全日盲紫外成像探测仪光学系统设计

董建新+袁晓辉+潘瑞龙

摘 要： 全日盲紫外成像探测仪可对架空输电线路产生的电晕进行早期探测，降低电力设备损伤。紫外物镜作为全日盲紫外成像探测仪的核心元器件，其性能指标直接影响探测仪的性能。针对电晕检测系统大多存在光能利用率不足的问题，设计了一种基于分色分光的同轴光学系统，消除了中心视场遮拦，增大了紫外光通道的通光口径，有效提高了电晕探测系统的能量收集能力。设计的紫外物镜全视场全探测范围内点列图均方根小于0.14 mm，满足紫外电晕探测的分辨率需求。相较于国外紫外成像探测仪的光学系统，分色分光同轴光学系统的全日盲紫外成像探测仪对能量的收集能力明显高于国外紫外成像探测仪。

关键词： 紫外成像； 探测仪； 同轴光学系统； 分辨率

中图分类号： TN02?34 文献标识码： A 文章编号： 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

由于宇宙射线及地层放射性物质的物理作用，使得空气中含有少量带电离子，这些带电离子在电场的作用下做定向移动，形成电导电流。当高压输电设备之间的电场强度增高至一定值时（一般在20～30 kV/cm之间），空气中的带电离子在电场的作用下获得足够的能量，与空气中的其他分子发生碰撞电离，形成传导性很高的通道，使高压输电设备表面的空气被局部击穿，产生电晕放电[1?4]。电晕放电会导致输电设备表面产生烧毛现象，腐蚀绝缘子，损坏输电线路，更严重的可能导致供电事故。此外，由于电晕放电伴随有高频脉冲电磁波的辐射，对无线电通信也会产生很大干扰。因此，能够进行电晕早期探测并准确定位的日盲紫外成像探测仪越来越受到电力部门的重视[5?7]。日盲紫外成像探测仪通过视场高度匹配的紫外、可见光两个通道，实时采集视场内的紫外图像与可见光图像。其中，紫外通道工作于240～280 nm的日盲紫外谱段，由于平流层中臭氧的强烈吸收，太阳光谱中该谱段辐射在近地大气中几乎是不存在的，在该谱段开展成像探测可天然地避免自然界复杂背景的干扰。日盲紫外成像探测仪利用电晕辐射光谱中含有日盲紫外光这一特点实现对电晕的早期成像探测。早在20世纪70年代末期，国外便已开展了对紫外辐射光信号的研究。20世纪90 年代末，國外已着手开展了日盲紫外成像探测仪的研制工作，而后逐步投放市场[8?10]。目前，具有代表性的产品主要有以色列Ofil公司的SuperB，Luminar以及南非UViRCO公司的CoroCAM系列等，如图1所示。

上文所述产品虽具有灵敏度高、定位准确、操作简单、功耗低等优点，但同时也存在着诸多缺点，紫外光学系统的结构即是存在的典型缺点之一。紫外物镜作为日盲紫外成像探测仪的核心元器件，主要影响探测仪的通光口径、光能利用率、分辨率及视场等参数，其性能指标直接影响探测仪的性能。Ofil及UViRCO公司生产的紫外物镜普遍采用卡塞格林系统，中心视场存在遮拦，导致整个探测仪的通光口径减小、光能利用率不足，如图2所示。这直接导致在探测仪远距离工作时为使入射至探测仪的光能量满足成像需求，通常要求较大的主镜口径。在应用方面，这一缺陷大大不利于产品的小型化研制。

针对上述问题，本文设计了一种基于分色分光的同轴光学系统，消除了中心视场遮拦，增大了紫外光通道的通光口径，有效提高了电晕探测系统的能量收集能力，为全日盲紫外成像探测仪的广泛应用提供了借鉴和实用参考。

1 光学系统参数的确定

全日盲紫外成像探测仪通常要求的技术指标如表1所示。

计算得到所需的紫外物镜焦距mm，综合考虑，最终确定选取的系统焦距为160 mm。

在电晕检测系统中，可见光通道用于对探测背景进行成像，其成像通道应尽可能保留背景图像的细节信息。而日盲紫外通道仅用于探测是否存在电晕放电现象，其图像特点为电晕放电区域呈斑点状且时域图像不具有特定的形貌信息，因此日盲紫外通道成像不关心物体的细节信息，仅关心成像的光能量以及分辨能力。当两个电晕放电点成像的80%弥散斑不发生重叠时，后续的图像处理系统可通过简单的图像处理算法将两物点分开。由系统的角分辨率需求及系统焦距可计算得到紫外物镜对点物成像的80%弥散斑半径需满足：

2 紫外物镜设计

光学材料的透过率大都随工作波长的减小而降低，因此能够用于日盲紫外工作波段的透镜材料较少，常用的材料有熔石英和氟化钙。对于氟化钙材料，其价格比较昂贵且在240～280 nm的工作波段范围内，氟化钙表现出较强的本征双折射，严重影响着系统的分辨率。由于实际工作波段较窄，色差较小，因此本系统设计中仅选用熔石英作为透镜材料。由于电晕放电发出的日盲紫外光能量较弱，为避免过多镜片导致能量的过度损耗同时节约系统成本，在设计时希望采用尽量少的镜片满足系统需求，因此采用分裂单片镜片的方法进行紫外物镜的设计，设计步骤如图3所示。

图4中面1反射镜为分光分色镜，用于将目标发出的可见光和紫外光分开，实现紫外可见双路探测。面12，13有紫外带通滤光片，紫外ICCD的像面和面13重合。同时，紫外物镜可以通过机械调焦结构整体移动，实现对3 m至无穷远的目标进行探测。

3 紫外物镜分析

3.1 紫外物镜像质评价

电晕检测系统中，紫外通道的光学系统是对目标信号进行能量探测的系统，系统的能量集中度是评价系统成像质量的关键指标。大像差系统中，点列图的点分布能代表点像的能量分布，点的密集程度可以衡量系统成像质量的优劣。因此对于能量探测系统常采用点列图作为系统的评价标准。探测距离分别为3 m和无穷远时各个视场成像的点列图如图6和图7所示。从图中可以看出，在整个探测范围内，系统的各个视场弥散斑的均方根半径均小于0.14 mm，满足设计需求。

3.2 紫外物镜公差

实际的光学系统与理论设计的光学系统之间会存在光学元件的加工、装调误差，使得实际性能有所改变或降低，而像质评价只是反应在理论设计理想的情况下紫外物镜成像的好坏。因此在光学系统的理论设计达到技术指标要求后，还需根据生产制造及装配能力制定初步公差参数，并进行公差分析，通过对系统公差的分析，找出系统敏感性公差，对影响较大的公差项加以严格控制，同时，合理地设置公差补偿，提高系统的容差，并最终确定系统的各项公差参数，为后续的机械方案设计提供指导。综合考虑光学镜片生产水平和实验室的装配能力，最终制定的公差如表3所示，其中光学元件的折射率公差设定为0.000 1，阿贝数公差为0.1%。

可以看出，90%的镜头在最终制定的公差范围内都能够满足设计需求，因此，紫外物镜可以依据此公差进行加工和装配。相较于现在国外的反射式设计，透射式设计在光能利用率上更具有优势，具体见表5。

4 结 论

本文分析了电晕检测的需求，提出了紫外物镜的总体设计需求，通过分裂法设计了应用于分光分色系统的紫外物镜。在6°的视场内，设计的紫外物镜在3 m至无穷远的成像范围点列图均方根均小于0.14 mm，满足紫外电晕检测的分辨率需求。同时，结合实验室现有的加工和装配能力，给出了整个光学系统的公差分析。因此本文设计的物镜可以满足紫外电晕探测的应用需求。

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