全日盲紫外成像探測儀光學系統設計

董建新+袁曉輝+潘瑞龍

摘 要： 全日盲紫外成像探測儀可對架空輸電線路產生的電暈進行早期探測，降低電力設備損傷。紫外物鏡作為全日盲紫外成像探測儀的核心元器件，其性能指標直接影響探測儀的性能。針對電暈檢測系統大多存在光能利用率不足的問題，設計了一種基于分色分光的同軸光學系統，消除了中心視場遮攔，增大了紫外光通道的通光口徑，有效提高了電暈探測系統的能量收集能力。設計的紫外物鏡全視場全探測范圍內點列圖均方根小于0.14 mm，滿足紫外電暈探測的分辨率需求。相較于國外紫外成像探測儀的光學系統，分色分光同軸光學系統的全日盲紫外成像探測儀對能量的收集能力明顯高于國外紫外成像探測儀。

關鍵詞： 紫外成像； 探測儀； 同軸光學系統； 分辨率

中圖分類號： TN02?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）01?0152?04

Abstract： The solar?blind ultraviolet （UV） imaging detector can detect the corona generated by the overhead transmission line early， and reduce the damage of electrical equipments. The UV objective is taken as the core component of the solar?blind UV detector， whose performance indicator affects on the performance of the detector directly. Since the corona detection system has the problem of insufficient solar energy utilization efficiency， a coaxial optical system based on wavelength and light separation was designed to eliminate the shelter of the center field， and enlarge the optical aperture of the UV channel， improve the energy collection ability of the corona detection system effectively. The root mean square of the spot diagram of the designed UV objective within the full field and whole detection range is less than 0.14 mm， and meets the requirement of UV corona detection resolution. In comparison with the optical system of the foreign UV imaging detector， the energy collection ability of the solar?blind UV imaging detector adopting the wavelength and light separation coaxial optical system is superior.

Keywords： UV imaging； detector； coaxial optical system； resolution

0 引 言

由于宇宙射線及地層放射性物質的物理作用，使得空氣中含有少量帶電離子，這些帶電離子在電場的作用下做定向移動，形成電導電流。當高壓輸電設備之間的電場強度增高至一定值時（一般在20～30 kV/cm之間），空氣中的帶電離子在電場的作用下獲得足夠的能量，與空氣中的其他分子發生碰撞電離，形成傳導性很高的通道，使高壓輸電設備表面的空氣被局部擊穿，產生電暈放電[1?4]。電暈放電會導致輸電設備表面產生燒毛現象，腐蝕絕緣子，損壞輸電線路，更嚴重的可能導致供電事故。此外，由于電暈放電伴隨有高頻脈沖電磁波的輻射，對無線電通信也會產生很大干擾。因此，能夠進行電暈早期探測并準確定位的日盲紫外成像探測儀越來越受到電力部門的重視[5?7]。日盲紫外成像探測儀通過視場高度匹配的紫外、可見光兩個通道，實時采集視場內的紫外圖像與可見光圖像。其中，紫外通道工作于240～280 nm的日盲紫外譜段，由于平流層中臭氧的強烈吸收，太陽光譜中該譜段輻射在近地大氣中幾乎是不存在的，在該譜段開展成像探測可天然地避免自然界復雜背景的干擾。日盲紫外成像探測儀利用電暈輻射光譜中含有日盲紫外光這一特點實現對電暈的早期成像探測。早在20世紀70年代末期，國外便已開展了對紫外輻射光信號的研究。20世紀90 年代末，國外已著手開展了日盲紫外成像探測儀的研制工作，而后逐步投放市場[8?10]。目前，具有代表性的產品主要有以色列Ofil公司的SuperB，Luminar以及南非UViRCO公司的CoroCAM系列等，如圖1所示。

上文所述產品雖具有靈敏度高、定位準確、操作簡單、功耗低等優點，但同時也存在著諸多缺點，紫外光學系統的結構即是存在的典型缺點之一。紫外物鏡作為日盲紫外成像探測儀的核心元器件，主要影響探測儀的通光口徑、光能利用率、分辨率及視場等參數，其性能指標直接影響探測儀的性能。Ofil及UViRCO公司生產的紫外物鏡普遍采用卡塞格林系統，中心視場存在遮攔，導致整個探測儀的通光口徑減小、光能利用率不足，如圖2所示。這直接導致在探測儀遠距離工作時為使入射至探測儀的光能量滿足成像需求，通常要求較大的主鏡口徑。在應用方面，這一缺陷大大不利于產品的小型化研制。

針對上述問題，本文設計了一種基于分色分光的同軸光學系統，消除了中心視場遮攔，增大了紫外光通道的通光口徑，有效提高了電暈探測系統的能量收集能力，為全日盲紫外成像探測儀的廣泛應用提供了借鑒和實用參考。

1 光學系統參數的確定

全日盲紫外成像探測儀通常要求的技術指標如表1所示。

計算得到所需的紫外物鏡焦距mm，綜合考慮，最終確定選取的系統焦距為160 mm。

在電暈檢測系統中，可見光通道用于對探測背景進行成像，其成像通道應盡可能保留背景圖像的細節信息。而日盲紫外通道僅用于探測是否存在電暈放電現象，其圖像特點為電暈放電區域呈斑點狀且時域圖像不具有特定的形貌信息，因此日盲紫外通道成像不關心物體的細節信息，僅關心成像的光能量以及分辨能力。當兩個電暈放電點成像的80%彌散斑不發生重疊時，后續的圖像處理系統可通過簡單的圖像處理算法將兩物點分開。由系統的角分辨率需求及系統焦距可計算得到紫外物鏡對點物成像的80%彌散斑半徑需滿足：

2 紫外物鏡設計

光學材料的透過率大都隨工作波長的減小而降低，因此能夠用于日盲紫外工作波段的透鏡材料較少，常用的材料有熔石英和氟化鈣。對于氟化鈣材料，其價格比較昂貴且在240～280 nm的工作波段范圍內，氟化鈣表現出較強的本征雙折射，嚴重影響著系統的分辨率。由于實際工作波段較窄，色差較小，因此本系統設計中僅選用熔石英作為透鏡材料。由于電暈放電發出的日盲紫外光能量較弱，為避免過多鏡片導致能量的過度損耗同時節約系統成本，在設計時希望采用盡量少的鏡片滿足系統需求，因此采用分裂單片鏡片的方法進行紫外物鏡的設計，設計步驟如圖3所示。

圖4中面1反射鏡為分光分色鏡，用于將目標發出的可見光和紫外光分開，實現紫外可見雙路探測。面12，13有紫外帶通濾光片，紫外ICCD的像面和面13重合。同時，紫外物鏡可以通過機械調焦結構整體移動，實現對3 m至無窮遠的目標進行探測。

3 紫外物鏡分析

3.1 紫外物鏡像質評價

電暈檢測系統中，紫外通道的光學系統是對目標信號進行能量探測的系統，系統的能量集中度是評價系統成像質量的關鍵指標。大像差系統中，點列圖的點分布能代表點像的能量分布，點的密集程度可以衡量系統成像質量的優劣。因此對于能量探測系統常采用點列圖作為系統的評價標準。探測距離分別為3 m和無窮遠時各個視場成像的點列圖如圖6和圖7所示。從圖中可以看出，在整個探測范圍內，系統的各個視場彌散斑的均方根半徑均小于0.14 mm，滿足設計需求。

3.2 紫外物鏡公差

實際的光學系統與理論設計的光學系統之間會存在光學元件的加工、裝調誤差，使得實際性能有所改變或降低，而像質評價只是反應在理論設計理想的情況下紫外物鏡成像的好壞。因此在光學系統的理論設計達到技術指標要求后，還需根據生產制造及裝配能力制定初步公差參數，并進行公差分析，通過對系統公差的分析，找出系統敏感性公差，對影響較大的公差項加以嚴格控制，同時，合理地設置公差補償，提高系統的容差，并最終確定系統的各項公差參數，為后續的機械方案設計提供指導。綜合考慮光學鏡片生產水平和實驗室的裝配能力，最終制定的公差如表3所示，其中光學元件的折射率公差設定為0.000 1，阿貝數公差為0.1%。

可以看出，90%的鏡頭在最終制定的公差范圍內都能夠滿足設計需求，因此，紫外物鏡可以依據此公差進行加工和裝配。相較于現在國外的反射式設計，透射式設計在光能利用率上更具有優勢，具體見表5。

4 結 論

本文分析了電暈檢測的需求，提出了紫外物鏡的總體設計需求，通過分裂法設計了應用于分光分色系統的紫外物鏡。在6°的視場內，設計的紫外物鏡在3 m至無窮遠的成像范圍點列圖均方根均小于0.14 mm，滿足紫外電暈檢測的分辨率需求。同時，結合實驗室現有的加工和裝配能力，給出了整個光學系統的公差分析。因此本文設計的物鏡可以滿足紫外電暈探測的應用需求。

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