[发明专利]基于紫外光探测的铁路接触网电火花识别方法及系统

权利要求书

1.基于紫外光探测的铁路接触网电火花识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，首先通过高铁接触网设备电离放电时，在空气中产生的电子不断获得和释放能量，辐射出紫外光，其波长大部分在280～400nm的范围，通过检测日盲区紫外光来检测高压放电；具体为：辐射出的紫外光通过光电倍增管接收装置，光电倍增管驱动电路提供各倍增极的极间电压，将光电倍增管驱动电路阳极接地，负高压电源连接至阴光电倍增管驱动电路极，将光电倍增管作为电流源并与前置放大器相连接；

步骤2，通过第1级前置反向比例放大电路直接对光电倍增管的输出的负脉冲信号进行反向放大，放大倍数可调固定为10倍，得到正向电流脉冲；第2级滤波电路对第1级前置反向比例放大电路出来的正向电流脉冲进行滤波处理，采用二阶巴特沃思高通滤波器，滤除低频干扰，截止频率为1kHz；第3级放大调整电路是正向放大电路，对前两级得到的波形进行调整并保持正向，使其符合A/D采样电路的输入要求；其中，1级前置反向比例放大电路，第2级滤波电路，第3级放大调整电路按顺序串联在一起构成前置放大器；

步骤3，在滤除背景光后，放电辐射的紫外光传输到传感器的受光面时已经非常微弱，采用紫外光功率测量的方法对放电产生紫外光功率进行检测，判断放电程度；数字积分电路首先对放大滤波得到的放电信号波形采用模数转换器件进行A/D采样与转换即将模拟信号转换为数字信号，再对得到的数字信号进行单位时间的积分，收集到接收信号通过串口发送到计算机上作分析处理；

步骤4，在主控微处理器内部计数器中设定接收紫外脉冲数，根据紫外脉冲的个数检测放电现象；主控微处理器检测到放电脉冲信号初始时间为t₁时刻，检测放电脉冲信号截止时间为t₂时刻，根据高铁运行时速v可以计算出检测放电距离为s，取放电检测时刻的中点为t_v时刻，根据检测到放电脉冲信号强度最大值时刻与放电检测中点时刻的距离大小，以及GPS/北斗定位模块来确定火花放电的位置点，得到接触网火花放电频谱图，根据脉冲频率特征所需提取的相应特征频率成分的范围，将所述频谱图分成若干个频率段，通过求取每个频段在整个频谱总量中所占比例大小来提取放电特征。

2.根据权利要求1所述的基于紫外光探测的铁路接触网电火花识别方法，其特征在于，步骤3所述的计算机的分析处理，是将所得到的信号波形在计算机上显示出来。

3.根据权利要求1所述的基于紫外光探测的铁路接触网电火花识别方法，其特征在于，还包括以下步骤：

光电倍增管将监测到的信号进行光电转换，经过滤波放大输出整形后可用的电压信号，再进行A/D转换，得到紫外脉冲信号，根据接触网电火花放电程度与距离关系建立的紫外脉冲个数统计库，设定阈值电压，统计紫外脉冲个数，在主控微处理器内部设定1s内接收紫外脉冲数为100-150个时，则为放电现象；

将紫外脉冲信号传输到主控微处理器，主控微处理器判断是否存在放电现象，如果步骤1统计的脉冲个数超过或者落在步骤1的脉冲个数统计库内，设定程序输出数据为1，则存在放电现象，否则设定程序输出数据为0，则无放电现象；

当主控微处理器接收到的数据为1时，即高铁运行过程中检测到放电现象时，记录此时刻为t₁，并对放电现象进行持续检测直至放电火花脉冲信号截止，记录此时刻为t₂，通过列车运行速度与放电时间差t₂-t₁，计算出持续放电距离，根据检测到放电火花脉冲信号强度进行具体放电位置的判定，具体过程为：记录放电中点时刻为t_v，计算火花放电脉冲强度最大值时刻距离放电中点时刻的时间差，进而得到放电点的大致位置；

接收脉冲信号强度的计算，光电倍增管作为接收器件，它以电流形式输出信号，根据信息存储单元的电压值和电路特性可以计算出辐射在光电倍增管上的紫外光接收光强度，电流输出表达式如下：

（1）

其中表示接收到的入射光子数，是光电倍增管的光电转换率，是滤光片的透过率，是光电倍增管的增益，T表示时间，e表示电子电荷量，公式（2）为入射光子数的表达式：

（2）

已知光电倍增管的增益=1*10⁷，e=1.60219*10^-19，，，普朗克常数，用v表示频率，则一个光子的能量是，可得到接收光功率为：

（3）

（4）

式中，，波长，根据可得：

（5）

式中，，代入公式（5）得：

（6）

通过计算紫外光接收脉冲信号强度得到电火花放电强度，由于接触网设备放电检测脉冲的频率各分量特征间具有一定的比例关系，采用最大相似度指标来判定识别放电强度大小，对脉冲信号特征进行提取分析，得到的脉冲信号放电样本，为第j种放电模式的输入时序列信号，经过分解得到的相应能量特征向量；将所得能量特征向量与各放电类型的标准模板特征向量逐一进行相关系数计算，分别可得各放电模式下的相关系数输出，其中下标p表示连续放电次数；然后以各放电模式下的放电相关系数的最大值作为判断依据，获得识别结果输出，根据判决输出判定火花放电等级。