基于红外热成像与可见光融合的电缆故障检测系统及方法与流程

1.本发明属于电缆检测技术领域，具体是基于红外热成像与可见光融合的电缆故障检测系统及方法。


背景技术：

2.随着城市规模与用电需求的不断增加，城市的供配电网络不断修建，为了节约城市用地、规整城市环境，城市输电大规模朝着地下建设的方向发展，其中建设地下电缆通道的形式最为常见。为保证电力系统正常运作，地下电缆通道中，每隔一段距离需要设置一个电缆井。电缆井是为了方便工作人员进行电缆敷设、电缆日常检修而设置的随着城市用电需求的不断增加，电缆敷设工程越来越多，电缆井内电缆线路也愈来愈复杂，工作人员受井内空间的限制往往会对电缆进行大幅度的扭转，从而造成了细小的机械损伤。由此可见，在设置电缆井，为电缆敷设及维护带来方便的同时，井内常年潮湿、电缆线路错综复杂等特点也加速了电缆的绝缘老化并带来了安全隐患，增加了工作人员的巡检与维护的难度。其中，电缆是电缆系统中较为薄弱的环节，井内电缆的外绝缘包裹材料大多为非阻燃材料，若电缆发生短路故障导致击穿后处理不及时，极易引起火灾事故，轻则造成财产损失，重则造成区域长时间断电甚至威胁人身安全。目前，对于普通电缆的电力维护一直采用人工定期巡检的方式并进行预防性维护，但还是无法预料电缆何时会发生故障。电缆出现故障的主要原因是绝缘老化劣化，从而导致温度上升，甚至引发电缆井内火灾事故，因此，获取电缆的温度信息并做好预警工作显得尤为重要。


技术实现要素：

3.为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供了基于红外热成像与可见光融合的电缆故障检测系统及方法，利用改进的nsct将红外与可见光图像相融合，在保留了图像细节信息和相似度的情况下，较好地保留了图像的轮廓信息，能够更好的甄别电缆异常发热区域的轮廓信息，并根据提前设定的温度限值触发警报，提高了准确度及工作效率。
4.本发明采用的技术方案：基于红外热成像与可见光融合的电缆故障检测系统，包括硬件系统和软件系统，所述的硬件系统包括可见光图像传感器、红外图像传感器、主控模块和无线传输模块；所述的软件系统包括：上位机预警系统、和图像处理系统。
5.基于红外热成像与可见光融合的电缆故障检测方法，包括可见光图像传感器、红外图像传感器、主控模块和无线传输模块，包括以下步骤：
6.s1：收集电缆井内的信息，通过红外图像传感器和可见光图像传感器分别采集温度与可见光图像；
7.s2：利用无线传输模块将采集到的温度与可见光图像上传至终端；
8.s3：与上传至终端的图像进行预处理，包括对图像增强、滤波和配准；
9.s4：使用改进的nsct图像融合算法对红外和可见光源图像进行多尺度、多方向系数分解，得到低频分量及高频分量并分别融合，将红外和可见光图像低频分量的特征图谱
分别进行l1范数和自适应加权算子运算，将两者的图谱计算融合得到融合后的图谱；利用改进的拉普拉斯算子和取大融合规则对图片高频分量进行融合；
10.s5：设定预警温度，与传感器得到的目标物体的温度比较，当电缆温度越限时发出警报并基于图像二值化对异常发热区域定位。
11.优选的，所述的步骤s4中将红外和可见光图像低频分量的特征图谱分别依次进行l1范数和自适应加权运算，再将两者的活力水平图谱计算融合得到融合后的图谱。
12.优选的，所述步骤s4中将红外图像和可见光图像中的低频分量利用自适应加权融合规则将源图像经过变换分解处理后得到的表征系数分别对应进行自适应加权相加，自适应加权融合具体公式表示为：
13.if(x,y)＝waia(x,y)+wbib(x,y)
[0014][0015][0016]
式中，wa和ia(x,y)分别表示红外图像的加权系数和像素点值；wb和ib(x,y)分别表示可见光图像的加权系数和像素点值；if(x,y)表示融合图像逆变换前的特征图谱的像素点值；分别表示红外图像沿像素点(x,y)的水平和垂直方向sobel算子与红外图像对应的像素l1范数卷积输出；
[0017]
分别表示可见光图像沿像素点(x,y)的水平和垂直方向sobel算子与可见光图像对应的像素l1范数卷积输出；m,n表示对图像划分成m
×
n块。
[0018]
优选的，所述步骤s4中改进的拉普拉斯算子ml表示为：
[0019]
ml(x,y)＝|2hi(2x,y)-hi(2x-1,y)-hi(2x+1,y)|
[0020]
+|2hi(x,2y)-hi(x,2y-1)-hi(x,2y+1)|
[0021]
其高频分量的sml表示为：
[0022][0023]
式中，x和y是图像分量的横纵坐标；p和q分别为横坐标与纵坐标的增量；p和q是用来确定ml的窗口尺度的大小为(2p+1)
×
(2q+1)，高频融合图像分量表示为：
[0024][0025]
式中，smla(x,y)和smlb(x,y)分别表示红外图像与可见光图像的高频分量。
[0026]
优选的，所述的步骤s5中设置预警温度的方法为采用全局阈值对图像像素点灰度值进行设置，利用图像二值化对异常发热部位进行定位。
[0027]
优选的，所述的主控模块采用stm32芯片，所述的无线传输模块采用4g无线传输模
块，所述的硬件系统还包括外围电路和供电电源。
[0028]
本发明的有益效果：本发明是基于现存的配电电缆井巡视时间长、效率低等问题进行技术研究与改进，通过集成红外探测技术、传感技术、计算机技术提供一种城市电缆井全景探测仪方案设计，相比于传统的电缆井巡视方法更深入，准确的分析电缆井工作状态，本发明是设备状态检测技术在具体电路中的技术应用。能够更加全面地对电缆井进行全面画像，直观地反映电缆井的实时工作情况，而且能在环境发生异常时及时地进行报告预警，将风险与损失最小，在满足电缆井故障预警的基础上实现了高效化、低成本化，在保证经济的同时能够一定程度上提升预警效率，实现经济效益的最大化。
[0029]
具体实施方式
[0030]
在此进一步说明本发明的技术方案细节。
[0031]
本发明所述的检测系统包括可见光图像传感器、红外图像传感器、4g无线传输模块、主控模块stm32、外围电路、供电电源组成的硬件系统，以及由上位机预警系统和图像处理组成的软件系统，包括图像预处理、图像融合、异常发热部位定位。
[0032]
基于红外热成像与可见光图像融合的电缆故障检测方法，包括以下步骤：
[0033]
s1：通过红外图像传感器与可见光图像传感器采集温度与可见光图像，收集电缆井内的信息；
[0034]
s2：利用4g无线传输模块将传感器收集到的温度和图像信息上传至pc端，获取红外与可见光图像；
[0035]
s3：对上传至pc端的图像进行预处理，包括对图像增强、滤波和配准；
[0036]
s4：基于改进的nsct图像融合算法对红外与可见光源图像进行多尺度、多方向系数分解，得到低频分量及高频分量并分别融合，将红外和可见光图像低频分量的特征图谱分别进行l1范数和自适应加权算子运算，将两者的图谱计算融合得到融合后的图谱；利用一种改进的拉普拉斯算子和取大融合规则对图片高频分量进行融合；
[0037]
s5：设定预警温度，与传感器得到的目标物体的温度比较，当电缆温度越限时发出警报并通过图像二值化对异常发热区域定位。
[0038]
本发明首先构建硬件系统，包括可见光图像传感器、红外图像传感器、4g无线传输模块、主控模块stm32、外围电路、供电电源，由可见光传感器与红外图像传感器收集电缆井内电缆温度及环境温度等信息，在主控模块stm32处理下借由4g无线传输模块上传至pc端进行图像处理。
[0039]
本发明所述的图像预处理在于利用硬件系统收集到的可见光图像及红外热图像，对其进行图像增强、图像滤波以及图像特征匹配，减少由硬件设备和获取环境差异造成的影响。
[0040]
本发明中所述的图像预处理包括图像增强、图像滤波和图像配准，处理实施方法有多种，作为优选，所述步骤3中选用retinex变换作为图像预处理中使用的图像增强处理，图像增强效果明显，较好地还原原始图像的细节，采用双边滤波算法对采集的红外与可见光图像进行滤波操作，采用经典的surf算法完成图像配准中的特征提取和匹配采用。
[0041]
本发明所述的基于改进nsct的图像融合算法对红外图像与可见光图像低频分量
及高频分量进行分别融合，将红外和可见光图像低频分量的特征图谱分别进行l1范数和自适应加权算子运算，将两者的图谱计算融合得到融合后的图谱；利用一种改进的拉普拉斯算子和取大融合规则对图片高频分量进行融合；
[0042]
为解决平均融合和规则导致源图像的像素值弱连接性的缺点，所述步骤s4中将红外图像和可见光图像中的低频分量利用自适应加权融合规则将源图像经过变换分解处理后得到的表征系数分别对应进行自适应加权相加，通过下列公式进行图像低频分量下的自适应加权融合：
[0043]
if(x,y)＝waia(x,y)+wbib(x,y)
[0044][0045][0046]
式中，wa和ia(x,y)分别表示红外图像的加权系数和像素点值；wb和ib(x,y)分别表示可见光图像的加权系数和像素点值；if(x,y)表示融合图像逆变换前的特征图谱的像素点值；分别表示红外图像沿像素点(x,y)的水平和垂直方向sobel算子与红外图像对应的像素1范数卷积输出；
[0047]
分别表示可见光图像沿像素点(x,y)的水平和垂直方向sobel算子与可见光图像对应的像素1范数卷积输出；m,n表示对图像划分成m
×
n块。
[0048]
本发明所述步骤4中对红外图像与可见光图像高频分量采用基于改进nsct的图像融合，改进拉普拉斯算子ml可以表示为：
[0049]
ml(x,y)＝|2hi(2x,y)-hi(2x-1,y)-hi(2x+1,y)|
[0050]
+|2hi(x,2y)-hi(x,2y-1)-hi(x,2y+1)|
[0051]
其高频分量的sml可以表示为：
[0052][0053]
式中，x和y是图像分量的横纵坐标；p和q分别为横坐标与纵坐标的增量；为p和q是用来确定ml的窗口尺度的大小为(2p+1)
×
(2q+1)。
[0054]
作为优选，融合后图像高频分量采用灰度值取大原则，smla(x,y)和smlb(x,y)分别表示红外图像与可见光图像的高频分量，则融合后高频分量通过下列公式表示：
[0055][0056]
本发明所述的温度预警系统在于设定预警温度，与图像融合后的目标物体温度比较，当电缆温度越限时发出警报并对图像实行二值化以及图像腐蚀操作，完成对异常发热区域定位。本实施例中，步骤s5中采用全局阈值将图像像素点灰度值设为214，对图像二值
化对90℃以上异常发热部位进行定位。

技术特征：
1.一种基于红外热成像与可见光融合的电缆故障检测系统，包括硬件系统和软件系统，其特征在于：所述的硬件系统包括可见光图像传感器、红外图像传感器、主控模块和无线传输模块；所述的软件系统包括：上位机预警系统、和图像处理系统。2.一种基于红外热成像与可见光融合的电缆故障检测方法，包括可见光图像传感器、红外图像传感器、主控模块和无线传输模块，其特征在于：包括以下步骤：s1：收集电缆井内的信息，通过红外图像传感器和可见光图像传感器分别采集温度与可见光图像；s2：利用无线传输模块将采集到的温度与可见光图像上传至终端；s3：与上传至终端的图像进行预处理，包括对图像增强、滤波和配准；s4：使用改进的nsct图像融合算法对红外和可见光源图像进行多尺度、多方向系数分解，得到低频分量及高频分量并分别融合，将红外和可见光图像低频分量的特征图谱分别进行l1范数和自适应加权算子运算，将两者的图谱计算融合得到融合后的图谱；利用改进的拉普拉斯算子和取大融合规则对图片高频分量进行融合；s5：设定预警温度，与传感器得到的目标物体的温度比较，当电缆温度越限时发出警报并基于图像二值化对异常发热区域定位。3.根据权利要求2所述的一种基于红外热成像与可见光融合的电缆故障检测方法，其特征在于：所述的步骤s4中将红外和可见光图像低频分量的特征图谱分别依次进行l1范数和自适应加权运算，再将两者的活力水平图谱计算融合得到融合后的图谱。4.根据权利要求2所述的一种基于红外热成像与可见光融合的电缆故障检测方法，其特征在于：所述步骤s4中将红外图像和可见光图像中的低频分量利用自适应加权融合规则将源图像经过变换分解处理后得到的表征系数分别对应进行自适应加权相加，自适应加权融合具体公式表示为：i
f
(x，y)＝w
a
i
a
(x，y)+w
b
i
b
(x，y)(x，y)式中，w
a
和i
a
(x，y)分别表示红外图像的加权系数和像素点值；w
b
和i
b
(x，y)分别表示可见光图像的加权系数和像素点值；i
f
(x，y)表示融合图像逆变换前的特征图谱的像素点值；分别表示红外图像沿像素点(x，y)的水平和垂直方向sobel算子与红外图像对应的像素l1范数卷积输出；分别表示可见光图像沿像素点(x，y)的水平和垂直方向sobel算子与可见光图像对应的像素l1范数卷积输出；m，n表示对图像划分成m
×
n块。5.根据权利要求2所述的一种基于红外热成像与可见光融合的电缆故障检测方法，其特征在于：所述步骤s4中改进的拉普拉斯算子ml表示为：
ml(x，y)＝|2h
i
(2x，y)-h
i
(2x-1，y)-h
i
(2x+1，y)|+|2h
i
(x，2y)-h
i
(x，2y-1)-h
i
(x，2y+1)|其高频分量的sml表示为：式中，x和y是图像分量的横纵坐标；p和q分别为横坐标与纵坐标的增量；p和q是用来确定ml的窗口尺度的大小为(2p+1)
×
(2q+1)，高频融合图像分量表示为：式中，sml
a
(x，y)和sml
b
(x，y)分别表示红外图像与可见光图像的高频分量。6.根据权利要求2所述的一种基于红外热成像与可见光融合的电缆故障检测方法，其特征在于：所述的步骤s5中设置预警温度的方法为采用全局阈值对图像像素点灰度值进行设置，利用图像二值化对异常发热部位进行定位。7.根据权利要求1所述的一种基于红外热成像与可见光融合的电缆故障检测系统，其特征在于：所述的主控模块采用stm32芯片，所述的无线传输模块采用4g无线传输模块，所述的硬件系统还包括外围电路和供电电源。

技术总结
本发明公开了一种基于红外热成像与可见光图像融合的电缆故障检测系统与方法，所述方法包括：S1:利用温度传感器、可见光模块和无线传输模块收集电缆可见光图像，电缆温度信息；S2:在PC端获取经无线模块传输的传感器所收集到的红外与可见光图像；S3:对采集的图像进行增强、滤波和配准预处理；S4：基于改进的NSCT图像融合算法对红外图像与可见光图像进行融合S5:设定温度阈值，当井内电缆温度越限时发出警报并对异常发热区域定位，改进的NSCT融合图像在保留了图像细节信息和相似度的情况下，较好地保留了图像的轮廓信息，能够更好的甄别电缆异常发热区域的轮廓信息，并根据提前设定的温度限值触发警报，提高了准确度及工作效率。提高了准确度及工作效率。


技术研发人员：秦洋 周强 郝宏亮 刘德忠 钱怡辰 周利 范亚雷 张鸿林
受保护的技术使用者：国网江苏省电力有限公司徐州供电分公司
技术研发日：2023.02.16
技术公布日：2023/7/25