摘 要：為了對絕緣子進(jìn)行在線狀態(tài)檢測，研究設(shè)計了基于毫米波的絕緣子微裂紋檢測裝置。該裝置通過比較不同時刻反射波的強(qiáng)度和時延來觀測絕緣子微裂紋的發(fā)展過程。首先，對接收到毫米波信號進(jìn)行FFT變換分析；其次再通過單元平均恒虛警處理判斷目標(biāo)信號是否存在；最后通過差值比較法，取實時接收的混頻信號的二維FFT的零速度通道結(jié)果，并與初始狀態(tài)作差值，從而檢測絕緣子內(nèi)部是否存在微裂紋。實驗表明，基于該方法設(shè)計的絕緣子自感知裝置在絕緣子模擬器上的檢測成功率為95%。

關(guān)鍵詞：瓷絕緣子；毫米波；快速傅里葉變換；恒虛警檢測；差值比較法；多徑效應(yīng)

DOI：10.15938/j.emc.2024.11.006

中圖分類號：TM216

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-449X（2024）11-0057-11

Research on insulator microcrack detection technology based on millimeter waves

YANG Shengzhe¹， JIANG Naisong¹， DING Yiyuan²， HU Qinran¹， WU Zaijun¹， GAO Song³

（1.School of Electrical Engineering， Southeast University， Nanjing 211189， China; 2.State Grid International Development Co.， Ltd.， Beijing 100032， China; 3.State Grid Jiangsu Electric Power Company Research Institute， Nanjing 211103， China）

Abstract：To conduct online condition detection of insulators， a detection device for micro-cracks of insulators based on millimeter waves was researched and designed. This device observes the development process of micro-cracks in insulators by comparing the intensity and time delay of reflected waves at different moments. Firstly， FFT transformation analysis was conducted on the received millimeter wave signal. Secondly， the existence of target signal was judged by unit average constant 1 alarm processing. Finally， the zero velocity channel results of the two-dimensional FFT of the real-time received mixing signal were taken and compared with the initial state to detect the presence of microcracks inside the insulator. The experiment shows that the detection success rate of the insulator self sensing device designed based on this method on the insulator simulator is 95%.

Keywords：porcelain insulator;FMCW;FFT;CFAR;difference comparative law method;multipath effect

0 引 言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，未來五年國內(nèi)將有一大批特高壓輸變電工程相繼開工建設(shè)^[1]。隨著特高壓輸變電網(wǎng)絡(luò)的大力建設(shè)，絕緣子的使用數(shù)量急劇增長。絕緣子作為輸電線路上不可或缺的關(guān)鍵部件，起著耐受電壓和承受機(jī)械應(yīng)力的重要作用^[2]。然而長期的機(jī)械應(yīng)力、強(qiáng)電磁場、復(fù)雜的外部環(huán)境等多種因素可能會導(dǎo)致絕緣子產(chǎn)生內(nèi)部隱蔽性缺陷、傘裙老化開裂、芯棒斷裂等劣化情況^[3-4]，直接影響電網(wǎng)的安全可靠運行。

懸式瓷絕緣子主要由絕緣件（瓷件）、鐵帽、鋼腳等部件組成，并通過水泥膠合劑進(jìn)行膠裝^[5]。絕緣子最易產(chǎn)生裂紋的地方是頭部與主體部分的轉(zhuǎn)交處，這也是絕緣子承受應(yīng)力最顯著的地方^[6]。裂紋形成主要是內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)力發(fā)生了變化。這種變化可能是由出廠時結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致其內(nèi)部存在機(jī)械應(yīng)力^[5，7]，也可能是絕緣子中各組分膨脹系數(shù)不同，導(dǎo)致在極端環(huán)境下瓷絕緣件內(nèi)部產(chǎn)生很大的軸向壓應(yīng)力和切向剪應(yīng)力^[5]，進(jìn)而使絕緣件斷裂。

絕緣子裂紋的產(chǎn)生是長期累加的結(jié)果。開始時，往往在絕緣子內(nèi)部只產(chǎn)生細(xì)小的、尚未形成裂紋的微裂紋。這種微裂紋短期內(nèi)不會影響絕緣子的安全穩(wěn)定運行。但隨著時間推移，絕緣子中的微裂紋會逐漸成為裂紋^[8]。進(jìn)而可能發(fā)生絕緣子的脆性斷裂（簡稱脆斷）事故，導(dǎo)致線纜掉落^[10]，甚至引起倒塔等事故。因此，有必要對劣化絕緣子進(jìn)行在線監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)內(nèi)部缺陷，并進(jìn)行檢修更換。

目前主要的絕緣子裂紋缺陷檢測方法包括直接觀察法、紅外測量法、泄露電流法^[11]。使用直接觀察法進(jìn)行絕緣子缺陷檢測時，由于變電站內(nèi)某些設(shè)備高度過高或體積過大，因此需要巡檢人員使用雙筒望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測，受觀察角度、距離、天氣等因素影響，往往導(dǎo)致檢測結(jié)果不可靠^[1]。紅外測零方法主要利用紅外熱像技術(shù)生成絕緣子串的熱場分布圖像^[15-17]，通過觀察熱場分布情況來判斷零值絕緣子。然而，當(dāng)劣化絕緣子的絕緣電阻在5～10兆歐之間時，其上分布電壓很低，其溫升與正常絕緣子相差很小，從熱場分布上很難分別，因此存在判別“盲區(qū)”^[18]。絕緣子泄漏電流法則通過測量絕緣子的泄漏電流來感知絕緣電阻的變化^[19-21]。但由于泄漏電流不僅與輸電線路電壓的變化有關(guān)，同時也和絕緣子表面污穢程度、老化程度、天氣狀況有關(guān)。因此難以確定一個統(tǒng)一的劣質(zhì)絕緣子判斷依據(jù)。盡管在無損檢測領(lǐng)域也存在超聲波或X光探測等方法，但其探測設(shè)備普遍體積較大，同時操作復(fù)雜，并且需要在停電狀態(tài)下進(jìn)行而不能帶電檢測^[22-2]，因此目前在絕緣子檢測領(lǐng)域應(yīng)用較少。隨著深度學(xué)習(xí)的發(fā)展，目前也出現(xiàn)了許多基于可見光圖像的絕緣子裂紋檢測算法^[11-1]，但這些算法在進(jìn)行較小尺度下的目標(biāo)檢測任務(wù)時存在精度不足等缺陷^[14]。

對此，本文提出利用毫米波檢測技術(shù)對絕緣子內(nèi)部微裂紋進(jìn)行實時監(jiān)測的方法并開發(fā)了相關(guān)裝置。該裝置的缺陷檢測算法基于毫米波雷達(dá)的快速傅里葉變換分析，利用差值比較法對缺陷的回波進(jìn)行峰值檢測，進(jìn)而識別絕緣子內(nèi)部缺陷。試驗驗證基于該方法開發(fā)的自感知裝置在實際絕緣子裂痕檢測中有較高的準(zhǔn)確度，可以實現(xiàn)絕緣子實時在線監(jiān)測，具有較高的實用價值。

1 FMCW無損檢測原理

1.1 FMCW檢測原理

毫米波雷達(dá)的基本工作原理是利用高頻電路產(chǎn)生特定調(diào)制頻率的電磁波，并通過天線發(fā)送電磁波和接收從目標(biāo)反射回來的電磁波，可以同時對多個目標(biāo)進(jìn)行測距、測速以及方位角測量。圖1顯示了一個常見的調(diào)頻連續(xù)波（frequency modulated continuous wave，F(xiàn)MCW），它是一個正弦波，其頻率隨時間線性增加，是線性調(diào)頻信號的一種。

FMCW雷達(dá)目前多用于車輛測距或者監(jiān)控目標(biāo)檢測等，通過天線發(fā)出的調(diào)頻連續(xù)毫米波與接收到的信號之間的頻率差進(jìn)行測距。其信號檢測原理圖如圖2所示。

圖中實線表示發(fā)射信號，虛線表示接收到的信號，可以看出反射后的波形保留了頻率的變化。對兩信號進(jìn)行混頻，取兩信號的頻率差Δf與峰值時間差Δt，易得：

Δf=fT－fR；（1）

Δt=2R/c。（2）

式樣：fT和fR分別表示同一時刻發(fā)出和接收到的信號的頻率；R表示檢測物體到毫米波雷達(dá)的距離；c表示毫米波在空氣中的傳播速度（近似為光速）。

根據(jù)三角形相似原理，有

ΔfΔt=BT。（3）

其中：B表示調(diào)頻連續(xù)波的最大頻率差，即帶寬；T表示調(diào)頻連續(xù)波頻率變化周期。

將式（2）代入，整理可得被測物體與毫米波雷達(dá)的距離為

R=ΔfcT2B。（4）

粗略地說，在每個線性調(diào)頻周期內(nèi)，每個反射波都會產(chǎn)生一個正弦波，并且其頻率與距離成正比。對于移動的物體，在多個chirp之間，反射的正弦波的相位也會因物體與探測器的距離或物體速度的變化而發(fā)生變化。相鄰線性調(diào)頻脈沖之間的相位差與物體的基本速度成正比。換句話說，可以通過分別估計線性調(diào)頻脈沖和線性調(diào)頻脈沖的采樣點的頻率來估計反射器的距離和基本速度。

對于正在移動的物體，由于其具有速度，因此反射的信號會產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，這時需要對信號進(jìn)行進(jìn)一步解耦處理以求得多普勒效應(yīng)對其位置的影響。而在本文所研究的絕緣子微裂紋探測的應(yīng)用場景中，微裂紋的存在可等效為靜止的。因此判斷絕緣子是否有微裂紋的唯一有效判據(jù)即為微裂紋隨時間推移所產(chǎn)生的變化。

完整的FMCW雷達(dá)硬件原理圖如圖3所示。

其信號發(fā)射前端主要由信號混頻器、定向耦合器、功率放大器、帶通濾波器、帶通混頻器與發(fā)射天線組成。信號混頻器與定向耦合器對信號進(jìn)行累加或者耦合，功率放大器對信號進(jìn)行放大處理，濾波器用來消除信號中原有或因功放產(chǎn)生的毛刺，發(fā)射天線用于發(fā)射調(diào)制連續(xù)波，接收天線用于接收來自裂縫的回波。

1.2 微裂紋檢測方法

正使用毫米波FMCW雷達(dá)進(jìn)行無損探測絕緣子裂紋的原理示意圖如圖4所示。

從圖中可以看出，當(dāng)毫米波信號輻射到絕緣子結(jié)構(gòu)體上，一部分信號從表面反射，另一部分進(jìn)入材料內(nèi)部，從內(nèi)部的裂痕和另一側(cè)的表面反射，因此實際測量的情況下，會有多個反射波。反射波的強(qiáng)度和時延受微裂痕的大小、微裂痕與傳感器的距離、微裂痕的開裂方向這三個因素影響。因此通過比較不同時刻反射波的強(qiáng)度和時延可以反映出微裂痕的發(fā)展過程。

針對于此，本文提出基于相對測量法的策略來進(jìn)行絕緣子微裂痕檢測。在絕緣子出廠階段，通過內(nèi)置傳感器記錄絕緣子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的反射波信息，并以此為參考，定期獲取不同時期的反射波信息，與參考信息進(jìn)行對比。進(jìn)而提取因絕緣子微裂紋不斷擴(kuò)大而帶來的差異，從而用于對絕緣子內(nèi)部結(jié)構(gòu)性變化進(jìn)行預(yù)警。

2 測距數(shù)據(jù)處理算法

2.1 快速傅里葉變換

任意一個函數(shù)f（t）都可以分解為無窮多個不同頻率正弦信號的和。傅里葉變換的實質(zhì)是將信號加窗截斷后從時域變換到頻域進(jìn)行分析，當(dāng)周期信號滿足狄里赫萊條件時，利用傅里葉變換能夠?qū)⑵浔硎緸槿呛瘮?shù)的線性組合，通過對這些線性組合的處理以達(dá)到檢測原始信號的目的。數(shù)學(xué)上，這種關(guān)系可表示為

f^（λ）=12π∫^+∞－∞f（t）e^－jλtdt。（5）

其中：f（t）是給定的；f^（λ）為f（t）的傅里葉變換。

非周期性連續(xù)時間信號x（t）的傅里葉變換可以表示為

X（ω）=∫^+∞－∞x（t）e^－jωtdt。（6）

式中算出來的是信號x（t）的連續(xù)頻譜。但是，在實際的控制系統(tǒng)中能夠得到的是連續(xù)信號x（t）的離散采樣值x（nT）。因此需要利用離散信號x（nT）來計算信號x（t）的頻譜。

有限長離散信號x（n），n=0，1，…，N－1的DFT定義為

X（k）=∑N－1n=0x（n）W^knN，k=0，1，…，N－1。 （7）

其中，WN=e^－j2π/N。可以看出，DFT需要計算大約N²次乘法和N²次加法。當(dāng)N較大時，計算量很大。而快速傅里葉變換（FFT）是離散傅里葉變換（DFT）的快速算法，是為了降低DFT運算次數(shù)的一種快速有效的計算方法。

將x（n）分解為偶數(shù)與奇數(shù)兩個序列之和，即：

x（n）=x1（n）+x2（n）。（8）

式中：x1（n）為偶數(shù)序列；x2（n）為奇數(shù)序列，長度都為N/2，則X（k）可表示為

X（k）=∑N/2－1n=0x1（n）W^2knN+∑N/2n=0x2（n）W^（2n+1）kN，k=0，1，…，N－1。（9）

由于

W^2knN=e^－j2πN2kn=e^－j2πN/2kn=W^knN/2。（10）

則X（k）可表示為

X（k）=∑N/2－1n=0x1（n）W^knN/2+WkN∑N/2－1n=0x2（n）W^knN/2=

X1（k）+WkNX2（k），k=0，1，…，N－1。（11）

其中X1（k）和X2（k）分別為x1（n）和x2（n）的N/2點DFT。由于X1（k）和X2（k）均以N/2為周期，且有WkN+N/2=－WkN，所以X（k）又可表示為

X（k）=X1（k）+WkNX2（k），k=0，1，…，N2－1；（12）

X（k+N2）=X1（k）－WkNX2（k），k=0，1，…，N2－1。（13）

FFT算法的原理是通過許多小的更加容易進(jìn)行的變換去實現(xiàn)大規(guī)模的變換，降低了運算要求，提高了運算速度。相對于周期信號而言，它的頻譜屬于離散譜，當(dāng)使用快速傅里葉變換對其進(jìn)行頻譜變換時，只有選擇區(qū)間為整數(shù)倍周期長度的N才能得到正確的頻譜形狀。而對于模擬信號而言，在對其進(jìn)行相應(yīng)頻譜變換前，必須對模擬信號選擇采樣點數(shù)和采樣間距，使其轉(zhuǎn)變?yōu)闀r域離散信號后，才能對其進(jìn)行快速傅里葉變換。

2.2 二維傅里葉變換

在絕緣子內(nèi)部檢測到的回波及其混頻信號中，包含大量的速度耦合信號。因此有必要對信號進(jìn)行解耦處理，以保留對目標(biāo)檢測有重要作用的靜止信號，而篩去其中包含的速度雜波信號。

二維傅里葉變換是進(jìn)行信號篩選的方法之一。對于FMCW雷達(dá)天線發(fā)出的調(diào)頻連續(xù)毫米波，用一般復(fù)信號形式表示為

ST（t）=e^{j（ω0t+φ0）}=cos（ω0t+φ0）+

jsin（ω0t+φ0）。（14）

其中：ω0為本振頻率；φ0為初始相位?；夭ㄐ盘枮榘l(fā)射信號的延遲。毫米波用一般復(fù)信號形式表示為

SR（t）=A·RE（ST（t－τ））=Acos（ω0（t－τ）+φ0）。（15）

對發(fā)生信號與接受信號進(jìn)行IQ混頻后，得到的混頻信號為

ST（t）×SR（t）=cos［ω0（t－τ）+φ0］×cos（ω0t+φ0）=A2［cos（2ω0t－ω0τ+2φ0）+cos（ω0τ）］+Aj2［sin（2ω0t－ω0τ+2φ0）+sin（ω0τ）］。（16）

因此，可以在復(fù)數(shù)域內(nèi)對其進(jìn)行解耦?？紤]到線性調(diào)頻過程中，每次chirp持續(xù)時間Tc很短，因此選擇對單獨線性調(diào)頻信號的基帶信號采樣進(jìn)行FFT處理，得到拍頻fB，隨后將雷達(dá)處理過的回波信號分成不同的距離門。

對總共N個線性掃頻信號，重復(fù)上述流程。為得到更為精確的結(jié)果，在每個單獨距離門中第二個FFT用于生成信號頻譜結(jié)果，并將結(jié)果按列存儲在一個二維矩陣當(dāng)中。隨后將二維矩陣合并為三維矩陣并作二維FFT處理，可得到包含速度門與距離門的三維數(shù)組，其流程如圖5所示。

其中，其x軸代表著信號發(fā)出的通道序號（Channel），與其信號頻率呈正相關(guān)；其z軸代表著包含多普勒速度的速度門（doppler gate）；y軸代表著包含距離信息的距離門（range gate）。為取得理想狀態(tài)下裂縫的判據(jù)，將只保留速度門零通道上的數(shù)據(jù)，并對這部分?jǐn)?shù)據(jù)作進(jìn)一步處理。

2.3 鋸齒波測距數(shù)據(jù)處理

FMCW雷達(dá)使用的調(diào)制波有三角波與鋸齒波兩種。對于三角波而言，信號在三角波的上升沿與下降沿都進(jìn)行采樣；對于鋸齒波而言，信號只在其上升沿進(jìn)行采樣。因此，三角波對于產(chǎn)生了多普勒效應(yīng)的移動物體而言無疑具有更好的檢測特性；而對于靜止物體，鋸齒波可以實現(xiàn)更多的取樣次數(shù)，因此更適合選用鋸齒波對其進(jìn)行探測。

鋸齒波雷達(dá)利用差拍信號估計目標(biāo)的距離和速度參數(shù)，但是由于單掃頻信號存在距離和速度耦合的問題，不能像三角波線性調(diào)頻連續(xù)波一樣僅通過一維傅里葉變換得到目標(biāo)的距離和速度。

鋸齒波雷達(dá)發(fā)射信號由多個單掃頻段組成，周期重復(fù)，第n個掃頻周期鋸齒波信號表達(dá)式如下：

xt（t，n）=A0cos{2π［f0（t－nT）+12μ（t－nT）2］+Φ0}，nT≤t≤（n+1）T。（17）

式中n為一個相關(guān)處理周期內(nèi)鋸齒波的個數(shù)。

假設(shè)在t=0時刻，雷達(dá)前方存在一個距離為r，以速度v（目標(biāo)相對于雷達(dá)的徑向速度，以接近雷達(dá)方向為正）勻速運動的目標(biāo)，則接收到的目標(biāo)回波信號為

xr（t，n）=KrA0cos{2π［f0（t－nT－τ（t））+12μ（t－nT－τ（t））2］+Φ0+φ0}，

nT+τd≤t≤（n+1）T。（18）

將xt與xr進(jìn)行混頻和低通濾波，得到差拍信號如下：

xb（t，n）≈12KrA20cos{2π［（2μrc－2vcf0）（t－nT）－

2vf0cnT－2μvtc（t－nT）+2rf0c］－φ0}=

12KrA20cos2π［fb（t－nT）－fvnT］+φb，

nT+τd≤t≤（n+1）T。（19）

式中：fb=2μr－2vf0－2μvtc；fv=2vf0c；φb=4πrf0c－φ0。

考慮系統(tǒng)采用正交雙通道接收信號，對其進(jìn)行正交變換，得到復(fù)差拍信號表達(dá)式如下：

xb（t，n）=12KrA20e^{j{2π［fb（t－nT）－fvnT］+φb}}。（20）

對單個掃頻段接收信號xb（t，n）進(jìn)行快速傅里葉變換可得

xb（f1，n）=∫（n+1）TnT+τd12KrA20e^{j{2π［fb（t－nT）－fvnT］+φb}}e^{－j2πf1（t－nT）}dt=

12KrA20e^{j（2πfvnT+φb）}∫Tτde^{j2π（fb－f1）t}dt。（21）

由式（21）可以看出，單個掃頻段接收信號xb（t，n）的傅里葉變換xb（f1，n）在fb=f1處于頻譜峰值，即：

xb（fb，n）=12KrA20（T－τd）e^{j（－2πfvnT+φb）}≈

12KrA20Te^{j（－2πfvnT+φb）}。（22）

因為鋸齒波線性調(diào)頻連續(xù)波掃頻周期T非常小，所以快時間維頻譜峰值頻率fb≈2Br/cT ，快時間維可以等效為距離維，頻譜單元可以等效為距離單元。

由上式可以看出，不同掃頻段（慢時間維）的頻譜峰值xb（fb，n）也是單頻信號，實驗通過譜估計可以得到其頻率fv=0，即目標(biāo)的多普勒頻移為零。根據(jù)fv和fb即可得到目標(biāo)的距離和速度信息：

r=fb+fv2μc;（23）

v=fvc2f0。（24）

因此求取目標(biāo)的距離和速度信息只需求取混頻信號的fb和fv。從式（19）可以看出，經(jīng)過低通濾波之后的混頻信號仍然是一個線性調(diào)頻連續(xù)波。通過對混頻信號中所有chirp進(jìn)行快速傅里葉變換之后得到距離速度譜，如圖6所示。

通過對第一列做2D-FFT，能夠得到可求取速度信息的fv，通過對chirp1做FFT可以得到關(guān)系求取距離信息的頻率fb。鑒于劣化絕緣子中的微裂紋檢測屬于靜態(tài)檢測，因此其經(jīng)過濾波的混頻信號是一個恒頻連續(xù)波，因此對其進(jìn)行FFT，理想情況下只會出現(xiàn)一個頻率峰值fb，通過式（23）可計算出微裂紋的距離信息。

3 差值比較法

3.1 恒虛警處理

本文對雷達(dá)雜波進(jìn)行恒虛警處理。恒虛警檢測技術(shù)是指雷達(dá)系統(tǒng)在保持虛警概率恒定條件下對接收機(jī)輸出的信號與噪聲作判別以確定目標(biāo)信號是否存在的技術(shù)。其根據(jù)檢測單元附近的參考單元估計背景干擾的平均功率，從而得到自適應(yīng)的檢測閾值，使檢測時的虛警概率保持恒定。

本文采用單元平均恒虛警處理（CA CFAR），CA CFAR通過檢測單元附近的若干個參考單元的均值來估計雜波功率水平，從而自適應(yīng)設(shè)定檢測門限。CA CFAR簡單易于實現(xiàn)，效果好壞受噪聲類型的影響。對于CA CFAR，平均虛警概率和噪聲功率大小無關(guān)，只與判決單元附近的樣本數(shù)N及門限系數(shù)a有關(guān)，判決門限T表示為：

T=AN∑Ni=1，j=1（xi+xj）；（25）

A=N（P-^－1N－1）。（26）

雷達(dá)接收到的回波數(shù)據(jù)經(jīng)過FFT 處理，然后再經(jīng)過包絡(luò)檢波輸出，進(jìn)入滑窗檢測器進(jìn)行檢測，在CA CFAR中，雜波功率水平由2n個參考單元的算術(shù)平均得到，然后歸一化門限A相乘后得到真正的門限T，最后將檢測單元D和門限T進(jìn)行比較，輸出判決結(jié)果。圖7中D為被測目標(biāo)單元，因為目標(biāo)的功率可能泄露到相鄰的單元中，會影響CA CFAR檢測器對雜波功率水平的估計，所以P作為保護(hù)單元。

3.2 差值比較法

由于不同微裂痕的情況可能會導(dǎo)致反射波表現(xiàn)出相同的強(qiáng)度和時延，這給判斷微裂痕的信息帶來更多的不確定性。因此，本文提出基于相對測量法的策略來進(jìn)行絕緣子微裂痕檢測。

相對測量法以最初絕緣子安全運行時的狀態(tài)檢測作為基準(zhǔn)，取其混頻信號的前M項二維FFT的前M項零速度通道結(jié)果為F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)M，同時取其均值為FA，其中M為高次諧波數(shù)，決定了信號檢測的精度，可根據(jù)芯片處理速度進(jìn)行設(shè)置。

同時，取實時接收的混頻信號的二維FFT的零速度通道結(jié)果F1，與初始狀態(tài)作差值，得到實時差值數(shù)據(jù)Fp。此時差值數(shù)據(jù)Fp中的峰值所代表的即為由于裂縫導(dǎo)致的絕緣子內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變而出現(xiàn)的峰值，對其進(jìn)行定位則可獲取裂縫位置信息。

濾波處理方法消除本身結(jié)構(gòu)影響帶來的峰值后，由于本身毫米波FMCW雷達(dá)的帶寬限制，其測量精度受調(diào)制波的帶寬所限：以本文所用的60～64 GHz的調(diào)頻連續(xù)毫米波FMCW雷達(dá)為例，其測量精度僅能達(dá)到3.75 mm。該精度對于大部分裂縫而言顯得較為龐大，因此，在實時差值數(shù)據(jù)Fp中會出現(xiàn)離群值。為保證最終結(jié)果的可靠性，有必要對其進(jìn)行剔除或修正。

然而，消除離群值將導(dǎo)致整組數(shù)據(jù)變得不完整，可能致使信息缺失。本文通過在傳統(tǒng)離群值消除算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，較好地應(yīng)用于調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)回波信號的濾波。

離群值消除算法將離群值作為目標(biāo)點，離群值周邊沒有足夠的相同類型的相鄰點，其中基于距目標(biāo)點的距離來定義相同類型的相鄰點。首先，在速度-時間二維散點圖上，循環(huán)計算每個點到其他相鄰點的距離，然后插入集合。數(shù)據(jù)集分布的形狀由數(shù)據(jù)均值和方差確定，由此可以確定鄰域半徑r和離群數(shù)閾值p。當(dāng)半徑為r的點附近的點數(shù)小于離群值閾值p時，可以將該點定義為離群值。當(dāng)閾值為p時，可以將該點定義為法線點。

體現(xiàn)在數(shù)據(jù)算法中，比較容易采用的方法是方差檢測法。可以取實時差值數(shù)據(jù)Fp中的列數(shù)據(jù)進(jìn)行方差檢測，對方差較大的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，而僅保留方差較小的特征點，使得數(shù)據(jù)在進(jìn)行峰值檢測過程中更加可靠。

3.3 多徑效應(yīng)與峰值檢測

多徑效應(yīng)是指在波傳播的過程中，由于其路徑較為復(fù)雜，使得最終接收到的多條回波在接收端產(chǎn)生干涉效應(yīng)，最終呈現(xiàn)出增強(qiáng)或者衰弱的效果。由于絕緣子內(nèi)部的介電常數(shù)與外界空氣相差較大，因此可近似認(rèn)為毫米波僅在絕緣子內(nèi)部傳播。在這樣封閉的空間中，多徑效應(yīng)的影響被更加地放大了。在絕緣子內(nèi)部傳播的毫米波FFT結(jié)果中，由于多徑效應(yīng)的存在，易在峰值后出現(xiàn)假目標(biāo)峰。為降低多徑效應(yīng)的影響，需要進(jìn)一步提高雷達(dá)分辨率。在FMCW雷達(dá)中的具體做法主要表現(xiàn)為通過提高雷達(dá)上升沿的周期時間T1，以增加雷達(dá)截取帶寬，達(dá)到增加雷達(dá)分辨率的效果。

基于以上的數(shù)據(jù)處理，最終得到較為平滑的差值數(shù)據(jù)，因此可以采用簡單有效的遍歷法進(jìn)行峰值檢測。為了消除多徑效應(yīng)的影響，僅取遍歷得到的第一個峰為目標(biāo)并記錄其特征。

最后，對實時輸出信號進(jìn)行滑窗處理，取一段時間內(nèi)峰值檢測結(jié)果的平均值，并以最終信號結(jié)果來判斷有無微裂紋以及微裂紋的存在位置。綜上所述，該裝置整體檢測流程圖如圖9所示。

4 實驗裝置設(shè)計

4.1 絕緣子模擬器設(shè)計

試驗階段需要絕緣子陶瓷結(jié)構(gòu)能夠從無微裂紋到有微裂紋有一個動態(tài)過程，然而燒結(jié)的陶瓷結(jié)構(gòu)硬度很高，無法根據(jù)試驗需要靈活產(chǎn)生裂紋，因此必須尋找一種與陶瓷材料接近又便于人工制造裂痕的材料。最終本文確定以高嶺土作為實驗對象。首先高嶺土是陶瓷的主要成分，兩者電特性比較接近。其次高嶺土是粉狀物質(zhì)，便于模擬微裂紋。本文設(shè)計的絕緣子模擬器如圖10所示。

采用3D打印制造一個倒杯形結(jié)構(gòu)的容器，用于填充高嶺土。填充后的高嶺土的總體外形呈現(xiàn)一個杯型結(jié)構(gòu)，其厚度和尺寸與實際絕緣子吻合。該容器的外側(cè)柱面設(shè)計有橫向與斜45度的裂縫插口，用于從外側(cè)對高嶺土制造裂痕，從而驗證傳感器的檢測性能。

4.2 硬件設(shè)計

傳感器的硬件主要包括三大部分：毫米波雷達(dá)芯片、電源管理電路和毫米波天線。硬件設(shè)計原理圖如圖11所示。

圖11中毫米波雷達(dá)芯片采用加特蘭CAL77S244。該傳感器中封裝了毫米波雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)送（TX）和接收（RX）射頻組件、時鐘等模擬組件、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC）、微控制器（MCU）和雷達(dá)信號處理（Sample、FFT、CFAR、DoA）等數(shù)字組件。

考慮到實際懸式絕緣子的有限空間，最終版?zhèn)鞲衅鲗oRA通信模塊與毫米波雷達(dá)傳感器集中在同一個電路板上。核心傳感器放置在電路板中間，將把LoRa模組安裝在右上角。整個電路板外邊框提供屏蔽罩安裝固定夾具，用于電磁屏蔽。電路板為尺寸6 cm×6 cm×1 cm的方形，如圖12所示，可以安裝在鐵帽和陶瓷頭部之間。

4.3 試驗結(jié)果

1）針對絕緣子模擬器試驗。

利用該試驗裝置，對絕緣子模擬器進(jìn)行大量反復(fù)實驗，并對上述算法不斷優(yōu)化，最終實現(xiàn)對長度為1 cm，寬度為0.5 mm的裂痕的可靠檢測，判據(jù)參數(shù)的變化量為10 dB。圖13（a）為絕緣子杯型結(jié)構(gòu)中通過裂縫插口制造的微裂痕。圖13（b）為測試結(jié)果。根據(jù)測試統(tǒng)計，以高嶺土為實驗對象，本文提出的算法檢測成功率為95%。

2）針對真實絕緣子試驗。

本文對真實的絕緣子進(jìn)行了反復(fù)試驗。圖14為江蘇省電力試驗研究院提供的帶有裂痕的大噸位絕緣子。該絕緣子杯型結(jié)構(gòu)處有一個橫向裂紋，使得上半部分結(jié)構(gòu)完全可以脫落。試驗時將傳感器放置在絕緣子杯型結(jié)構(gòu)頂部，將橫向裂紋從吻合狀態(tài)變化為0.5 mm的開裂，并檢測到了裂紋的變化。

通過對低通濾波后的混頻信號進(jìn)行FFT得到其頻譜。由于裂紋是靜止?fàn)顟B(tài)，因此對恒頻連續(xù)波進(jìn)行FFT理論上只會得到一個頻率，即為fb。實驗條件下會存在雜波，因此選取峰值頻率及臨近幾個峰值頻率，通過式（23）計算可得微裂紋距離雷達(dá)信號源的距離。其中峰值頻率fb所對應(yīng)的距離大約為2.3 cm。經(jīng)實際測量該絕緣子杯型結(jié)構(gòu)處橫向裂紋到絕緣子頂端平均距離為2.38 cm。

5 結(jié) 論

本文以大噸位瓷絕緣子為研究對象，進(jìn)行了絕緣子本體缺陷自動感知技術(shù)研究。該研究基于FMCW毫米波雷達(dá)無損檢測原理提出了一種絕緣子微裂紋檢測方法。針對回波中含有大量雜波的情況，本文提出了一種差值比較法對缺陷回波進(jìn)行峰值檢測，有效降低了雜波的影響。并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了絕緣子劣化自感知裝置。該裝置封裝后可在大噸位瓷絕緣子頭部鐵帽內(nèi)進(jìn)行嵌入式處理，實現(xiàn)實時在線監(jiān)測絕緣子內(nèi)部缺陷。試驗表明，該裝置在絕緣子裂紋檢測中有較高的準(zhǔn)確度。

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（編輯：劉素菊）