紫外CCD在电晕检测系统中的应用

科　学　技　术　与　工　程

ScienceTechnologyandEngineeringVol17　No17　Apr12007

Ζ　2007　Sci1Tech1Engng.

紫外CCD在电晕检测系统中的应用

姚鸣晖

1,2

　李自田　刘　军

11,2

(中国科学院西安光学精密机械研究所1,西安710119;中国科学院研究生院2,北京100039)

摘　要　介绍了一种帧转移型面阵紫外CCD—CCD180—512-SFT,在对它的驱动时序进行分析的基础上,设计了驱动时序电路并完成了仿真。认为将其应用于紫外电晕检测可简化系统结构。关键词　紫外CCD　　电晕检测　　驱动时序中图法分类号　TN38615;　文献标志码　A　　检测和定位电晕放电是紫外探测技术在民用领域的一个重要应用。电晕放电时产生的脉冲电磁波对无线电和高频通信会产生干扰;电晕会使导线表面发生腐蚀,从而降低了导线的使用寿命;电晕还是电力系统中重要的电能损耗原因之一。据不完全统计,全国每年因电晕损耗的电能达到了2015亿kW・h。随着我国电力事业的发展,尤其是超高压直流输变系统的应用,电力系统的安全可靠运行就显得更加重要。电晕放电严重地影响人身和设备安全;因此,及时准确地检测电晕放电的位置和强弱,对保证电力系统的可靠运行和减少人身及设备的损坏有重要的意义。

本文选用美国Sarnoff公司的UV—CCD—CCD180-512-SFT作为紫外电晕检测系统的成像器件,CCD180-51-SFT对紫外光和可见光都有响应,不仅可以不通过光谱转换而直接对紫外光成像,还可以只用一片CCD完成光电转换过程,大大简化了系统。

[1]

的紫外光,所以只有在太空中存在这个波段的紫外光;因而,被称为真空紫外。大气中的臭氧层对200nm～300nm波长的紫外光强烈地吸收;因而,在太阳紫外光中的这个波段几乎完全被吸收了,所

[2]

以被称为“日盲区”。紫外电晕检测系统主要是利用中紫外的“日盲”特性进行工作。在“日盲”区,由于目标的紫外辐射强于太阳的紫外辐射,所以目标很容易被显现出来。112　放电与紫外线

当架空输电线路表面的电场强度超过空气分子的游离强度(一般在(20～30)kV/cm之间),空气分子就会被游离。空气中的电子释放能量时,会辐射出光波和声波,还有臭氧、紫外线、微量的[3]

等。设备放电时的紫外辐射强度与电场强度直接相关。紫外检测系统可以对单位时间内计量到的电晕脉冲数进行统计,从而确定放电强度,为设备状态监控提供依据。

1　紫外电晕检测原理

111　紫外日盲区

在电磁波谱中,紫外辐射的波长范围是10nm～400nm。在自然界中,太阳是最强烈的紫外辐射光源。大气中的氧气强烈地吸收波长小于100nm

　2006年10月11日收到

第一作者简介:姚鸣晖(1981—),女,上海人,硕士,研究方向:

CCD信号与信息处理。E2mail:yaominghui@opt.ac.cn。

图1　典型电晕放电光谱

　7期　

姚鸣晖,等:紫外CCD在电晕检测系统中的应用

1321

2　芯片结构说明

美国Sarnoff公司的CCD180-512-SFT是背照型帧转移面阵UV-CCD,16路信号并行输出,光谱响应范围从200nm到1000nm,对紫外光和可见光都有响应,其QE曲线如图2所示。

图4　CCD180-512-SFT信号输出原理图

荷:240000e;读出噪声:<50er/m在100f/s

22

时;暗电流:VIS<015nA/cm,UV<110nA/cm;转换灵敏度:211μV/e;动态范围:4800;光谱响应范围:200nm～1000nm;工作温度范围:0℃～+60℃。--

3　CCD驱动时序分析

图2　CCD180-512-SFT光谱响应曲线

CCD180-512-SFT由两个感光区、两个存储区和读出寄存器构成。每个感光区(或存储区)包含有8个子

阵列,每个子阵列含有256(行)×(列)个有效像元,整个像面则由16个子阵列,共512×512个有效像元构成,16路信号分别读出。电荷移动方向如图3中箭头所示,先由感光区转移到存储区,再由存储区逐行转移到读出寄存器顺序读出。16个子阵列有各自的读出寄存器和CDS(相关双采样)放大器。信号的输出方式是16个端口并行输出,性能优越。

由芯片结构可知,CCD的一个工作周期分两个阶段:感光阶段和转移阶段。在感光阶段,光敏区处于积分状态,各光敏单元进行光电转换,光生电荷被收集并存储在势阱中。第一场积分结束后,转为电荷转移状态,此时光敏区与存储区的三相驱动时钟同步变化,光敏区的信号电荷包并行地快速转移到存储区的存储单元中。此后,光敏区又转入第二场的积分状态,在光敏区的整个光积分期间,存储区、水平区的三相时钟和水平转移时钟间歇地变化,每变化一次,存储区向水平区并行转移一行信号电荷包。然后,水平区时钟高速变化,驱动一行电荷包快速串行移位读出。如此周而复始,直至将存储区暂存的第一场电荷包全部输出。此后,存储区与光敏区的驱动时钟又同步变化,将第二场的积分电荷快速地转移到存储区。此后,重复上述过程。

图3　CCD180-512-SFT芯片结构

其信号输出电路原理图如图4所示。CCD180-512-SFT主要性能参数如下:

结构形式:背照式SFT;有效像元:512×512;像元大小:18μm×18μm;像面尺寸:9122mm×9122mm;输出信道:16;最高帧频:400f/s;满阱电

图5　整帧转移时序图图

1322

科　学　技　术　与　工　程　

7卷

图6　未采样信号与复位、箝位、采样信号对比

4　CCD时序电路的CPLD实现

结合实际采用复杂可编程逻辑器件(CPLD)实现该设计。Altera公司MAX7000系列器件是工业界速度最快的高集成度可编程逻辑器件系列,可模仿TTL,并且可将SSI(小规模集成电路)、MSI(中规模集成电路)、LSI(大规模集成电路)的逻辑功能高密度集成。由QuartusⅡ软件根据系统设计选用Altera公司的EPM7128SLC-84-10。EPM7128SLC-84-10有2500个逻辑门,128个宏单元,8个逻辑阵列块,除了提供时序电路中要求的信号外,还保留了部分的引脚和功能块,以备增加新功能的需要。图7为CCD光积分阶段的系统仿真时序图,图8为CCD帧转移阶段的仿真时序图。

[4]

图8　帧转移阶段波形图5　结论紫外电晕检测系统快速直观,预测性好,且具有不接触、不受高频干扰影响、灵敏度高的特点,在国

外已得到了实际应用(如以色列Ofil公司与美国电力科学研究院合作研制的日间电晕照相机———DayCor双光谱照相机)。但现有的紫外电晕检测系统主要采用影像增强器将紫外光转换为可见光,然后用普通CCD摄像机进行拍摄,在体积、重量、可靠性等方面存在不足。现使用一片紫外CCD,对紫外光和可见光均可成像,简化了电路,这对于紫外成像系统的开发及应用有非常重要的意义。

参　考　文　献

1　靳贵平.紫外探测技术与双光谱图像检测系统的研究.西安:中国

科学院西安光学精密机械研究所,2004

2　黄翌敏.紫外探测技术应用.红外,2005;(4):9—15

3　陈　涛,何　为,刘晓明,等1高压输电线路紫外在线检测系统.

电力系统自动化,2005;29(7):88—92

4　宋万杰,罗　丰,吴　顺.CPLD技术及其应用.西安:西安电子科

图7　光积分阶段时序图

技大学出版社,1999

ApplicationofUV-CCDtoCoronaDetectingSystem

YAOMing-hui

1,2

,LIZi-tian,LIUJun

11,2

(Xi’anInstituteofOpticsandPrecisionMechanics,ChineseAcademyofSciences1,Xi’an710119,P.R.China;

TheGraduateSchoolofChineseAcademyofSciences2,Beijing100039,P.R.China)

[Abstract]　OneofframetransferarrayUV-CCD—CCD180-512-SFTwasintroduced.Accordingtoitsdrivingschedule,thedrivingscedulecircuitwasdesignedandthesystemsimulationhasbeensuccessfullyfulfilled.WiththeuseofCCD180-512-SFT,theultravioletcoronadetectingsystemcanbepredigested.[Keywords]　UV-CCD　　coronadetecting　　drivingschedule