复合绝缘子内部缺陷的微波检测系统及可视化定量评估方法

本发明涉及微波无损检测，具体涉及一种复合绝缘子内部缺陷的微波检测系统及可视化定量评估方法。

背景技术：

1、典型复合绝缘子的结构包括硅橡胶套、玻璃钢芯棒以及两端的金属连接所组成。由于制造过程中复杂的工艺条件和恶劣的服役环境，如高压和恶劣的气候条件等，复合绝缘子内部易出现硅橡胶套与玻璃钢芯棒之间的气隙、玻璃钢芯棒中的碳化缺陷以及由应力腐蚀开裂所造成的裂缝等典型损伤；这些缺陷隐藏在复合绝缘子内部，不易检出，对复合绝缘子的完整性和电力线路的安全构成严重威胁；因此，利用有效的无损检测技术对复合绝缘子内部缺陷进行无损检测、成像和定量评估是必不可少的；

2、到目前为止，国内外微波无损检测领域的研究学者们大多聚焦于平板状试件如玻璃纤维增强聚合物和碳纤维增强聚合物等试件内部缺陷的检测与成像；而对于类似于复合绝缘子这种复杂形状，且含有多层介电材料的实际工程结构内部缺陷未有涉足；因此，利用微波无损检测对复合绝缘子内部缺陷进行高精度的缺陷成像及定量评估这部分研究内容仍有空白；有鉴于此，开发一种针对复合绝缘子内部缺陷的微波检测系统及可视化定量评估方法十分必要。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种复合绝缘子内部缺陷的微波检测系统及可视化定量评估方法，填补了国内对于利用微波无损检测技术对复合绝缘子内部缺陷进行可视化定量检测的空白。

2、为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种复合绝缘子内部缺陷的微波检测系统，该系统包括矢量网络分析仪、计算机、三轴扫描台控制器、三轴扫描台、夹具、矩形波导、复合绝缘子试件、同轴电缆；

4、所述矢量网络分析仪用于发射特定频段的微波信号并接收来自复合绝缘子试件的反射信号，同时进行计算得到反射系数s11，并将反射系数传输至计算机；

5、所述矢量网络分析仪与计算机电性连接，计算机通过labview软件控制矢量网络分析仪所发射微波信号的参数，包括工作频段、频率间隔、反射系数数据格式、功率，同时接收矢量网络分析仪所传输的数据并储存；

6、所述矢量网络分析仪通过同轴电缆电性连接矩形波导进行传输入射信号与反射信号，同轴电缆为输送线，传播tem波，矩形波导为扫描探头，传播te10波；

7、所述三轴扫描台包括一个旋转轴和两个直线轴；旋转轴通过夹持固定装置带动复合绝缘子试件平稳旋转；两个直线轴分别用于对复合绝缘子试件进行轴向直线扫描与控制提离，与旋转轴一起实现对复合绝缘子试件的圆柱面扫描；

8、所述直线轴中的提离轴与矩形波导通过夹具机械连接，从而实现三轴扫描台带动矩形波导扫描复合绝缘子试件；

9、所述三轴扫描台控制器与计算机、旋转轴和直线轴电性连接，计算机通过三轴扫描台控制器来控制三轴扫描台的移动。

10、进一步地，该微波检测系统通过分析来自复合绝缘子试件的近场反射信号，即近场微波反射法，来获取复合绝缘子试件内部缺陷的信息。

11、进一步地，结合旋转轴、直线轴及夹持固定装置实现了对于复合绝缘子试件圆柱形状的主干部分的圆柱面平稳扫描。

12、进一步地，通过控制矢量网络分析仪的采样频率、矩形波导的移动速度及旋转轴的旋转速度来保证复合绝缘子试件二维圆柱面数据的均匀空间采样。

13、所述的复合绝缘子内部缺陷的微波检测系统的可视化定量评估方法，包括如下步骤：

14、s1、复合绝缘子微波反射信号采集

15、利用微波检测系统对复合绝缘子试件进行圆柱面扫描以获取复合绝缘子试件上各个扫查点的反射信号；

16、确定微波检测系统工作参数，包括工作频段、频率间隔、提离、扫描范围和扫描步长，随后在所明确的工作参数下利用微波检测系统采集复合绝缘子试件的反射信号；根据复合绝缘子试件中各层材料的相对介电常数来确定微波穿透能力与分辨率均达到最优的工作频段，根据矩形波导到复合绝缘子试件的距离，确定频率的最大步进间隔，根据实验验证明确最佳提离，根据复合绝缘子试件尺寸明确扫描范围，根据要求的缺陷尺寸精度、工作频段中的最短波长以及矩形波导口径尺寸共同确定最佳扫描步长；基于工作参数，微波检测系统通过计算机控制矢量网络分析仪和三轴扫描台，实现对复合绝缘子试件的二维圆柱面采样，完成对复合绝缘子试件的反射信号采集；

17、s2、复合绝缘子内部缺陷的微波成像可视化

18、对反射信号进行自适应的直达波抑制处理以得到直达波抑制后的缺陷成像图；

19、在检测到的反射波中包括携带缺陷信息的反射波和不携带缺陷信息的直达波；直达波即来自矩形波导与同轴电缆接口处的回波、复合绝缘子试件中除缺陷界面以外各异质界面的回波，这部分回波不携带任何缺陷信息，是每个缺陷点反射波和非缺陷点反射波的共有成分，同时在反射波中占比大，严重影响了缺陷信号与非缺陷信号的区分以及后续缺陷成像中缺陷区域与非缺陷区域的对比度；有鉴于此，针对直达波的特性，提出基于矩阵奇异值分解的自适应直达波抑制算法来对所采集到的反射信号进行信号处理；在重构的反射信号中提取信号特征，进行缺陷成像；

20、基于矩阵奇异值分解的自适应直达波抑制算法的实现过程为：将反射信号重构为矩阵a，对矩阵a进行奇异值分解得到对角矩阵s，此时进入循环中，将对角矩阵s中前k个奇异值置0，对于首次迭代，k＝1，随后将前k个奇异值置0后的，即直达波抑制后的对角矩阵s'再次带入奇异值分解公式中，对矩阵a进行逆重构，得到消除直达波后的反射系数矩阵a'；根据消除直达波后的反射系数矩阵a'提取时域信号面积sa作为信号特征，进行缺陷成像；基于所得缺陷图像，利用tenengrad函数计算清晰度；迭代终止的条件为本次迭代与上一次迭代所得缺陷图像的清晰度之差小于10-3，若终止条件不能满足，则更新k，k'＝k+1，进入下一个循环，若终止条件满足，则停止迭代，跳出循环；通过迭代得到清晰度关于迭代步长的函数γ(k)，选择γ(k)的第一个峰值点所对应的缺陷图像作为最优的缺陷图像，并输出；如此，便确定了对角矩阵s中的直达波分量，并且得到了最佳的缺陷成像结果；

21、具体实施过程如下：

22、s2.1将反射信号数据集进行矩阵奇异值分解，进行直达波消除，并重构消除直达波后反射信号

23、将对复合绝缘子试件进行二维圆柱面扫描获得的反射信号按照如下方式重构为矩阵a：

24、

25、其中，为当频率为l时位于坐标点(x,y)处扫描点的反射系数s11，l'为工作频段中最后一个频率点；将a进行奇异值分解，表达为：

26、a＝usvt

27、其中，u为左奇异矩阵，v为右奇异矩阵，s为储存有a的特征值即奇异值的对角矩阵，对角矩阵s的形式具体为：

28、

29、其中，s的对角元素σi即为矩阵a的奇异值，其中，1≦i≦r，r为a的秩，有σ1≥σ2≥…≥σi≥…≥σr，该奇异值反映了反射信号的特性，其中数值最大的一些奇异值代表着在反射波中占比最高的直达波；首先将对角矩阵s中最大的奇异值置0，得到直达波抑制后的对角矩阵s'：

30、

31、左奇异矩阵和右奇异矩阵保持不变，将s'带回矩阵奇异值分解公式中逆重构反射信号：

32、us'vt＝a'

33、其中，a'为消除直达波后的反射信号矩阵；

34、s2.2在重构的反射信号中提取信号特征，进行缺陷成像

35、将消除直达波后的反射系数矩阵a'拆分成各个空间扫描点处的反射信号数据，再将每个扫描点重构后的频域信号通过傅里叶逆变换转换为时域信号：

36、y＝ifft(b)

37、其中b为a'中每个空间扫描点处的反射信号，y为转换后的时域信号；得到各扫描点的时域信号后，提取时域信号与时间轴所围面积作为信号特征：

38、sa＝∫ydt

39、其中，sa为时域信号与横轴即时间轴所围成的面积，记为时域信号面积，t为时域信号的横坐标时间；提取每个扫描点的时域信号面积sa进行缺陷成像，从而实现了缺陷的可视化；

40、对于二维圆柱面扫描来说，扫面平面为圆柱面，成像过程中将圆柱面利用角度-弧长转换公式转换为平面：

41、

42、其中，arc为旋转轴一次转角所对应的弧长，θ为复合绝缘子试件在旋转过程中的转角步长，单位为度，cir为缺陷所在圆柱面的周长；如此便将扫描的圆柱面转换成了成像所用的平面，在成像平面中，横轴方向为扫描过程中的试件轴向，纵轴方向对应于扫描过程中的圆周方向；

43、s2.3利用tenengrad函数模型对s2.2中图像清晰度进行计算

44、得到缺陷图像后，引入tenengrad函数来评价所得缺陷图像的清晰度；在tenengrad函数的建立过程中，需利用sobel卷积核，sobel卷积核表达为：

45、

46、其中gx和gy分别代表水平和垂直的卷积核，缺陷图像中坐标(x,y)处梯度计算的滑动窗口表达为：

47、

48、其中，f(x,y)为缺陷图像在坐标(x,y)处的像素点值，坐标(x,y)处的水平梯度fx和垂直梯度fy通过卷积核与滑动窗口的卷积求得：

49、

50、则坐标(x,y)处的梯度g表示为：

51、

52、引入95％的筛选条件对缺陷图像中各坐标点的梯度进行筛选：为了减少背景噪声对缺陷图像清晰度的影响，对所有坐标的梯度从最小值到最大值进行排列，提取所有坐标中百分位数大于95％的梯度值进行进一步计算，记为g'(x',y')，最终的图像清晰度γ表示为：

53、

54、其中，num为所有坐标点中百分位数大于95％的梯度值的坐标个数；

55、s2.4以图像清晰度为标准，自适应地调节奇异值序列值实现直达波信号的精确去除

56、利用矩阵奇异值分解与tenengrad函数模型来明确直达波成分，得到最大程度抑制直达波后的缺陷图像；

57、获得将对角矩阵s中第一个，即最大的奇异值置0后所得缺陷图像的清晰度后，回到对角矩阵s中，将前两个奇异值置0，再次重构反射信号；重复上述过程：在重构的反射信号中提取时域信号面积sa进行缺陷成像，基于缺陷图像利用tenengrad函数模型计算图像清晰度；对本次所计算的图像清晰度和上一次计算的图像清晰度做差，若该差值小于10-3，则跳出循环，若该差值大于或等于10-3，则再次回到对角矩阵s中，将前三个奇异值置0，从而继续生成缺陷图像并计算其图像清晰度；依次类推，最终满足迭代终止条件跳出循环，得到一组对应于对角矩阵中奇异值置0个数的清晰度向量γ(k)，在该清晰度向量中，选择第一个峰值点所对应的缺陷图像，视为最大程度抑制直达波后的缺陷图像并输出；

58、s3、采用高斯高通滤波-对比度受限的自适应直方图均衡化复合算法对s2中的缺陷成像结果进行增强处理

59、首先对缺陷图像进行高斯高通滤波处理，高斯高通滤波器通过抑制频域图像的低频部分来达到图像锐化的效果，其在缺陷成像图中的使用效果即为抑制图像中的背景噪声，高斯高通滤波器表达为：

60、

61、其中，h(i,j)为图像的频域形式，h为高斯滤波器的系数，gau(i,j)为频域中经高斯滤波器变换后的图像，row为图像的行数，col为矩阵的列数，d0为变换参数；

62、基于高斯高通滤波器处理后的图像继续进行对比度受限的自适应直方图均衡化处理，该处理在不增强背景噪声的情况下增强图像中缺陷区域的对比度；通过对缺陷图像依次进行高斯高通滤波处理和对比度受限的自适应直方图均衡化处理，从而实现进一步抑制背景噪声、增强对比度的目的；

63、s4、利用灰度直方图确定图像分割的阈值，对s3中的图像进行分割，得到二值化图像

64、经信号处理与图像处理获得高对比度的缺陷图像后，绘制出缺陷图像的灰度直方图；进行包络处理得到各缺陷图像的灰度直方图包络线；在灰度直方图的包络线中，会出现两个波峰和中间的一个波谷，以第一个波峰为中心的波段代表背景区域像素点的聚集区，以第二个波峰为中心的波段代表缺陷区域像素点的聚集区，通过寻找两波峰之间的最小值来确定波谷像素个数所对应的灰度值；同时以无缺陷的成像图作为参考，计算无缺陷成像图的灰度均值；将该灰度均值作为补偿标准，利用各缺陷图像的灰度直方图包络线波谷所对应的灰度值加上无缺陷成像图的灰度均值，得到灰度阈值；利用该灰度阈值对各个缺陷图像进行图像分割，得到二值化缺陷图像；

65、s5、对二值化缺陷图像进行缺陷位置和面积评估

66、二值化缺陷图像呈0-1分布，值为1的像素点为缺陷点，值为0的像素点为背景点；对于缺陷位置评估，缺陷区域呈单连通区域，寻找该区域质心即获得缺陷位置；对于缺陷面积评估，在二值化缺陷图像中统计缺陷点的个数，同时利用扫描步长获得缺陷图像中像素点对应的尺寸，将该尺寸乘以缺陷点的个数即获得缺陷的平面尺寸。

67、本发明的有益效果为：

68、本发明提供一种复合绝缘子内部缺陷的微波检测系统及可视化定量评估方法，利用微波反射法对复合绝缘子内部缺陷进行可视化检测及定量评估，实时提供缺陷信息，保证了复合绝缘子的结构完整性及服役安全。本发明中所述系统及方法具有高分辨率、高精度的优点，具体如下：

69、1.本发明微波检测系统能够对复合绝缘子的主干部分实施平稳均匀的二维圆柱面扫描，测量反射信号；

70、2.本发明所采用的自适应直达波抑制算法能够自适应地调节奇异值序列值，有效地对反射信号中的直达波成分进行抑制，显著增强缺陷成像结果中缺陷区域与背景区域的对比度；

71、3.本发明所采用的高斯高通滤波-对比度受限的自适应直方图均衡化复合算法，能够进一步抑制缺陷成像图的背景噪声，增强缺陷区域，提升缺陷成像图的对比度，改善成像质量；

72、4.本发明所采用的基于灰度直方图的图像分割方法能够精准确定缺陷成像图中缺陷区域的阈值，获取二值化图像，结合质心定位与面积计算，能够对复合绝缘子内部缺陷的位置和平面面积实现精确定量评估。