DOI: 10.17586/1023-5086-2023-90-03-60-67
УДК 535.421
Александр Николаевич Чеплаков1, Андрей Николаевич Мельников2, Анатолий Васильевич Лукин3
1Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ, Казань, Россия
1, 2, 3Государственный институт прикладной оптики, Казань, Россия
1alexandr.cheplakov@gmail.com https://orcid.org/0000-0001-9396-8587
2mr.melnikov@bk.ru https://orcid.org/0000-0002-3318-9853
3luk371@yandex.ru https://orcid.org/0000-0003-2422-663X
Аннотация
Предмет исследования. Возможность использования оптической системы, в состав которой входят два дихроичных фильтра, в устройстве дистанционной диагностики состояния высоковольтного оборудования и линий электропередач. Цель работы. Разработка оптической схемы устройства диагностики высоковольтного оборудования с улучшенными спектральными характеристиками и получением изображения в ультрафиолетовом диапазоне спектра, в состав которой входят зеркальный объектив типа Кассегрена, дихроичные фильтры и матричные фотоприемники. Метод основан на использовании лучевого расчета исследуемой и оптимизируемой оптической системы устройства дистанционной диагностики высоковольтного оборудования. Компьютерное моделирование и аберрационный расчет позволили определить конструктивные и качественные параметры оптической системы. Основные результаты. Приведены конструктивные параметры разработанной оптической схемы, в состав которой входят дихроичные фильтры для разделения излучений разных спектральных диапазонов на отдельные оптические каналы, а также спектральные коэффициенты пропускания предлагаемых рассчитанных дихроичных фильтров и варианты матричных фотоприемных устройств для каждого оптического диапазона. Представлены результаты аберрационного расчета и оценки интегрального коэффициента пропускания. Практическая значимость. Предложенная оптическая схема с применением дихроичных фильтров позволяет повысить спектральное пропускание и получить изображения в ультрафиолетовом спектральном диапазоне, которая может быть использована в устройстве диагностики высоковольтного оборудования и линий электропередач.
Ключевые слова: высоковольтное оборудование, коронный разряд, ультрафиолетовый диапазон, зеркальный объектив, дихроичный фильтр
Благодарность: создание прототипа устройства диагностики высоковольтного оборудования проводится при финансовой поддержке Фонда содействия инновациям в рамках договора № 33ГССС15-L/78995.
Ссылка для цитирования: Чеплаков А.Н., Мельников А.Н., Лукин А.В. Оптическая схема устройства диагностики высоковольтного оборудования на базе дихроичных фильтров // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 3. С. 60–67. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-03-60-67
Коды OCIS: 110. 2970, 310.1620
Optical scheme of high voltage equipment diagnostics device based on dichroic filters
Aleksandr N. Cheplakov1, Andrei N. Melnikov2, Anatoly V. Lukin3
1Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev-KAI, Kazan, Russia
1,2,3State Institute of Applied Optics, Kazan, Russia
1alexandr.cheplakov@gmail.com https://orcid.org/0000-0001-9396-8587
2mr.melnikov@bk.ru https://orcid.org/0000-0002-3318-9853
3luk371@yandex.ru https://orcid.org/0000-0003-2422-663X
Abstract
Subject of study. The possibility of using an optical system, which includes two dichroic filters, in a device for remote diagnostics of the state of high voltage equipment and power lines was investigated. Aim of study. Development of a new optical circuit of the device for diagnostics of high voltage equipment with improved spectral characteristics and obtaining images in the ultraviolet range of the spectrum, which includes a Cassegrain-type mirror lens, dichroic filters and matrix photodetectors. Method. It is based on the use of ray calculation of the investigated and optimized optical system of the device for remote diagnostics of high voltage equipment. Computer modeling and aberration calculations made it possible to determine the design and quality parameters of the optical system. Main results. The design parameters of the developed optical scheme, which includes dichroic filters to separate radiation different spectral ranges into separate optical channels, are given. Spectral transmission coefficients of the proposed calculated dichroic filters and options of matrix photo-receiving devices for each optical range are given. Results of aberration calculation and integral transmittance estimation are presented. Practical significance. The proposed optical scheme using dichroic filters allows increasing spectral transmission and obtaining images in the ultraviolet spectral range, and can be used in a device for diagnostics of high voltage equipment and power lines.
Keywords: high voltage equipment, corona discharge, ultraviolet range, mirror lens, dichroic filter
Acknowledgment: the creation of a prototype device for diagnosing high voltage equipment is carried out with the financial support of the Innovation Promotion Fund under contract № 33GSSS15-L/78995.
For citation: Cheplakov A.N., Melnikov A.N., Lukin A.V. Optical scheme of high voltage equipment diagnostics device based on dichroic filters [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2023. V. 90. № 3. P. 60–67. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-03-60-67
OCIS сodes: 110. 2970, 310.1620
Список источников
1. Электронный ресурс URL: https://minenergo.gov.ru/sites/default/files/texts/04/21/5022/10._Ob_avariynyh_i_neshtatnyh_situaciyah_na_obektah_TEK_v_period_s_9_po_15_marta_2017.pdf
2. Guo X., Ji Z., Gao Y., Ding J., Zhang L. 3D corona discharge model and its use in the presence of wind during a thunderstorm // Frontiers in Environmental Sci. 2022. July. P. 10. https://doi.org/10.3389/fenvs.2022.946020
3. Abahazem A., Merbahi N., Guedah H., Yousfi M. Electric and spectroscopic studies of pulsed corona discharges in nitrogen at atmospheric pressure // J. Analytical Sciences, Methods and Instrumentation. 2017. July. P. 57–74. https://doi.org/10.4236/jasmi.2017.73006
4. Лукин А.В., Мельников А.Н., Павлычева Н.К., Чеплаков А.Н. Трехдиапазонная оптическая система для устройства обнаружения электрического разряда высоковольтного оборудования // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. 2021. № 1. С. 109–117.
5. Лукин А.В., Мельников А.Н., Павлычева Н.К., Чеплаков А.Н. Устройство обнаружения электрического разряда с возможностью исследования спектра в ультрафиолетовом диапазоне // XI междунар. конф. по фотонике и информационной оптике. Сб. научн. труд. М.: НИЯУ МИФИ, 2022. С. 543–544.
6. Geary J.M. Introduction to lens design with practical ZEMAX examples. Library of Congress Cataloging in Publication Data, 2002. 462 р.
7. Smith W. Modern optical engineering: The design of optical systems. Carisbad, California: Kaiser Electro- Optics Inc., 2008. 771 р
8. Amra C., Lequime M., Zerrad M. Electromagnetic optics of thin-film coatings: Light scattering, giant field enhancement, and planar microcavities. Cambridge University Press, 2020. 396 р. ISBN: 9781108488877. https://doi.org/10.1017/9781108772372
9. Осипович И.Р. Определение интегрального коэффициента пропускания объективов тепловизионных систем в условиях производственного контроля // Научно-технический журнал «Контенант». 2015. № 4. С. 11–18.
10. Овсянников В.А., Овсянников Я.В., Филиппов В.Л. О возможности обнаружения тепловизионными приборами препятствий // Авиакосмическое приборостроение. 2020. № 7. С. 12–23.
11. Чеплаков А.Н. Определение интегральных коэффициентов пропускания для трёхдиапазонной оптической системы обнаружения и измерения электрического разряда высоковольтного оборудования // Сб. докл. междунар. науч. конф. XXV Туполевские чтения. 2021. Т. 4. С. 299–303.
12. Торшина И.П., Якушенков Ю.Г. Выбор приемника излучения при проектировании оптико-электронного прибора. М.: изд. МИИГАиК, 2017. 58 с.
13. Gill A.S., Shaaban M.M., Tohuvavohu A., Sivanandam S. A low-cost ultraviolet-to-infrared absolute quantum efficiency characterization system of detectors // SPIE Astronomical Telescopes and Instrumentation. Conf. 2022. P. 15. https://doi.org/10.48550/arXiv.2207.13052
14. Suder J. Parameters evaluation of cameras in embedded systems // Przeglad Elektrotechniczny. 2022. № 9. V. 1. P. 218–221. https://doi.org/10.15199/48.2022.09.50
15. Montes de Oca A., Flores G. A UAS equipped with a thermal imaging system with temperature calibration for Crop Water Stress Index computation // 2021 Internat. Conf. Unmanned Aircraft Systems. 2021. P. 714–720. https://doi.org/10.1109/ICUAS51884.2021.9476863
References
1. Electronic resource URL: https://minenergo.gov.ru/sites/default/files/texts/04/21/5022/10._Ob_avariynyh_i_neshtatnyh_situaciyah_na_obektah_TEK_v_period_s_9_po_15_marta_2017.pdf
2. Guo X., Ji Z., Gao Y., Ding J., Zhang L. 3D corona discharge model and its use in the presence of wind during a thunderstorm // Frontiers in Environmental Sci. 2022. July. P. 10. https://doi.org/10.3389/fenvs.2022.946020
3. Abahazem A., Merbahi N., Guedah H., Yousfi M. Electric and spectroscopic studies of pulsed corona discharges in nitrogen at atmospheric pressure // J. Analytical Sciences, Methods and Instrumentation. 2017. July. P. 57–74. https://doi.org/10.4236/jasmi.2017.73006
4. Lukin. А.V., Melnikov A.N., Pavlycheva N.K., Cheplakov A.N. Tri-band optical system for high voltage electrical discharge detection device [in Russian] // Bulletin of KSTU named after A.N. Tupolev. 2021. № 1. P. 109–117.
5. Lukin А.V., Melnikov A.N., Pavlycheva N.K., Cheplakov A.N. Electric discharge detection device with the ability to study the spectrum in the ultraviolet range [in Russian] // XI Internat. Conf. Photonics and Information Optics: Collection of scientific papers. Moscow: NRNU MEPHI Publisher, 2022. P. 543–544.
6. Geary J.M. Introduction to lens design with practical ZEMAX examples. Library of Congress Cataloging in Publication Data, 2002. 462 р.
7. Smith W. Modern optical engineering: The design of optical systems. Carisbad, California: Kaiser Electro- Optics Inc., 2008. 771 р
8. Amra C., Lequime M., Zerrad M. Electromagnetic optics of thin-film coatings: Light scattering, giant field enhancement, and planar microcavities. Cambridge University Press, 2020. 396 р. ISBN: 9781108488877. https://doi.org/10.1017/9781108772372
9. Osipovich I.R. Determination of the integral transmission coefficient of thermal imaging lenses under production control conditions [in Russian] // Sci. and Technical J. "Kontenant". 2015. № 4. P. 11–18.
10. Ovsyannikov V.A., Ovsyannikov Y.V., Filippov V.L. On the ability of thermal imaging devices to detect obstacles [in Russian] // J. Aerospace Instrumentation. 2020. № 7. P. 12–23.
11. Cheplakov A.N. Determination of integral transmission coefficients for a tri-band optical system for the detection and measurement of electrical discharge of high voltage equipment [in Russian] // Collection of Reports. Internat. Sci. Conf. XXV Tupolev Readings. 2021. V. 4.P. 299–303.
12. Torshina I.P., Yakushenkov Y.G. Selection of a radiation receiver when designing an optoelectronic device. [in Russian] Moscow: MIIGAiK Publisher, 2017. 58 с.
13. Gill A.S., Shaaban M.M., Tohuvavohu A., Sivanandam S. A low-cost ultraviolet-to-infrared absolute quantum efficiency characterization system of detectors // SPIE Astronomical Telescopes and Instrumentation. Conf. 2022. P. 15. https://doi.org/10.48550/arXiv.2207.13052
14. Suder J. Parameters evaluation of cameras in embedded systems // Przeglad Elektrotechniczny. 2022. № 9. V. 1. P. 218–221. https://doi.org/10.15199/48.2022.09.50
15. Montes de Oca A., Flores G. A UAS equipped with a thermal imaging system with temperature calibration for Crop Water Stress Index computation // 2021 Internat. Conf. Unmanned Aircraft Systems. 2021. P. 714–720. https://doi.org/10.1109/ICUAS51884.2021.9476863
