表示进行图像融合的原始图像，f是经过融合后的图像，a，b是加权系数，本发明中，采用的加权系数为a＝b＝0.5。在这种融合的方法中，参与融合的图像提供了冗余信息，这种融合可以提高检测的可靠性，同时也可提高信噪比。
[0039]
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参
照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
[0040]
在测试样例中，本发明通过给待测电缆施加一个高压(250v～1000v)的脉冲信号，该脉冲信号沿待测电缆传播，在故障点处会产生电火花，同时有光和声音的生成。

技术特征：
1.一种麦克风和红外热成像联合定位的电缆故障定位系统，其特征在于：所述系统由麦克风阵列单元、数据采集卡单元和上位机单元三部分构成，其中要求麦克风阵列单元由若干个性能一致的麦克风组成；麦克风阵列单元负责收集声源信号并进行处理，数据采集卡进行多通道数据同步传输保存，上位机将数据采集卡传输的数据进行处理显示；工作中，首先由麦克风阵列将声源信号转化为电信号并对目标声源信号进行放大处理，然后采用数据采集卡进行多通道数据同步采集，并通过上位机系统的外围设备的显示器输出；麦克风阵列单元与声数据采集卡单元的硬件部分均用导线相互连接；通过红外热像仪检测由于异常放电产生的热源；红外热成像根据温度高于绝对零度的物体辐射出红外线，这种红外线辐射都载有物体的特征信息，通过光电红外探测器将物体发热部位辐射的功率信号转换成电信号后，成像装置就可以模拟出物体表面温度的空间分布，最后经系统处理，形成热图像视频信号，就得到与物体表面热分布相对应的热像图；该系统由红外热成像仪和显示器两部分组成，红外热像仪是通过非接触探测红外能量，并将其转换为电信号经过信号放大和处理，生成热图像，以图像的方式显示温度在空间的分布，取得空间红外热成像图；红外热像仪通过通用串行总线接口将图像数据传送到上位机单元；根据红外相机的视角范围，确定声学图像的分辨率，得到与红外图像大小一致的声场图，然后采用平均融合法进行图像融合，若声学图像所指向的故障点与红外图像指向的故障点重合，则实现了电缆故障点的检测与定位。2.一种麦克风和红外热成像联合定位的电缆故障定位方法，其特征在于：将m个完全相同的麦克风均匀分布在平面x-y上一个半径为r的圆周上；以整个阵列模型的中心位置即参考阵元为空间坐标系的圆心，坐标系的x轴为参考阵元与第一个阵元之间的连线，建立起声学成像的空间坐标系；θ为声源与圆心的俯仰角，φ为声源与圆心的方位角；首先要确定阵列各麦克风之间的互谱矩阵；将麦克风采集到的时域数据信号进行分块，采用快速傅里叶变换转换为频域信号，得到麦克风的m
×
m互谱矩阵；式中矩阵元素为：式中：c
mn
(f)中的f为快速傅里叶变换中1/3倍频程的中心频率，k为阵列信号数据块数，m表示阵列中麦克风数目，p
mk
(f)表示第m个麦克风第k段数据块的频域信号，p
nk
(f)表示第n个麦克风第k段数据块的频域信号，w
s
为频谱分析选取的数据窗函数因子，t
b
为带宽，上标t表示共轭；互谱矩阵下三角元素通过上三角对应矩阵元素复共轭得到；声学试验中，在声源处设一扫描区域，其中任一扫描点处的声功率由a表示；设为m维的导向向量，由扫描点处的一组点声源激发的麦克风声压幅值所组成；
(m,n)组合是s的一个子集，那么声功率a由下式的最小化得到，其中g
m
和g
n
分别代表了第m个麦克风和第n个麦克风的导向向量；解式如下：将声场图和红外热成像图设置为相同的大小，并且分辨率对齐，使得声场图和红外热成像图同一个像素点对应相同位置；对于选定的红外相机，得到其成像大小、分辨率、视角范围；麦克风阵列的成像以俯仰角θ和方位角表示，假设相机生成的一幅红外图像的大小为k
×
l即长乘以宽，相机的视角范围为[-γ,γ]；麦克风阵列成像的视角范围会超过相机的视角范围，因此，设定麦克风阵列成像的角度分辨率为[2γ/k,2γ/l]，则公式(4)的生成声学图像的步长为[2γ/k,2γ/l]，这样声学图像和红外图像的像素点一一对应了；然后，采用平均融合法进行图像融合，加权平均融合法是将两幅源图像像素的灰度值进行线性加权平均，生成新的融合图像融合过程如下f(x,y)＝aa(x,y)+bb(x,y)#(5)其中a和b表示进行图像融合的原始图像，f是经过融合后的图像，a，b是加权系数，采用的加权系数为a＝b＝0.5。

技术总结
本发明涉及一种麦克风和红外热成像联合定位的电缆故障定位方法及系统。本发明通过红外热像仪检测由于异常放电产生的热源。红外线辐射都载有物体的特征信息，通过光电红外探测器将物体发热部位辐射的功率信号转换成电信号后，成像装置就可以模拟出物体表面温度的空间分布，最后经系统处理，形成热图像视频信号，就得到与物体表面热分布相对应的热像图。该系统由红外热成像仪和显示器两部分组成，红外热像仪是通过非接触探测红外能量，并将其转换为电信号经过信号放大和处理，生成热图像，以图像的方式显示温度在空间的分布，取得空间红外热成像图。本发明缩小了成像范围，减少了计算量；使检测的准确性大大提高实时性好，系统简单易实现。单易实现。单易实现。


技术研发人员：黄宇 李蜀丰 李墨 徐永绍
受保护的技术使用者：中核检修有限公司
技术研发日：2023.03.28
技术公布日：2023/8/14