近年來，我們?yōu)榇笮腕麎弘姍C研制的微光charge-coulpeddevice（電荷費和器件），簡稱ccd.ccd電暈觀測系統(tǒng)，是集光、機、電、微機為一體，將微光夜視高新技術及圖像處理技術相結合的綜合系統(tǒng)。它采用大口徑微光物鏡和超二代倒像微光像增強器來接收并放大電暈放電產生的光信號，由與像增強器相耦合的面陣ccd圖像傳感器把光信號轉換成相應的視頻信號，再將頻視信號經(jīng)過圖像采集卡轉換成數(shù)字信號后存儲在計算機中，并利用編制的圖像處理軟件對采集到的圖像作進一步的處理。本章將從電暈圖像特性及觀測要求的分析入手，對該系統(tǒng)的硬、軟件逐一詳述，達到利用該系統(tǒng)取代“目測法”觀測篼壓電機電暈的目的。

微光ccd電暈觀測的硬件構成篼壓電機起始電暈的形成及發(fā)展過程的圖像是研究電暈特性時被觀察的對象。電暈圖像具有的特性為：電暈發(fā)出可見輻射；發(fā)出的光屬低能量、小尺寸、隨時間和空間變頻像卡視圖采圖像的計算機及圖像采集卡、高分辯率監(jiān)視器等。整個系統(tǒng)硬件框圖如所示。

電暈微光困1微光電暈觀系統(tǒng)硬件框困微光ccd電暈觀測系統(tǒng)將電暈放電圖像的光信號，經(jīng)光接收系統(tǒng)的光學處理后入射到ccd圖像傳感器的光敏元件上，經(jīng)光電轉換后轉換成視頻信號，之后送入顯示裝置進行顯示或經(jīng)圖像采集卡轉換后送入計算機作進一步的處理。以下將對光接收子系統(tǒng)、光電轉換、圖像顯示與處理子系統(tǒng)等進行詳細介紹。

1光接收子系統(tǒng)，電暈放電產生的光信號來說，其波長大多小于400nm，放電量為幾千pc時，放電總能量為幾個如此微弱的光要求光接收系統(tǒng)須具有很篼的增益，必須使用增強技術（即能夠提篼人眼直接觀察像面照度的技術）來提篼光信號的強度。光接收子系統(tǒng)由微光物鏡和像增強器及其電源兩部分組成，其中微光物鏡是用來接收電暈的圖像光信號的，像增強器對微光物鏡接收到的光信號進行放大、增強等處理。

2.1.1微光物鏡微光物鏡的作用是接收電暈放電發(fā)射出的電暈暈光并成像在像增強器的光陰極面上，因為電暈放電發(fā)出的光線非常微弱，所以微光物鏡應具有大的通光孔徑，并能最大限度地限制雜散光。本系統(tǒng)采用了大孔徑微光折反物鏡。其參數(shù)如下：=135mm有效孔徑d=86mm其相對孔徑（d//）根據(jù)和/計算出d//=135/86=1.57一般微光系統(tǒng)要求微光物鏡的相對孔徑大于1/1.5，本系統(tǒng)微光物鏡完全滿足要求。2.12像增強器微光像增強器是手持式‘暈觀測儀的核心器件，對于微光ccd電暈觀測系統(tǒng)來說，微光像增強器是其整個光接收系統(tǒng)的核心器件。其主要作用是在不失真的前提下把微弱的暈光增強到足夠的亮度，減少噪聲，提高信噪比。像增強器是一種電真空成像器件，主要由光陰極、電子光學系統(tǒng)和熒光屏等三部分組成。其圖像增強作用主要由三個環(huán)節(jié)來完成，即外光電效應的光陰極把輸入到它上面的低能輻射圖像轉變成電子圖像。電子圖像通過特定的靜電場或電磁復合場而獲得能量并被加速聚焦到該電子學系統(tǒng)的像面上。位于電子光學系統(tǒng)像面的熒光屏被高速電子轟擊而發(fā)出和入射圖像強弱相應的被增強了的目標可見圖像。像增強器具有如下特點：具有一定的亮度增益，有利于放大電暈圖像微光ccd電暈觀測系統(tǒng)要觀察的是電暈放電產生的暈光，信號非常微弱。像增強器工作在這樣的條件下，這就要求像增強器具有足夠高的亮度增益，以便把每一個探測到光子增強到可觀測到的程度。如果增益不夠大會使像增強器的輸出亮度過低，影響系統(tǒng)的鑒別力。但像增強器的增益也不是越大越好，過大增益會由于像管本身噪聲加大而出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象，使觀察效果下降，甚至可能淹沒要觀察的信號。

具有較低的背景噪聲，有利于防止圖像失真像增強器會由于光陰極熱發(fā)射及信號感生等各種因素造成附加背景噪聲，這將使熒光屏產生一背景亮度，從而使圖像的對比度惡化，嚴重的可能會淹沒目標信息。低背景噪聲是像增加器正常工作的基本條件。

具有很篼的響應度，能提高系統(tǒng)對電暈暈光的響應度篼增益和低背景噪聲是像增強器工作基本條件，保證了系統(tǒng)能放大圖像且放大后的圖像不失真。但像增強器只能使已經(jīng)獲得的目標信息增強而不能增加來自目標的任何信息。光接收系統(tǒng)獲得目標信息的多少取決于像增強器的光陰極的響應度。響應度包括兩個方面：一是光陰極的靈敏度；二是光陰極的光譜響應和輻射光譜的匹配程度。在觀察電暈放電時的自然微光光譜從。

急劇上升的，因此要求光陰極的長波響應應向近紅外延伸并能有高的響應。

具有較高的圖像傳遞信噪比像增強器在進行圖像信息的轉換和增強時，都伴隨附加噪聲，像增強器產生噪聲的主要原因是：輸入光子的噪聲，光陰極量子轉換噪聲和暗噪聲，熒光屏顆粒噪聲等。上述因素綜合作用會使輸出的圖像惡化。要使像增強器符合系統(tǒng)觀測要求必須保證其有較篼的輸出信噪比。

如果像增強器的響應時間很長，當輸入圖像運動時則會使圖像細節(jié)模糊。

本系統(tǒng)采用了新型倒像微光像增強器，這種像增強器畸變小、分辨率高，能防強光和自動亮度控制，其參數(shù)如下：熒光屏有效輸入直徑i20mm陰極積分靈敏度2光電轉換子系統(tǒng)光電轉換子系統(tǒng)其作用是把光強分布信號轉換成按時序串行輸出的視頻信號，而視頻信號能再現(xiàn)入射的光輻射圖像。系統(tǒng)選用了ccd圖像傳感器作為光電轉換器件。ccd是一種固體成像器件，它是在大規(guī)模硅集成電路基礎工藝上研制而成的模擬集成電路芯片，ccd圖像傳感器具有集成度高、信噪比篼、動態(tài)范圍大、靈敏度高、可行性高等優(yōu)點。借助于必要的光學系統(tǒng)和合適的外圍驅動與處理電路，可以將目標圖像通過輸入面空域上逐點的光電信號轉換，在其輸出端產生一時序視頻信號，并經(jīng)末端顯示裝置（如監(jiān)視器）同步顯示出一幅幅人眼可見的圖像。

由像增強器與ccd耦合制成的微光ccd攝像系統(tǒng)，使ccd的動態(tài)范圍大幅度向低照度擴展，ccd作為輸出級便于后續(xù)的圖像信號的處理、記錄、傳輸和顯示，其ccd的噪聲低、光響應靈敏度均勻。

2.2.1ccd圖像傳感器ccd圖像傳感器的工作主要是靠電荷的存儲、轉移和輸出來完成的。把入射到ccd光敏元件上的光強信號，通過電荷的轉移（傳輸）轉換成視頻信號。在一定的條件下ccd輸出的視頻信號能很好地再現(xiàn)輸入的光輻射圖像。下面結合電暈觀測的具體情況，來分析對圖像傳感器的靈敏度、響應不均勻度、暗電流、器件噪聲、分辨率等幾項重要參數(shù)指標的要求；同時這些也決定著選擇的ccd的質量。

ccd圖像傳感器的靈敏度標志著器件光陰極有效輸入直徑20mm敏區(qū)的光電轉換效率。圖像傳感器的靈敏度越高，該器件的轉換效率就越篼，同樣的光箱射信號曝光條件下器件的輸出電壓或電流也就越大。因此應選擇靈敏度篼的ccd，這樣ccd輸出的信噪比也就會篼，才能檢測相對微弱的光信號。

在理想情況下，ccd圖像傳感器均勻光照射時，輸出幅度應該是完全一致的。但實際上由于制作器件的半導體材料的不均勻（雜質濃度、晶體缺陷分布的不均勻等），掩膜誤差、缺陷、工藝條件等因素的影響，在均勻光的照射下，圖像傳感器的輸出幅度是不可能均勻的，這就是ccd的響應不均勻性。

在我們的系統(tǒng)中，ccd輸出視頻信號的不均勻會引起，整個采集系統(tǒng)以圖像的幀存為核心，包括視頻預處理電路，a/d轉換電路，pc接口電路。由于視頻采集數(shù)據(jù)量大，實時性強，要求處理速度快，因此在圖像處理中采用了c -cube公司的risc解碼芯片。

視頻采集系統(tǒng)的工作過程如下：ccd輸出的視頻信號經(jīng)過視頻預處理電路的處理后送到a/d轉換器，同步控制電路從視頻信號中提取同步信號，并產生a/d轉換所需要的時鐘，a/d采樣所得到的數(shù)據(jù)寫入幀存中，軟件控制pc機讀取幀存中的數(shù)據(jù)送到顯示器上顯示，并可以通過視頻采集軟件控制pc機采集圖像。也可直接把采集到的視頻信號以視頻文件的形式存到外存儲器中。

該圖像采集卡具有如下優(yōu)點：高精度、高信噪比，適合本系統(tǒng)圖像采集和處理的需要：充分利用a/d轉換器的轉換速度，不受微機執(zhí)由采集本身產生，減少了外接電路；可直接插在pc機的pci總線插槽上，充分利用pc機pci總線的速度來完成視頻信號的實時采集；卡上帶有幀存儲器，可實現(xiàn)采集卡邊讀邊寫，不會影響視頻信號的采集速率。

困2視鐸信號采集系統(tǒng)原理困為了保證采集速率和防止采集圖像時丟幀現(xiàn)象的發(fā)生，采集卡對pc機的硬件有一定的要求：pc機為奔騰200，32m內存及較大的硬盤容量。vga及以上顯示卡。帶有32位pci插槽。

2.4系統(tǒng)附件2.4.1監(jiān)視器的選擇監(jiān)視器用于監(jiān)視圖像質量，由于現(xiàn)在的微光ccd攝像系統(tǒng)都是灰度視頻信號，監(jiān)視率視頻監(jiān)視器，該機型性能穩(wěn)定可行，分辨率大于650tvl（電視線），具有亮度調節(jié)和對比度調節(jié)，能控制水平和垂直方向的同步，調節(jié)聚焦、場幅和場線性，監(jiān)視器的視頻兼容ntsc和pal制式的電視信號。

-p視頻信號可以從視頻輸出端輸出，用帶bnc插頭的同軸電纜環(huán)接bnc插座，能夠做到多臺監(jiān)視器顯示同一視頻信號。這就使得在監(jiān)視器上觀察的同時不影響計算機對視頻信號的采集。監(jiān)視器的分辨率要比計算機的分辨率大，因此利用監(jiān)視器要比單獨用計算機采集能更早發(fā)現(xiàn)電暈。

2.4.2多方位轉動臺電暈觀測系統(tǒng)的光學視場角由下式?jīng)Q定：徑。光學系統(tǒng)的觀測范圍沒有人的視野那樣大，視場角一般為10°左右，在這樣的范圍內能觀測到電暈圖像全部。但對觀測電暈放電來說，放電達到一定強度時，可能發(fā)生在相距較遠的多個部位。為了方便光學子系統(tǒng)的調節(jié)，使其能在較大的視場范圍內進行工作，系統(tǒng)使用pih-302型多方位轉動云臺進行調節(jié)，其俯仰角在±60內可調，水平角在土350°范圍內可調，使觀測儀器本身可以轉動，觀察范圍更大。

3圖像采集及處理軟件電暈放電產生的電暈光信號轉換成連續(xù)的視頻信號的過程中，由于各個方面的原因，比如目標的亮度不夠高，成像系統(tǒng)本身器件的噪聲（如像增強器和ccd帶來的各種噪聲），影響到成像的質量；這個視頻信號中包括各種各樣的噪聲成份，圖像的信噪比較低，觀察效果較差。因此，必須采用數(shù)字處理技術，從硬件和軟件上對圖像進行處理，使最終的圖像信號能滿足觀察的需要。

下面主要論述兩個方面的工作，一是論述數(shù)字圖像處理的常用方法，根據(jù)系統(tǒng)的需要選擇合適的圖像處理算法；二是根據(jù)有效的圖像處理算法，編制圖像處理軟件包，通過軟件控制視頻信號的采集，實現(xiàn)對圖像的增強、濾波、降噪等處理。通過處理，使圖像能滿足。

困4試系統(tǒng)接線困1.電源開關2.調壓器3.電壓表4實變壓裒5.保護電f且6.實驗線棒7.保護電阻8.保櫨銅球9.撤光ccd電暈觀系統(tǒng)5.1.1.3實驗標準電暈試驗電壓為工頻交流電壓，/ =50hz，波形為實際正弦波；試驗時，施壓以不趄過全值的一半開始，然后逐步或分段地以不超過全值的5%的遞增率升到全值；試驗電壓為當額定電壓小于或等于15.75kv時，試驗電壓為1.5l/n，此時無可見電暈為合格；當l/n大于或等于18.0kv時，試驗電壓為1.2un，此時無可見電暈為合格。

實驗電壓為ut=2.75un+6.5kv，升壓過程（同上）中觀察并記錄電暈變化過程及起暈電壓值。

5.1.2實驗過程實驗在密封良好的暗室里進行，觀察距離應距線圈2m，觀察人數(shù)應不少于兩人。一人操控微光ocd電暈觀測系統(tǒng)，另一人目測觀察。

實驗前，線圈直線部分包扎電極，電極與線圈應接觸良好，包扎長度與電機鐵心長度等長。按接線。

實驗時，首先要打開監(jiān)視器，使監(jiān)視器預熱。將微光物鏡對準線棒端部，去掉微光物鏡的保護罩（用于平時防止強光損壞像增-強器），打開像增強器和ccd攝像機的電源。將物鏡對準線棒端部，仔細調節(jié)物鏡至得到清晰的圖像。

采集圖像時，打開計算機，啟動圖像處理軟件并選擇“文件”菜單中“圖像采集”菜單項，調用采集程序之后就可以采集圖像。

由于實驗中采用了微光器件，在實驗中要注意遮光，一方面是防止影響電暈的觀察，另一方面是防止損害微光器件。尤其要防止物鏡視野內有小而強的點光源。

由于器件沒有采取制冷措施，連續(xù)實驗時間最好小于2h.在計算機進行圖像采集時，盡量不要運行其他程序，否則計算機可用資源的減小易使采集過程出現(xiàn)幀現(xiàn)象，這會影響視頻采集的質量。

實驗過程中可以采集單幀圖像，或視頻數(shù)據(jù)，采集好所需的圖像后，可用“圖像處理軟件”的處理算法對采集到圖像進行適當?shù)奶幚?，之后就可以對圖像進行分析討論。

5.2實驗結果20kv汽發(fā)定子線棒在防暈實驗中，當實驗電壓加至l/t=1.2l7n=24kv時，并未發(fā)現(xiàn)電暈。

lmin交流耐壓實驗：當實驗電壓升至55kv時，右側的線棒出槽口高低電阻搭接處出現(xiàn)電暈（兩點）。當實驗電壓升至額定耐壓值l/t=2.7517〃+6'.51=61.51時，右側2線棒的兩點電暈放電進一步增強，并且在出槽口處出現(xiàn)青光。左側的1線棒在整個防暈區(qū)均未發(fā)現(xiàn)電暈放電現(xiàn)象。

222kv實驗線棒在防暈實驗中，當實驗電壓加至= =26.4kv時，未發(fā)現(xiàn)電暈；lmin交流耐壓實驗中，當實驗電壓升至額定耐壓值ut=2.75l7n+6.5kv=67kv時，整個防暈區(qū)均未發(fā)現(xiàn)電暈放電現(xiàn)象。

5.3結果分析20kv汽發(fā)定子線棒通過微光ccd電暈觀測系統(tǒng)的測試：1成品線棒在防暈實驗以及l(fā)min交流耐壓實驗中，整個防暈區(qū)均未發(fā)現(xiàn)電暈放電現(xiàn)像；2半成品線棒起暈電壓為55kv（通過另一位實驗員的目測觀察，起暈電壓為660kv），并在加壓至額定耐壓值時，于出槽口處出現(xiàn)青光現(xiàn)象。正是兩根線棒端部防暈結構的差異（見5.1.1.1節(jié)中對防暈結構的介紹），導致了截然不同的防暈效果。對實測結果的具體分析如下：2半成品線棒為一次成型結構，但表面未作二次防暈處理，端部防暈效果不夠理想。由于碳化硅高阻防暈帶在線棒模壓過程中受主絕緣樹脂流淌的影響，在主絕緣固化后，碳化硅防暈層的表面電阻率發(fā)生了變化，導致出槽口處（即高低電阻搭界處）始端電場強度edi的大幅提篼，從而產生電暈。

碳化硅在高場強作用下常發(fā)生場致發(fā)光現(xiàn)象，即青光，實際上空氣未發(fā)生游離，與電暈在本質上截然不同。通過在附加絕緣表面上涂刷一層耐電弧紅瓷漆，即可覆蓋住青光，消除該假象。

微光ccd電暈觀測系統(tǒng)測得的起暈電壓為55kv，而用目測法觀察，起暈電壓為60kv.這足以證明，微光ccd電暈觀測系統(tǒng)的靈敏度很高。

3.222kv實驗線棒兩根線棒在整個實驗過程中均未發(fā)生電暈放電，證明文中所做的22kv高壓電機防暈結構的優(yōu)化設計是行之有效的。