红外热成像技术在电力行业应用

红外热成像系统在电力行业的应用

一、红外热成像原理

物体表面温度如果超过绝对零度即会辐射出电磁波，随着温度变化，电磁波的辐射强度与波长分布特性也随之改变，波长介于0.75μm到1000μm间的电磁波称为"红外线"，而人类视觉可见的"可见光"介于0.4μm到0.75μm。

其中波长为0.78~2.0微米的部分称为近红外，波长为2.0~1000微米的部分称为热红外线。红外线在地表传送时，会受到大气组成物质( 特别是H2O、CO2、CH4 、N2O、O3等)的吸收，强度明显下降，仅在短波3μ~5μm及长波8~12μm的两个波段有较好的穿透率(Transmission)，通称大气窗口(Atmospheric window)，大部份的红外热像仪就是针对这两个波段进行检测，计算并显示物体的表面温度分布。此外，由于红外线对极大部份的固体及液体物质的穿透能力极差，因此红外热成像检测是以测量物体表面的红外线辐射能量为主。

照相机成像得到照片，电视摄像机成像得到电视图像，都是可见光成像。自然界中，一切物体都可以辐射红外线，因此利用探测仪测定目标的本身和背景之间的红外线差并可以得到不同的红外图像，热红外线形成的图像称为热图。图1、图2为可见光与红外的对比图。

图1 房屋可见光与红外对比图

图2 游艇可见光与红外对比图

二、红外探测的特点

对于所有可以直接看见的设备，红外热成像产品都能够确定所有连接点的热隐患。对于那些由于屏蔽而无法直接看到的部分，则可以根据其热量传导到外面的部件上的情况，来发现其热隐患，这种情况对传统的方法来说，除了解体检查和清洁接头外，是没有其它的办法。断路器、导体、母线及其它部件的运行测试，红外热成像产品是无法取代。然而红外热成像产品可以很容易地探测到回路过载或三相负载的不平衡。图3就显示了电力变压器三相不平衡负载条件下线路过载情况。在可见光波段下根本无从察觉。因此采用红外探测技术能够早期发现隐患防患于未然。

图3 电力变压器红外图

红外热像仪还可以用来探测电气设备的不良接触，以及过热的机械部件，以免引起严重短路和火灾。1980年至1983年四年中，我国利用自制的热像仪对华北电力网内的20座发电厂、8座变电站和24条高压线的10000多个插头进行了过热检查，发现不正常发热点500多处，严重过热为100处，由于及时处理，未发生火灾事故。

美国保险公司的统计数据表明，在所有电气设备隐患中的25%以上是引发火灾的主要原因，都是由于插头接触不良引发的，所以美国国家防火协会的《电气维修手册70B》规定，在任何电气插头按照规定的力距被紧固之后，只要这个力矩值不变化，以后就不应当再进行紧固。所以制造良好，安装正常的电气插头，根本不需要定期紧固，只有发现其功能异常和其过热才要去处理。

美国MAI公司对许多已经进行过一般电气预防性设备做红外热成像产品检查，发现其中不少已接受过维修的设备仍然存在电气故障。例如一个重要电子产品生产厂家，这个公司对其电气设备每两年进行一次停电维修。在不同设备上发现的严重隐患有19个，一般隐患有179个。这些严重隐患是指被测设备的表面温度超过NEMA或UL的最大设计温度。

三、红外探测在电力行业的应用

红外探测在电力行业有着非常广泛的应用前景，在国外尤其是发达国家已经得到了普遍的应用。

目前红外探测的应用分为移动式和固定式，判决方法分为人工和自动两种形式。图4到图7显示的就是红外探测在电力行业应用的实际。

图4 红外探测在电力行业应用一

图5 红外探测在电力行业应用二

图6 红外探测在电力行业应用三

图7 红外探测在电力行业应用四

四、核心技术优势

1、拥有高端红外光电探测设备

红外光电跟踪系统采用远距离无热化镜头、透雾摄像机、热像仪和高精度云台，通过科学、先进的手段集合而成，具有背景反差好、成像清晰、使用高分辨率低照度彩转黑摄像机，可进行昼夜连续监控，夜间最远可发现十几公里处的人物活动、车辆、设施等目标；实现白天彩色监视，雾霾雨雪天及夜间全黑环境下同样监视的目的。

该系统集分辨率为640*512的非制冷氧化钒焦平面红外热像仪（可选配）、25-100mm （可选配）连续变焦热像仪镜头、1/2″CCD 透雾相机、15.6-500mm（可选配）远距离长焦透雾镜头及高性能云台于一体，该系统一方面通过雷达提供的信息进行目标的跟踪和捕获，同时本系统还内部采用国际先进的图像数字处理技术、目标自动锁定跟踪技术、图像稳定技术，能够适应各种恶劣的环境，完整输出清晰的监控图像。高端光电跟踪系统实物图如图8所示。根据用户的不同需求选配不同类型监控云台。

A 枪机监控云台 B球机监控云台

图8 高端光电跟踪系统实物图

2、红外前端图像处理技术

所谓红外前端处理技术是将图像处理芯片集成到传感器前端，不需要将大量的图像数据发送至后台依托人工或处理软件进行分析。当前端处理器发现故障后自动报警，并将故障图像传回指控中心。这样做可以极大的节约系统的带宽，提高运行效率，节约运营成本。以下是我们为某装备研制的人员红外识别与跟踪系统的实例。

在红外波段，采用多热源自动跟踪、多目标辅助识别方案。图9为红外相机多目标跟踪实验效果图。对于300米距离上的人员的识别率在没有汽车等大型热源的情况下能够达到80%。如果加入人工判读，识别率达到95%以上。图10为受到汽车等大型热源干扰情况下的识别跟踪效果。图11为强干扰出现瞬间目标失锁实验效果图。

图9 多目标跟踪实验效果图

图10 强干扰条件下多目标跟踪实验效果图

图11 强干扰瞬间目标跟踪失锁实验效果图

丛林中身着迷彩隐藏人员识别实验结果如图12所示。从图中可以看出，虽然人员隐藏于树林深处，但是其特征反差能够被检测系统捕获，只要有足够的可视空间，目标基本都能够准确识别。

图12 丛林隐藏人员实验效果图

通过可见光和红外载荷目标识别试验，使用红外载荷，采用多热源自动跟踪识别方案无论在白天还是黑夜都具有较好的识别效果。加入人工干预后效果更加理想。可见光载荷由于其自身固有的缺陷，不能在夜间使用。白天环境下使用由于背景非常复杂，图像处理工作量大，因此识别效果并不理想。通过实验，影响目标识别的主要因素主要包括：飞行器的飞行速度、视频图像的稳定性、距离、人员暴露程度、环境杂散干扰等。