陳 華，周曉巍

（上海航天控制技術(shù)研究所，上海 201109）

0 引 言

隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，通信電源電路板故障檢測(cè)逐漸朝著智能化和自動(dòng)化方向發(fā)展，采取的檢測(cè)方法主要有針窗測(cè)試法、飛針測(cè)試法、功能測(cè)試法以及激光測(cè)試法，這幾種方法也是目前比較常用的通信電源電路板故障檢測(cè)方法，雖然在精度方面和效率方面相比較最初已經(jīng)有了明顯的提高，但是在實(shí)際操作中仍然會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤識(shí)別現(xiàn)象，并且誤識(shí)別率較高[1]。為此提出紅外熱成像技術(shù)在通信電源電路板故障檢測(cè)中的應(yīng)用研究。

1 通信電源電路板故障檢測(cè)方法

1.1 通信電源電路板數(shù)據(jù)采集

通信電源電路板故障信號(hào)采集是電路板故障檢測(cè)的首要步驟，為了避免在檢測(cè)過(guò)程中對(duì)通信電源電路板造成損壞，并且能夠精準(zhǔn)獲取到通信電源電路板故障信號(hào)，此次利用紅外成像技術(shù)對(duì)通信電源電路板數(shù)據(jù)進(jìn)行采集[2]。紅外成像技術(shù)的應(yīng)用主要是利用紅外熱像儀來(lái)實(shí)現(xiàn)，利用紅外熱像儀探測(cè)器上的光學(xué)鏡頭將從通信電源電路板發(fā)出的紅外能聚焦，由紅外熱像儀傳感器接收到紅外熱信號(hào)，并經(jīng)過(guò)視頻信號(hào)放大器對(duì)紅外熱信號(hào)進(jìn)行放大處理[3]。最終將紅外熱信號(hào)進(jìn)行圖像轉(zhuǎn)換，從而形成一個(gè)灰度圖像，其數(shù)據(jù)采集過(guò)程如圖1所示。

根據(jù)通信電源電路板數(shù)據(jù)采集需求，本次采用HSK151型號(hào)紅外熱像儀。在對(duì)電路板信號(hào)采集前首先要設(shè)置紅外熱像儀主要參數(shù)，其中包括工作波段、光學(xué)鏡頭、探測(cè)器、溫度測(cè)量范圍、熱靈敏感度、溫度精度、圖像幀頻以及紅外窗口等。令通信電源電路板處于運(yùn)行狀態(tài)，并將其放置在紅外熱像儀測(cè)量范圍內(nèi)，開(kāi)啟紅外熱像儀開(kāi)關(guān)使紅外熱像儀向通信電源電路板發(fā)射紅外輻射，如果通信電源電路板存在缺陷，那么接收到的紅外輻射信號(hào)長(zhǎng)短是不同的。利用計(jì)算機(jī)讀取視頻放大器最終形成的灰度圖像，用于后續(xù)電源電路板圖像的預(yù)處理和分析。

1.2 通信電源電路板圖像預(yù)處理

利用預(yù)處理技術(shù)，提高通信電源電路板圖像的質(zhì)量。以矩陣進(jìn)行電路板數(shù)字圖像處理，將圖像中的像素與矩陣中的元素相對(duì)應(yīng)。本文采用圖像增強(qiáng)技術(shù)，對(duì)通信電源電路板圖像進(jìn)行預(yù)處理，突出圖像中的有用信息，并減少或消除圖像中存在的不必要信息。首先通過(guò)相應(yīng)的變換，通信電源電路板圖像由空間域逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域，其次在頻域空間中進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，最后進(jìn)行頻域向空間域的逆向轉(zhuǎn)換，以此增強(qiáng)圖像質(zhì)量。在進(jìn)行上述操作前需要將灰度映射表作為基礎(chǔ)，以此本文先需要明確圖像灰度密度函數(shù)與圖像像素位置之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如下所示：

式中，P(z)表示圖像灰度密度函數(shù)與圖像像素位置之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；S表示通信電源電路板圖像總面積；D表示通信電源電路板圖像定義域；(x,y)表示為通信電源電路板圖像在坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；(x,y,z)表示為通信電源電路板圖像中(x,y)位置上的灰度分布密度。根據(jù)式（1）獲取到通信電源電路板圖像的灰度密度函數(shù)，將所有圖像中的像素灰度值進(jìn)行歸一化處理，得到由黑、白以及灰3種顏色變化的通信電源電路板圖像，為后續(xù)通信電源電路板故障數(shù)據(jù)相關(guān)性分析提供圖像數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.3 通信電源電路板故障數(shù)據(jù)相關(guān)性分析

處理完通信電源電路板故障信號(hào)后，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。當(dāng)通信電源電路板處于正在狀態(tài)時(shí)，線路上所有電流流向一致，紅外圖像上的波形一致，具有一定的相似性。當(dāng)通信電源電路板出現(xiàn)故障時(shí)，一部分電流會(huì)流向電路上游，與通信電源電路板母線方向相同，另一部分電流會(huì)流向電路下游，與通信電源電路板母線方向相反。兩部分電流在紅外圖像上波形差異較大，不具有相似性。利用以上相關(guān)性原理分析處理后的紅外圖像信號(hào)相似性時(shí)，先選取兩個(gè)相鄰的紅外圖像信號(hào)計(jì)算其相關(guān)系數(shù)，計(jì)算公式如下：

式中，δ為通信電源電路板兩個(gè)相鄰電流紅外圖像相關(guān)系數(shù)；i1和i2分別為采集到的兩個(gè)相鄰電流紅外圖像信號(hào)；n為電流紅外圖像信號(hào)采集序列；n-1為信號(hào)采集起始點(diǎn)故障發(fā)生時(shí)刻；N為電流紅外圖像信號(hào)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。利用式（2）計(jì)算出兩個(gè)相鄰電流紅外圖像信號(hào)的相關(guān)系數(shù)δ，根據(jù)該系數(shù)反映出兩個(gè)電流在紅外圖像上波形、長(zhǎng)度以及流向的相似程度。該系數(shù)取值范圍為0～1，如果兩個(gè)相鄰電流紅外圖像信號(hào)波形及長(zhǎng)度一致，則相關(guān)系數(shù)取值為1；如果兩個(gè)相鄰電流紅外圖像信號(hào)波形及長(zhǎng)度完全不一致，則相關(guān)系數(shù)取值為0。對(duì)于紅外熱成像技術(shù)采集到的故障信號(hào)波形和長(zhǎng)度相似程度越高，相關(guān)系數(shù)值越接近1；對(duì)于紅外熱成像技術(shù)采集到的故障信號(hào)波形和長(zhǎng)度差異越大，相關(guān)系數(shù)值越接近0。通過(guò)對(duì)相關(guān)系數(shù)的計(jì)算判斷通信電源電路板故障是否存在，并根據(jù)該數(shù)值的大小確定通信電源電路板損壞程度及存在故障的概率大小，確定通信電源電路板故障等級(jí)與損壞程度，并且根據(jù)紅外熱圖像數(shù)據(jù)確定通信電源電路板故障位置，以此完成對(duì)變電站電氣線路安裝電路故障電流相關(guān)性分析及故障檢測(cè)。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

實(shí)驗(yàn)以某通信電源電路板為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該電路板基材為FR-4，阻焊顏色為綠色，制程線距為3 mil，制程孔徑為0.15 mm。利用此次設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)方法對(duì)該通信電源電路板進(jìn)行故障檢測(cè)，選取以上規(guī)格的電路板50個(gè)，每個(gè)電路板使用時(shí)間長(zhǎng)度不同，存在短路、斷路、凸起、凹陷、多線、少線、焊球過(guò)大、焊球過(guò)小以及焊球氣泡等故障各100個(gè)，將其作為實(shí)驗(yàn)樣本。實(shí)驗(yàn)中紅外熱像儀參數(shù)設(shè)置如下，紅外輻射率設(shè)定為0.8，紅外熱像儀與電路板距離設(shè)定為30 mm，環(huán)境溫度設(shè)定為25 ℃，掃描模式采用45 Hz，采集紅外圖像速率為0.05 s，采集時(shí)間設(shè)定為5 s。實(shí)驗(yàn)記錄兩種方法對(duì)各個(gè)實(shí)驗(yàn)樣本的檢測(cè)結(jié)果，利用UIS軟件計(jì)算兩種方法誤識(shí)別率，將其作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。對(duì)比分析兩種方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 兩種方法誤識(shí)別率對(duì)比

觀察表1可以得出以下結(jié)論，設(shè)計(jì)方法從各個(gè)方面均保證了精度，因此基于紅外熱成像技術(shù)的通信電源電路板故障檢測(cè)方法能夠在檢測(cè)精度上得到有效保證。此次實(shí)驗(yàn)也證明了所設(shè)方法在誤識(shí)別率方面優(yōu)于傳統(tǒng)方法，更適用于通信電源電路板的故障檢測(cè)。

3 結(jié) 論

此次研究了紅外熱成像技術(shù)在通信電源電路板故障檢測(cè)中的應(yīng)用，利用紅外熱成像技術(shù)設(shè)計(jì)了一套新的通信電源電路板故障檢測(cè)方法，并對(duì)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)論證，證明了紅外熱成像技術(shù)適用于通信電源電路板故障檢測(cè)。此次研究對(duì)通信電源電路板故障檢測(cè)具有較高的借鑒價(jià)值，對(duì)提高通信電源電路板故障檢測(cè)技術(shù)水平具有良好的現(xiàn)實(shí)意義，有助于促進(jìn)通信電源電路板故障檢測(cè)技術(shù)的研發(fā)。