基于光谱分析法的输变电线路铁塔金属缺陷检测研究

谭兴华，陈瑞斌，杨东，郭振华

（河南四达检测技术有限公司，河南许昌 461000）

随着输变电线路规模的不断增大，需要对电网金属构件进行有效的监督，分析输变电线路铁塔金属缺陷分布特征量，通过无损检测和材质性能分析，进行输变电线路铁塔金属缺陷定位检测，提高输变电线路铁塔金属的监督和运维管理能力，相关的输变电线路铁塔金属缺陷定位检测方法研究受到人们的极大关注[1]。

结合电气设备材料类型，进行输变电线路铁塔金属缺陷检测，通过分析输变电线路铁塔金属在输电、转换和配电过程中的状态差异性特征量，进行输电线路的运维管理、优化控制，提高输变电线路铁塔金属缺陷定位监测能力[2-3]。传统方法中，文献[4]提出输电线杆塔横担处的螺栓缺陷检测方法，第一步利用灰度投影算法完成杆塔横担区域定位，第二步利用改进的霍夫变换提取精确的感兴趣区域，完成目标区域提取后，利用面积阈值法去除横担背景，提取待检测的螺栓信息，最后根据螺栓的特征检测螺栓是否平帽或者松动。但是该方法对输电线杆塔横担处的螺栓缺陷进行检测时，缺陷定位误差较大。文献[5]提出架空输电线路耐张线夹X 射线检测方法，通过大量耐张线夹在线检测，发现多种压接缺陷，避免因压接质量问题而引发输电线路事故，同时对缺陷分类、汇总，并分析不同缺陷产生的原因，对进一步改进压接工艺提供了有力的理论依据，但是该方法的漏检率较高。

针对上述方法存在的问题，文中提出基于光谱分析法的输变电线路铁塔金属缺陷检测方法。构建输变电线路铁塔金属缺陷特征分析模型，通过光谱特征挖掘的方法，进行输变电线路铁塔金属缺陷光谱信息特征提取，构建电磁辐射以及电磁辐射物质参数融合模型，根据不同波长按顺序进行输变电线路铁塔金属缺陷特征点标定，并分析变电站金属监督设备检测中的材质部件，实现输变电线路铁塔金属缺陷检测。最后进行仿真测试分析，表明了文中方法在提高输变电线路铁塔金属缺陷检测能力方面的优越性能。

1 输变电线路铁塔金属缺陷光谱信息特征分析

1.1 光谱信息特征提取

为了实现基于光谱分析法的输变电线路铁塔金属缺陷检测，构建输变电线路铁塔金属缺陷特征分析模型，通过光谱特征挖掘的方法进行输变电线路铁塔金属缺陷特征分析[6]，采用X 射线荧光光谱法，进行变电线路铁塔金属缺陷部位的荧光信息激发和检测。采用X 射线荧光法检测输变电线路铁塔金属缺陷的原理如图1 所示。

图1 输变电线路铁塔金属缺陷检测的原理

根据图1 所示的输变电线路铁塔金属缺陷检测模型，构建输变电线路铁塔金属缺陷特征分析模型，通过光谱特征挖掘的方法[7]，得到输变电线路铁塔金属缺陷特征分布模型为Z=K(λ-S)-2。其中，K和S均为常数，λ为输变电线路铁塔金属缺陷的特征根。基于XRF 光谱分析技术，得到输变电线路铁塔金属缺陷光谱分布的展宽为：

其中，ρ为传播介质的密度。根据效能函数检测结果，检测输变电线路铁塔金属缺陷光谱信号统计量[8]，得到高功率微型直板电子X 射线管、Au 或Ag靶的输出光谱密度宽度。

通过XRF-X 射线束优化的方法，得到输变电线路铁塔金属缺陷检测的高分辨统计特征集为x，输变电站金属监督设备检测输变电线路铁塔金属缺陷光谱信号频谱的特征方差为E(x)。通过大面积硅漂移探测器(SDD)接收并测量轨道电子，得到输变电线路铁塔金属缺陷光谱的线搜索分布区间[m0-Δm/2,m0+Δm/2]，X 射线荧光光谱信息特征提取结果为：

式中，t为X 射线荧光光谱信息特征提取周期。通过大面积硅漂移探测器(SDD)接收输变电线路铁塔金属缺陷光谱信号，得到空间谱，实现输变电线路铁塔金属缺陷光谱信息特征分析[9]。

1.2 光谱信息参数融合

在上述输变电线路铁塔金属缺陷光谱信息特征提取的基础上，构建电磁辐射以及电磁辐射物质参数融合模型[10]，分析从元素周期表中的元素Be～U，并结合局部极大值估计的方法，得到不同分布的概率密度函数下的输变电线路铁塔金属缺陷特征分布集。通过拉曼光谱的输出稳态特征量，进行输变电线路铁塔金属缺陷光谱信号特征检测[11]，对输变电线路铁塔金属缺陷光谱信号进行多维参数分布式融合，得到输变电线路铁塔金属缺陷光谱信号融合模型[12]，其表达式为：

通过滤光片选择有用的光束[13]，得到输变电线路铁塔金属缺陷光谱模糊度分布参数M，在确定输变电线路铁塔金属缺陷光谱信号的窗函数σ后，由得到的输变电线路铁塔金属缺陷光谱检测参数融合输出为p()x，对输变电线路铁塔金属缺陷光谱信号进行分段特征匹配，则金属缺陷光谱特征分布序列为{Xv,v=1,2,…,V}，当最小时，得到金属缺陷光谱参数融合统计量为：

综上所述，采用多维空间回波特征检测，得到输变电线路铁塔金属缺陷光谱检测的参数融合统计量，根据统计信息分析，完成输变电线路铁塔金属缺陷光谱信息的参数融合。

2 输变电线路铁塔金属缺陷检测优化

2.1 输变电线路铁塔金属缺陷定位

采用便携式光谱特征分析的方法，进行输变电线路铁塔金属缺陷光谱的特征检测[14]，得到适应度函数为：

其中，ω为光谱检测频率。通过光谱成分分析法，得到输变电线路铁塔金属缺陷定位的先验定位检测分布集为：

其中，d为待定位缺陷的特征值。采用后验概率分布式估计的方法，获取输变电线路铁塔金属缺陷光谱的模糊度特征向量组{x1,x2,…,xn}，则输变电线路铁塔金属缺陷中变电站铜部件材质属性检测的空间分布为：

上式称作{ }x1,x2,…,xn的张成空间，通过提取输变电线路铁塔金属缺陷光谱特征分量，得到输变电线路铁塔金属缺陷光谱的学习字典集fd。假设输变电线路铁塔金属缺陷光谱信号的过程噪声为n(t)，对输变电线路铁塔金属缺陷光谱信号进行频谱检测，分析变电站金属监督设备检测中的材质部件，定位输变电线路铁塔金属光谱缺陷，其表达式为：

2.2 缺陷检测输出

采用标准曲线模型进行输变电线路铁塔金属缺陷特征点标定，根据缺陷点的动态响应及参数摄动分析[15-17]，标准曲线模型为：

其中，a、b表示输变电线路铁塔金属缺陷分布的关联系数。采用激发和检测的方法，得到输变电线路铁塔金属缺陷定位的离散信号x(n)和样本长度ds，则输变电线路铁塔金属缺陷脉冲频谱为：

在未知噪声模型下，通过XRF-X 射线束控制，计算输变电线路铁塔金属缺陷光谱的瞬时谱，计算公式为：

对任意一个m×n维的输变电线路铁塔金属缺陷光谱信号的传输矩阵A，计算光谱特征分布的极化角度差，表达式为：

令A∈Cn×n(n×n维复数空间)为输变电线路铁塔金属缺陷光谱信号的标准化参数分布矩阵，根据极化相干矩阵估计，采用联合子空间分析的方法，得到输变电线路铁塔金属缺陷检测的输出：

对于含有非金属元素的钢和其他合金，根据缺陷点的动态响应及参数摄动分析，实现输变电线路铁塔金属缺陷检测。基于光谱分析法的输变电线路铁塔金属缺陷检测方法的具体流程如图2 所示。

图2 缺陷检测具体流程

3 仿真测试分析

为了验证文中方法在实现输变电线路铁塔金属缺陷检测的性能，进行仿真实验分析，通过电粒子束提供0.5 μm 的束斑，稳定状态时释放的信号能量为150 kJ。

在上述背景下，测试输变电线路铁塔金属缺陷检测定位误差，采用文中方法、文献[4]提出的输电线杆塔横担处的螺栓缺陷检测方法、文献[5]提出的架空输电线路耐张线夹X 射线检测方法与实际测试结果进行对比实验，得到的对比结果如图3 所示。

图3 缺陷定位精度对比结果

分析图3 得知，文中方法进行输变电线路铁塔金属缺陷检测的定位精度较高，且与实际测试的输变电线路铁塔金属缺陷检测定位结果相差较小，而文献[4]方法和文献[5]方法的输变电线路铁塔金属缺陷检测定位精度相对较低，实际测试的输变电线路铁塔金属缺陷检测定位结果误差较大。说明文中方法能够提高输变电线路铁塔金属缺陷定位的灵敏度、高精度和准确性。

为了验证文中方法的有效性，采用文中方法、文献[4]提出的输电线杆塔横担处的螺栓缺陷检测方法和文献[5]提出的架空输电线路耐张线夹X 射线检测方法，对输变电线路铁塔金属缺陷检测的漏检率进行对比分析，对比结果如图4 所示。

图4 漏检率对比结果

根据图4 可知，3 种方法的输变电线路铁塔金属缺陷检测的漏检率均较低，但文中方法的输变电线路铁塔金属缺陷检测的漏检率最高只有3%，而文献[4]方法和文献[5]方法的输变电线路铁塔金属缺陷检测的漏检率最高分别为7%和5%，说明文中方法的输变电线路铁塔金属缺陷检测效果较好。

4 结束语

为了提高输变电线路铁塔金属的监督和运维管理能力，文中提出基于光谱分析法的输变电线路铁塔金属缺陷检测方法。构建输变电线路铁塔金属缺陷特征分析模型，通过光谱特征挖掘的方法进行输变电线路铁塔金属缺陷特征分析，构建电磁辐射以及电磁辐射物质参数融合模型，采用多维空间回波特征检测，得到输变电线路铁塔金属缺陷光谱检测的统计特征量，通过光谱成分分析法，完成输变电线路铁塔金属缺陷检测。分析得知，文中方法进行输变电线路铁塔金属缺陷检测的精度较高、性能较好。