特高压电晕放电早期诊断的激光共振拉曼方法

摘要

一种特高压电晕放电早期诊断的激光共振拉曼方法，该方法采用的诊断系统由远程激光共振拉曼测试系统（1）与旋转升降调节支架（19）构成。远程激光共振拉曼测试系统由主控制分析子系统（10）、可见光成像子系统（9）、紫外光源子系统（12）、卡式望远镜（21）、紫外光谱仪（4）及光学附件组成。通过对早期电晕放电的化学效应中产生的极其微量的臭氧、二氧化氮及一氧化氮气体分子进行激光共振拉曼光谱检测，实现对电晕放电的早期诊断。本发明通过可见光成像与激光共振拉曼光谱检测光路共用及自动对焦技术，完成远程可视化光谱检测操作，实现极高灵敏度的臭氧分子共振拉曼光谱探测及对一氧化氮及二氧化氮的拉曼光谱进行有效探测。

主权项

一种特高压电晕放电早期诊断系统，包括旋转升降调节支架，其特征在于，还包括远程激光共振拉曼测试系统；所述远程激光共振拉曼测试系统包括主控制分析子系统、可见光成像子系统、紫外光源子系统、卡式望远镜和紫外光谱仪；所述可见光成像子系统，包含面阵CCD、驱动及成像输出电路及显示屏；所述紫外光源子系统，包含高重频超短脉冲激光器、倍频晶体组件、PCF耦合器、PCF、紫外窄带滤光片及扩束镜；所述高重频超短脉冲激光器，发出的脉冲激光经过倍频晶体组件，经过PCF耦合器进入PCF，得到紫外超连续谱脉冲激光输出，再经紫外窄带滤光片，得到波长为λ₁的紫外脉冲激光，再经扩束镜扩束，再穿过卡式望远镜，形成远程激光共振拉曼测试系统主光轴；所述卡式望远镜的核心组件是主镜、次镜和次镜电动伺服机构；所述特高压电晕放电早期诊断系统的激光共振拉曼诊断方法包括以下步骤：(1)粗调操作旋转升降调节支架进行远程激光共振拉曼测试系统的升降调节及旋转调节，改变主光轴的方向，使其目测初步对准电晕放电监测区域；主控制分析子系统发出指令，启动驱动及成像输出电路，使面阵CCD开始工作；可见光成像子系统通过卡式望远镜对其视场范围内的物体进行远距离可见光谱段数字成像，视场范围内的物体发出的可见谱段光线依次经过主镜、次镜、分束镜、紫外可见分束镜反射，成像于面阵CCD；面阵CCD输出的数字图像，一路被主控制分析子系统接收，另一路同时输出在显示屏上实时显示；(2)细调及自动对焦观察显示屏上的实时图像，同时微调旋转升降调节支架，改变主光轴的方向，使电晕放电监测区域准确显示在显示屏上，即使电晕放电监测区域准确成像到面阵CCD上；此时，主控制分析子系统接收面阵CCD输出的数字图像，对其实时进行快速傅立叶变换，随后进行实时频域分析；同时，主控制分析子系统发出控制指令，启动次镜电动饲服机构，带动次镜沿主光轴前后移动；在移动的过程中，对实时数字图像的实时频域分析同步进行，当频域中的高频分量占总频域分布的比例最高时，即面阵CCD输出的数字图像细节最丰富时，则处在合焦状态，即远距离处的电晕放电监测区域通过卡式望远镜成像的合焦平面与面阵CCD完全重合；此时，主控制分析子系统发出控制指令，停止次镜电动饲服机构的工作；(3)紫外脉冲激光远程聚焦主控制分析子系统发出指令，启动高重频超短脉冲激光器，发出的脉冲激光经过倍频晶体组件，经过PCF耦合器进入PCF，得到紫外超连续谱脉冲激光输出，再经紫外窄带滤光片，得到波长为λ₁的紫外脉冲激光，再经扩束镜扩束，从卡式望远镜的主镜的中心孔穿进；再经次镜及主镜的镀银反射面反射后，聚焦于远距离的激光聚焦点；激光聚焦点为电晕放电监测区域与主光轴的交点；(4)激光共振拉曼分析通过对λ₂、λ₃、λ₄三个波长的拉曼光谱强度分析，可判断激光聚焦点处是否有臭氧分子、一氧化氮分子、二氧化氮分子，及它们的浓度大小；其中，λ₂为臭氧分子对应的斯托克斯拉曼散射波长、λ₃为二氧化氮分子对应的斯托克斯拉曼散射波长、λ₄是一氧化氮分子对应的斯托克斯拉曼散射波长；波长为λ₁的紫外脉冲激光在激光聚焦点处激发的斯托克斯拉曼散射信号依次经主镜、次镜、分束镜反射后至紫外可见分束镜，只有紫外谱段的斯托克斯拉曼散射信号能透过紫外可见分束镜；经圆孔耦合器耦合进光纤的紫外谱段斯托克斯拉曼散射信号进入紫外光谱仪进行紫外分光、光电转换，紫外光谱仪的输出光谱信号被主控制分析子系统接收，进行紫外拉曼光谱分析；波长λ₁为激发臭氧产生共振激光拉曼效应所需的激光波长，在此波长脉冲激光的激发下，臭氧分子对应的斯托克斯拉曼散射波长λ₂处的信号将增大10⁴到10⁶倍，可对臭氧分子极微量浓度的变化进行检测；对一氧化氮分子和二氧化氮分子，波长λ₁的脉冲激光只能激发出常规受激拉曼散射信号，其检测灵敏度相对低一些，对一氧化氮分子和二氧化氮分子的检测起辅助作用；(5)电晕放电早期诊断判定标准如下：当激光聚焦点处无早期电晕放电时，该处的气体分子组成为大气分子组成；臭氧分子、一氧化氮分子、二氧化氮分子对应的λ₂、λ₃、λ₄三个波长的拉曼谱线强度相对非常小；当激光聚焦点处存在早期电晕放电时，该处产生极微量的臭氧分子、一氧化氮分子、二氧化氮分子，和大气组成相比，激光聚焦点处臭氧分子、一氧化氮分子、二氧化氮分子有一个极微小的浓度增加；由于共振拉曼效应，λ₂处的拉曼谱线强度将有一个巨大的增加，而λ₃、λ₄处的拉曼谱线强度将有一个微小的增加；据此判定标准，可判断激光聚焦点处是否存在早期电晕放电。