CN104897269A - 基于线扫描成像的架空电线振动频率测量*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于线扫描成像的架空电线振动频率测量***，用于解决现有振动频率测量***中测量数据不准确和测量范围小的技术问题；包括图像采集装置和数据处理装置；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待测架空电线垂直对正，对电线进行多次线扫描成像，记录下架空电线振动随时间变化的图像数据；数据处理装置包括计算机和数据处理模块，该数据处理模块对图像数据进行去噪、增强、分割处理和计算。本***利用线扫描成像和图像处理方法能有效提高测量数据的准确性，能够测量架空电线低、中或高频率的振动数值，扩大了测量范围，用于输电电线测量与维护领域中对电线振动频率的测量及对防振措施的制定提供依据。

Description

基于线扫描成像的架空电线振动频率测量***

技术领域

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***，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

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。

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***来对防振器进行调整，从而保证输电电线的安全。

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究，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。

其中基于加速度传感器的振动测量***，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。

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。

其中采用图像处理技术的架空电线振动测量***，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-102143354 B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：

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

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***，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。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于线扫描成像的架空电线振动频率测量***，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。

上述基于线扫描成像的架空电线振动频率测量***，所述的高速摄像机的工作频率大于150HZ，并搭配长焦距镜头。

上述基于线扫描成像的架空电线振动频率测量***，所述的图像数据去噪处理采用高斯滤波法。

上述的基于线扫描成像的架空电线振动频率测量***，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。

上述的基于线扫描成像的架空电线振动频率测量***，所述的电图像数据分割采用阈值分割法。

上述的基于线扫描成像的架空电线振动频率测量***，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。

上述的基于线扫描成像的架空电线振动频率测量***，所述的电线位置计算采用形心计算的方法。

上述基于线扫描成像的架空电线振动频率测量***，所述的电线振动频率计算采用傅里叶变换计算的方法。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

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。

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。

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

图1为本发明测量***的整体结构图；

图2为本发明测量***工作流程图；

图3为本发明图像采集装置工作原理；

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；

图5为本发明数据处理模块中CLSP方法计算示意图；

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；

图7为本发明数据处理模块中图像数据分割处理结果；

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

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：

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。

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。

参照图2，为本发明***的工作流程示意图，依据此流程介绍测量***的工作步骤如下：

本发明利用光斑3运动特征表明架空电线振动的情况。在***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。

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：

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。

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：

采用标准高斯分布，公式为：

$G\left(x\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\σ}}_g}\exp (-\frac{{(x-{\mathrm{\μ}}_g)}^2}{2{{\mathrm{\σ}}_g}^2})$

上式中：x为随机变量；μ_g为均值；σ_g为标准差，G(x)为标准高斯分布。

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，μ_g＝15,σ_g＝5。

对G(x)作归一化处理，生成归一化系数c：

$c=\frac{1}{\underset{x=1}{\overset{30}{\mathrm{\Σ}}}G\left(x\right)}$

生成高斯滤波模板C(x)：

C(x)＝c×G(x)

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：

r(n)＝z(n)*C(x)。

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；

2、图像数据增强处理采用驻点连线CLSP方法寻找基准线，该基准线与滤波处理后的图像数据作比较得到图像增强的结果。由于天空背景的不均匀性，使得成像结果中的天空背景起伏不定，即在图像中的部分位置其像素灰度值接近电线的灰度值，这样的图像数据不能直接用来进行后续的处理。因此还需要对图像数据进行增强处理，增强处理的目的是增强图像数据中架空电线的特征，抑制天空背景的起伏。

①寻找作为图像数据增强的基准线。本发明采用驻点连线(CLSP)的方法，得到架空电线检测的基准线的像素灰度值，用r_e(n)表示。

②由滤波结果r(n)减去基准线的像素灰度值r_e(n)，得到最终的图像数据增强处理结果，即

R(n)＝r(n)-r_e(n)

式中：R(n)为图像一行数据经过增强处理的像素灰度值。

3、图像数据的分割处理采用阈值法，该方法具有实现简单、计算量小和性能稳定的特点。

①选取的阈值为Thr＝4σ_th,其中

σ_th为序列图像中一行像素的像素灰度值的标准差，s_th为序列图像中一行像素的像素灰度值的方差。

$s_{\mathrm{th}}=\frac{1}{N-1}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{[R\left(n\right)-{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{th}}]}^2$

μ_th为序列图像中一行数据的像素灰度值均值，其取值为：

${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{th}}=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}R\left(n\right)$

②根据选取的阈值对图像数据进行分割。用每一行数据像素点的灰度值R(n)与阈值作比较，大于等于阈值的像素点，将其标记为1；小于阈值的像素点，将其标记为0，得到每一行像素的标记函数R_lab(n)。

4、图像数据的电线位置计算采用形心计算的方法，形心计算公式如下：

$p\left(m\right)=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(n\×R_{\mathrm{lab}}\left(n\right))}{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{lab}}\left(n\right)}$

上式中：m表示序列图像第m行,取值范围0＜m≤M；p(m)表示电线在序列图像中第m行的振动标记位置。

对p(m)与其均值作比较，得到电线振动的相对位置数据p_cf(m)：

$p_{\mathrm{cf}}\left(m\right)=p\left(m\right)-\frac{1}{M}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}p\left(m\right)$

5、图像数据的振动频率计算采用快速傅里叶变换算法FFT。

对p_cf(m)进行傅里叶变换：

$F\left(v\right)={\∫}_{-\∞}^{+\∞}{p}_{\mathrm{cf}}\left(m\right)\exp [-j2\mathrm{\πvm}]\mathrm{dm}$

上式中，ν为频域变量。

傅立叶变换结果F(ν)是一个复数。设F(ν)的实部为Q(ν)，虚部为I(ν)，则F(ν)可表示如下：

F(ν)＝Q(ν)+jI(ν)

其中， $\left|F\left(v\right)\right|=\sqrt{Q^2\left(v\right)+I^2\left(v\right)}$

|F(ν)|为p_cf(m)的傅立叶幅度谱，当|F(ν)|的值最大时，则其对应的频率ν是电线振动的频率。

表1为在三个不同电线位置实测的电线振动频率结果。

位置1	0.97656HZ
		位置2	0.39062HZ
位置3	0.78125HZ

表1

从表中可以看出本发明能对不同位置的架空电线进行数据采集并经过处理和计算得到电线的振动频率。

参照图3，为本发明图像采集装置工作原理。

当图像采集装置工作时，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，且振动方向不能与扫描方向平行。

高速摄像机1对电线成像时，在亮度值上天空通常比电线亮度高，故会形成亮背景暗电线的暗光斑3。当电线振动时，光斑3随之运动。采集并记录下光斑3的运动就可以获得电线的振动信息。

以下结合附图和测量结果对本发明作补充说明。

参照图4，图4(a)为去噪处理前的原始图像数据，横轴为像素位置n，纵轴为原始图像数据的像素灰度值z(n),从图中可以看出原始序列图像数据除像素位置n＝400以外的其它区域都含有明显的小范围像素灰度值波动的噪声。图4(b)为经过去噪处理的图像数据，横轴为像素位置n，纵轴为去噪处理后的像素灰度值r(n)，从图4(b)中可以看出，在去噪前含有小范围像素灰度值波动的区域的噪声均被有效抑制。

参照图5，为CLSP下驻点计算原理图示意图。

对于亮目标暗背景形成的凸起冲击可以用底部CLSP作为信号检测的基准线，对于暗目标亮背景形成的凹陷冲击可以用顶部CLSP作为信号检测的基准线。

当为亮目标暗背景时，求出底部CLSP。底部CLSP可由滤波结果的下驻点连接得到，下驻点满足条件，即：

r′(n)≤0 and r′(n+1)≥0

上式中，r′(n)为滤波结果在像素位置n处的导数。

得到满足以上条件的下驻点后，通过插值的方法得到底部CLSP基线的像素灰度值。驻点连线CLSP由处于滤波处理后图像数据上的点和不在滤波处理图像数据上的点连接组成，后者由处在滤波处理图像数据上的与其邻近的点线性插值得到。

底部CLSP基线灰度值插值公式如下：

r_e(n)＝r(n-a)+k[r(n+b)-r(n-a)]

其中：

$k=\frac{a}{b+a}$

上式中，k为插值系数。r_e(n)为CLSP驻点的像素灰度值。

对于顶部CLSP的计算与此类似。

参照图6，图6(a)为增强处理前的图像数据。由于本发明获得的图像数据为暗目标亮背景，故增强处理中采用上驻点得到顶部CLSP基准线，图6(a)中虚线为顶部CLSP基准线，实线为图像高斯滤波后的像素灰度值。从图中可以看出，由于天空背景不均匀，像素位置处于800和1300之间的像素灰度值与电线位置(n＝400)的像素灰度值接近，像素灰度值曲线向右下方倾斜，不利于进行图像数据分割处理。图6(b)为图像数据经过增强处理的结果。从图中可以看出，像素位置处于800和1300之间的像素灰度值与电线位置(n＝400)的像素灰度值接近的情况被有效消除，像素灰度值曲线向右方倾斜的情况被纠正。经过图6(a)和图6(b)对比，该方法能有效的消除天空背景不均匀对架空电线造成的影响。

参照图7，为图像数据进行阈值分割处理的结果，从图中可以看到像素位置n＝400的地方被标记为1，其它地方被标记为0。像素位置n＝400为电线的振动位置，该位置通过阈值分割被有效的标记出来。

参照图8，为本***实际测量的经过形心计算处理后得到电线标志位置的图像数据。从图中可以看出，在序列图像中行数在0到1400之间，每一行电线振动的相对位置数据p_cf(m)在-50和50之间，该p_cf(m)电线振动相对位置数据可用于电线振动频率的计算。

以上描述和实施例，仅为本发明的优选实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和设计原理后，都可能在基于本发明的原理和结构的情况下，进行形式上和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于线扫描成像的架空电线振动频率测量***，包括图像采集装置和与其相连接的数据处理装置，其特征在于，所述图像采集装置采用高速摄像机(1)，该高速摄像机(1)的成像光路与待测架空电线垂直对正,对电线某一位置在垂直电线方向上进行多次线扫描成像，记录下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(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。

2.根据权利要求1所述的基于线扫描成像的架空电线振动频率测量***，其特征在于，所述高速摄像机(1)的工作频率大于150HZ，并搭配长焦距镜头。

3.根据权利要求1所述的基于线扫描成像的架空电线振动频率测量***，其特征在于，所述图像数据去噪处理采用高斯滤波法，用于去除图像采集装置产生的噪声。

4.根据权利要求1所述的基于线扫描成像的架空电线振动频率测量***，其特征在于，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。

5.根据权利要求1所述的基于线扫描成像的架空电线振动频率测量***，其特征在于，所述图像数据分割处理采用阈值分割法，用于提取电线目标。

6.根据权利要求1所述的基于线扫描成像的架空电线振动频率测量***，其特征在于，所述图像数据计算包含电线位置计算和电线振动频率计算。

7.根据权利要求6所述的基于线扫描成像的架空电线振动频率测量***，其特征在于，所述电线位置计算采用形心计算的方法。

8.根据权利要求6所述的基于线扫描成像的架空电线振动频率测量***，其特征在于，所述电线振动频率计算采用傅里叶变换的方法，对形心计算结果进行计算，用于得到电线振动频率数据。