室内高压电弧/电晕的紫外特性分析和测量研究

随着我国电力技术的迅猛发展,因电弧/电晕放电造成高压设备损坏、高压线传输损耗的问题愈加引起重视。完成了电弧/电晕目标在200～1 000 nm的光谱特性测量,发现电弧电晕光谱强度分布主要集中在200～400 nm紫外波段。提出了使用紫外面阵成像技术用于探测研究电弧/电晕的方法,通过一套自制的紫外面阵成像系统,成功实现了对高压电弧/电晕目标进行的实验室内紫外成像,以及氙灯积分球辐射定标与目标反演。实验结果表明,该套紫外面阵成像系统可用于对电弧电晕放电进行实时检测。该研究验证了电弧/电晕的紫外辐射特性,在距离2 m处得到反演后的6 kV电弧的紫外240～280 nm波段的辐照度为3.39×10-5 W·cm-2,为深入开展电弧/电晕的紫外特性研究提供强有力的依据。     

基于UV光谱技术的高压电晕放电检测

通过分析高压电晕放电的光谱特性，提出应用紫外光+可见光的双光谱实时视频图像处理系统来探测高压电晕放电.该双光谱系统以高性能数字信号处理器TMS320DM642为核心，为了采集紫外信号而设计了光路、光谱转换和图像增强等技术,同时采用多种优化设计的硬件结构、快速融合算法及管理多进程的嵌入式实时操作系统DSP/BIOS，实现具备手动像素平移配准功能的双通道数字图像的实时融合处理.系统可以实时检测和定位高压电晕放电紫外信号，且具有响应速度快、作用距离远、不受日光和雨雾的干扰等优点.     

尖-板电晕放电光谱分析

电晕放电是高电压设备中的一种典型的具有危害性的物理过程。对其物理机制进行分析,以及对其进行早期检测以便预防其发展,有助于提高电力绝缘系统的使用寿命和安全可靠程度。本文建立了一套高灵敏度的光谱分析系统,对空气中几种不同放电条件下的电晕放电进行了光谱分析。结果表明,电晕放电光谱由连续谱、谱带和谱线三部分组成。此外,光谱在红外区、可见光区和紫外区的辐射具有不同的特征,辐射强度随具体放电条件的变化规律也各不相同。与文献中的结果进行比较,发现各种条件下的电晕放电的可见光区辐射强度一般都比较弱,而紫外区与红外区辐射的强弱则与具体的放电条件有关。     

基于紫外脉冲和光学透镜的电晕放电检测技术研究

电晕放电产生的紫外线可作为检测信号用于电晕放电识别。紫外成像仪成本昂贵,目前在输配电设备带电巡检中运用较多,但无法运用于实时在线监测,从而无法及时发现安全隐患。为此提出了一种基于紫外传感器的电晕放电监测方法,通过设计光学透镜以聚集紫外线信号从而抑制外界干扰,研究了传感器运行电压、监测距离对紫外脉冲计数监测结果的影响,并通过开展试验与紫外成像仪电晕放电图谱进行了对比验证。校验结果表明,紫外传感器供电电压设置为500V可以获得最佳检测效果;不同外施电压下紫外脉冲计数结果与紫外成像仪测得的光斑面积测得结果变化趋势基本一致,因此所提出的基于紫外脉冲计数的电晕放电监测方法可有效反应电晕放电的起始和发展。研究结果可以为输配电设备在线监测装备的研制和校验提供重要参考。     

大相对孔径紫外成像仪光学系统设计

为解决目前大多数紫外成像仪存在的定位和指向精度差、色差较大、分辨率及光能利用率不足等问题,设计了一款高分辨率的大孔径消色差紫外光学系统。首先,根据电晕放电检测的应用需求,提出了紫外光学系统的总体设计。然后利用熔石英及氟化钙两种材料的不同色散特性,根据改进的双胶合透镜结构设计了一款大孔径的消色差紫外光学系统,并对该系统进行了公差分析。设计的紫外光学系统在全视场全探测范围内点列图均方根直径0.08 mm,分辨率为20 lp/mm,满足电力行业中对电晕探测的需求。     

空气电晕放电发展过程的特征发射光谱分析与放电识别

局部空气放电是导致高压输变电设备绝缘劣化的重要因素。空气放电中丰富的发射光谱信息与放电特征存在直接映射关系。采用针-板电极模拟了空气电晕放电的发展过程,并检测了放电由弱变强过程中的“紫外-可见光-近红外”波段在200～980 nm范围内的发射光谱。放电初期的发射光谱主要由氮气分子N₂的带状光谱组成,分别为N₂第二正带系（second positive system,SPS）和N₂第一正带系（first positive system,FPS）。放电程度加深后,发生能级跃迁的粒子种类更加丰富,由此产生了带状光谱与线状光谱相互交叠的复杂谱线,光谱范围也由放电初期的280～460 nm扩展至200～980 nm。放电处于临界击穿时,发射光谱的强度急剧增加,强度最高值出现在500.715和777.202 nm处,分别对应氮离子N+和氧原子O的辐射谱线,这意味着微观放电过程再次发生改变。基于空气放电机理分析得到：放电初期、放电加深、放电临界击穿三个阶段中强度占优的谱峰或谱带分别由N₂,NO与O和N+辐射跃迁所致,这由放电间隙的能量所决定,其特征光谱分别为336.907,239.687和500.715 nm。放电初期,336.907 nm处的强度绝对占优,239.687和500.715 nm处的相对强度极小;放电程度加深时,239.687 nm处的强度占优,500.715 nm处的相对强度极小;临界击穿时,500.715 nm处的强度占优,336.907 nm处的强度最弱。空气电晕放电的200～980 nm光谱范围内,紫外波段、可见光波段和近红外波段的光子数虽然都随着施加电压的升高而增加,但各波段光子数的归一化结果表明：随着放电程度的加深,紫外波段的光子比例逐渐减小,可见光波段的光子比例逐渐增加,近红外波段光子比例变化相对较小。不同放电阶段的“紫外-可见光-近红外”波段的相对光子数分布有较明显的差异,可以反映放电的发展程度。     

紫外宽光谱大相对孔径光学系统设计

现有大部分紫外光学镜头的工作带宽较窄,紫外镜头的材料相对较少,镜头的紫外色差校正困难,导致其应用适应性降低。采用负正透镜交叠分布与类双高斯对称式结构形式,并利用熔石英材料和氟化钙材料本身的宽光谱透过性,设计了一种兼具大相对孔径、宽视场和高分辨率的紫外宽光谱光学系统。该系统的工作波长范围为240 nm～360 nm,紫外工作带宽高达120 nm,所有透镜均采用球面透镜,便于加工和检测。在全视场范围内,以中心波长300 nm为参考波长,系统横向色差最大值不超过1个像素,在截止频率50 lp·mm?1处的调制传递函数值优于0.4,并且各个视场的像点弥散斑半径均方根值均优于10 μm。设计结果表明:该紫外宽光谱光学系统的成像性能优良,分辨率高,色差小,满足设计要求。     

石蜡液面离子风的研究

研究了常压空气中针-石蜡液面 50Hz 交流电晕放电离子风特性。交流电晕离子风能够引起液体石蜡 显著变形,随着电压升高,变形从漏斗状发展到盆状。在石蜡层厚度为 5mm 时,盆状变形最大,深度达到 5.3mm, 最大作用范围半径 18.8mm,变形产生的压强达到 48.9Pa,远远超过直流针-水电晕放电情况。随着电压升高,从 电晕放电过渡到流注放电时盆状变形依然存在,这一点明显不同于直流针-水电晕放电。研究表明交流电晕离子风 具有优良的驱动绝缘液体介质的巨大潜力。     

光机热集成分析在高光谱成像仪紫外镜头中的应用

温度变化会影响紫外镜头各镜面面形和镜片间隔的变化,采用了光机热集成分析方法研究温度对紫外镜头成像质量的影响。论述光机热集成分析的基本流程和关键技术,采用Zernike多项式作为结构分析与光学分析之间的接口工具,在紫外镜头光学系统设计和机械结构设计的基础上,建立了紫外镜头的热 结构分析模型,得到各镜面面形和镜片间隔的变化结果,并将结果耦合到光学设计软件中进行像质分析。分析结果表明,在镜头的工作范围内,镜头的调制传递函数在12 lp/mm处均在0.7左右,能满足高光谱成像光谱仪的使用要求,同时也为光谱仪最后整机分析提供了参考。     

基于紫外光谱成像技术的两相体直流电晕放电

电晕放电是治理环境污染物的一种有效手段,使用光电倍增管作为光谱探测设备,以紫外光谱成像技术作为两相体直流电晕放电的研究方法,分析了常见气固两相体的直流电晕放电特性,得到空气和气固两相体颗粒的直流电晕放电光斑亮度和起晕电压不同,这些结论是与颗粒的介电常数有关.     

30 mm~110 mm大孔径红外变焦热像镜头设计

变焦系统可在大范围内快速寻找、搜索目标,同时能在小范围内对目标物体进行更加细致的观察。因此红外变焦光学系统在国防、工业等领域的应用与需求不断增长。对连续变焦镜头的设计理论、设计方法进行介绍,利用Zemax软件设计了一款连续变焦的红外镜头,变焦范围为30 mm~110 mm,工作波段在8 μm ~12 μm,F#为1.0,配合一款320像素×240像素的非制冷探测器使用,探测器像元尺寸为25 μm×25 μm,光学系统的总长小于230 mm,整个系统由7片透镜组成,并且只使用了锗一种材料,所有表面均为球面。实验结果表明:在短焦30 mm时,系统MTF值在20 lp/mm处均大于0.3;长焦110 mm时,系统MTF值在20 lp/mm处大于0.317 4。最后对红外变焦系统进行了容差分析,得出一组较为宽松的公差。     

LED阵列光源的舞台灯变焦透镜系统

 针对国内大功率LED阵列光源舞台灯具在光束角度不可变和光能利用效率低等问题,提出利用透镜组变焦原理来设计阵列光源变焦透镜系统。基于透镜组变焦原理设计了单颗LED光源的变焦透镜组,高级光学系统分析模拟软件ASAP的计算结果显示：调焦范围为0~10 mm时,出光角度（1/10峰值角）的变化范围为18.5°~38.7°,光能利用效率在调焦距离为10 mm时达到78%以上。在此基础上,将单颗LED光源的变焦透镜组扩展为Red、Green、Blue各12颗共36颗LED的变焦透镜系统,进一步分析36颗LED阵列光源在不同排布方式下的出光角度及混色效果。ASAP计算结果显示：在调焦范围与单颗LED相同的情况下,LED阵列光源变焦透镜系统的出光角度（1/10峰值角）的变化范围为21°~38.6°,且3种颜色LED交叉排列的混色效果较好。由LED阵列的计算结果可知,与国内现有的大功率LED舞台灯具相比,在出光角度的变化范围和光能利用效率方面都得到了提高。     

Design of 20 mm~200 mm zoom objective lens for polarization imaging system北大核心CSCD

The zoom objective lens is an important part of the polarization imaging system. At present, the zoom objective lens on the market is relatively expensive due to the use of more aspheric surfaces. In order to reduce the processing cost of the polarization imaging system zoom objective lens, a 20 mm~200 mm zoom objective lens for polarization imaging system was designed. By using positive group compensation method and Zemax to optimize the zoom system, the final system used only 7 spherical lenses to achieve good image quality. The modulation transfer function (MTF) is greater than 0.3 at 120 lp/mm, the distortion is less than 4%, and the cam curve of the system is smooth without breakpoints. The system tolerance analysis results show that the tolerance range is set as follows: the aperture tolerance of the lens surface is 2, the thickness tolerance of the lens or air center is ±0.02 mm, the inclination tolerance of the lens surface center is ±0.025°, the lens assembly and adjustment tolerance is ± 0.025 mm, and the lens refractive index deviation is 0.002. The tolerance setting conforms to the component processing and system assembly and adjustment process, which has a certain reference value to reduce the cost of polarization imaging system. © 2022 Editorial office of Journal of Applied Optics. All rights reserved.     

大孔径大视场变焦投影镜头设计

为了满足大孔径大视场变焦投影镜头的市场需求, 基于Zemax光学软件设计一款连续变焦的投影镜头, 变焦范围为16.27 mm~22.77 mm, 视场角为63.7°~47.8°, F数为1.75~1.95, 配合1.55 cm(0.61英寸)LCOS投影显示芯片使用, 在工作距离2 000 mm处可投射出190.5 cm(75英寸)画面, 光学系统总长小于160 mm, 由10片透镜组成, 其中包括8片玻璃透镜和2片塑料透镜。设计结果表明:镜头在空间极限频率71 lp/mm处, 各个焦段的MTF值均大于0.5, 场曲都在0.1 mm之内, 畸变小于3%, 成像质量良好。最后对光学系统进行了公差分析, 得出一组较宽松的公差。     

机载轻小型中波红外连续变焦系统设计

针对制冷型320256凝视焦平面阵列探测器,设计了一套4倍中波红外连续变焦光学系统,用于轻型机载光电探测和跟踪吊舱设备。该系统由变焦物镜系统、二次成像系统和2个反射镜构成,为了避免非球面的加工及检测误差影响,本系统只使用球面。设计结果表明,系统实现了37.5 mm～150 mm的连续变焦,工作波长范围为3.7 m～4.8 m,F数为4,满足100%冷光阑效率,系统在探测器的Nyquist频率16 lp/mm处,所有焦距位置和视场的MTF均大于0.55,接近系统的衍射极限。该变焦系统总长280 mm,质量仅为110 g,具有体积小、质量轻、分辨率高、变焦轨迹简单等优点。     

基于液体透镜的仿生视觉光学成像系统

随着机器视觉技术在先进制造系统、机器人系统、智能监控、航天军工等领域的广泛应用,仿生视觉系统的小型化、灵巧化成为研究的重要方向之一。针对传统机器视觉系统变焦结构复杂、易磨损、寿命低等缺点,在分析液体透镜原理和成像特点的基础上,设计并搭建了一种基于液体透镜的仿人眼光学系统,系统的主要技术指标为:焦距范围18.5 mm~22.5 mm,镜头变倍比为1.22,视场角为38°×24°。设计结果符合各项指标,像质在不同焦距处均满足使用要求,可实现实时对焦。整个光学系统尺寸为36 mm×55 mm×30 mm,结构紧凑,实用性强。     

10倍全球面红外变焦光学系统设计

针对320240像素非制冷红外焦平面探测器,设计了一个工作波段为3.7 m~4.8 m的红外变焦光学系统。该系统由6片全球面透镜组成,采用硅和锗两种常见的红外材料,F数为2.5,后工作距为20 mm,可以实现15 mm~150 mm范围内连续变焦。设计评价结果表明:光学系统在探测器奈奎斯特频率16 lp/mm处,变焦范围内全视场MTF大于0.6, 0.7视场MTF接近0.7,整体接近衍射极限。焦平面探测器敏感元能量集中度大于70%,具有大相对孔径、长工作距、全球面的特点。在-20 ℃~60 ℃温度范围内,成像质量满足设计要求。     

高变倍比变焦光学系统设计

设计了一套焦距f=10 mm~500 mm的高变倍比变焦光学系统。以正组机械补偿原理为基础,通过高斯光学计算,给出合理的初始结构和高斯解。系统引入2个新型非球面,使系统具有更大的自由度,并有效校正光学系统中的像差,减小系统复杂度,对实现高变倍比变焦系统尤为有利。采用一组双层谐衍射元件来校正长焦所带来的二级光谱,减少了透镜片数,使系统更加紧凑。分析了10 mm~500 mm焦距情况下系统的调制传递函数曲线,计算出变倍组和补偿组的变化曲线,可以看出满足机械补偿凸轮曲线的变化规律,而且曲线的变化比较平滑,能够实现平稳变焦。在奈奎斯特频率为50 lp/mm时,调制传递函数曲线均在0.6以上。     

变焦结构光成像系统的光学设计

为了实现快速低成本改变光学系统焦距,设计了基于液体透镜的变焦结构光三维成像镜头和微透镜阵列。系统采用7片球面玻璃镜片和1片液体透镜结构, F#为3.2,全视场大小为10 mm,总长180 mm,焦距变化范围54 mm~61 mm。结果表明:该系统能实现投影距离227 mm~256 mm调节,调焦过程中目标表面清晰,细节分辨率高,系统在整个变焦区域内,在40 lp/mm时,全视场MTF优于0.2,系统场曲小于0.2,畸变小于0.2%。柱面微透镜阵列整体尺寸为10 mm×10 mm,周期宽度为1 mm,厚度为1 mm。随着投影距离的增长,光学系统成像质量先上升后下降,在237 mm处成像质量最优,随着投影距离的增加,光学系统的放大倍率增大,光学系统整体相对照度不均匀性小于0.2。