技术领域
[0001] 本
发明涉及一种长间隙流注先导放电转化瞬时气体密度测量系统和方法，具体为长空气间隙流注向先导放电转化的暗区时间内瞬时气体密度的测量系统和方法，属于高
电压试验技术放电
等离子体诊断领域。
背景技术
[0002] 长空气间隙放电通常是指1m至数十m长度的空气放电现象。长空气间隙放电是电
力系统外绝缘配置和雷电防护研究的
基础。流注和先导放电是主导长空气间隙击穿的两个放
电子过程，其中流注放电由许多放电分支构成，其等效电导率低，产生的自由电子为先导的形成提供
能量。而先导放电是一种热电离现象，先导通道内电导率升高，气体密度降低，是造成长空气间隙
击穿电压饱和的主因。因而，测量流注向先导放电转化过程的气体密度，对于准确模拟先导的形成、预测间隙的击穿电压十分关键，正极性长间隙放电过程如图1所示。
[0003] 流注向先导放电转化是一个由自由电子碰撞传递能量、加热中性气体分子导致热电离的过程。目前，在气体放电领域，对于气体密度、
温度热力学参数定量诊断方法有：
[0004] 1、
光谱法，包括：(1)发射光谱法，原理是
原子外层由基态到激发态，处于激发态电子不稳定，会以光
辐射的形式释放出能量，而回到基态或较低的能级，从而得到线状光谱，用于定量分析；(2)吸收光谱法，原理是用一定
波长的光照射放电通道，放电通道会吸收一部分光，照射前后就有光强度的变化，记录这种变化得到的光谱，如分子、原子吸收光谱，用于定量分析。
[0005] 2、
马赫曾德M-Z激光
干涉法：如图2所示，利用光线在折射率变化的气体流场中发生偏折的性质，扩束后的
准直激光束被分束镜分成两路，不经过放电区域称为参考光，相反称为物光。使用冲击发生器给高压
电极加压产生放电，由于放电通道折射率与空气不同，物光将产生附加光程差，使两路光经分束镜汇合后发生干涉，经透镜对应
位置处产生干涉条纹的位移。采用高速摄影仪记录不同时刻的条纹图像，定量计算条纹的位移量，最后基于Abel逆变换反演计算获得气体密度，高速相机的触发时刻由
冲击电压发生器提供。
[0006] 3、纹影法，包括普通纹影法和定量纹影法。(1)普通纹影法不包含刀口，其主要原理是将光线经过高压电极放电区域产生扰动变为像屏上光强的分布，得到放电通道热区域边界。(2)定量纹影法通过引入刀口，将放电区域折射率变化的一阶导数，变换为刀口切割量位移的变化与图像灰度的对应关系，通过采用高速摄影仪并由冲击电压提供触发
信号记录不同时刻放电通道的灰度图像，由逆Abel变换反演获得放电区域密度和温度的定量分布曲线，定量纹影典型试验布置如图3所示。
[0007] 长空气间隙放
电击穿电压高(约为500kV至2000kV范围)、间隙几何尺度大(1m至数十m长度)。流注-先导转化过程持续的时间短至数个μs、转化区域内气体密度和折射率变化不明显、初始半径小(仅为0.1mm)，同时流注向先导放电转换过程产生和持续的时间均存在较大的随机性，欲准确获得流注先导转化过程中的热力学参数，不但对测量方法的时间、空间分辨能力要求极高，还必须解决因放电随机性带来的捕获效率低下难题。
[0008] 现有的放电气体密度诊断方法，仅能满足稳定先导发展或者先导弛豫过程中的通道气体密度，不适用于流注向先导转化过程的气体密度测量，其具体原因是：
[0009] 1、光谱诊断法。
[0010] (1)在流注向先导转化过程中，流注光电离减弱，能量转化过程主要是中性分子振动
动能向平动动能的转化，先导通道自身发射光线微弱，现有的光谱诊断方法难以适用。
[0011] (2)由于长空气间隙放电电压高，放电过程对发射光谱诊断设备存在强烈的
电磁干扰，目前光谱诊断方法主要应用于cm级短间隙ns脉冲放电等离子参数诊断中。
[0012] 2、马赫曾德M-Z激光干涉法。
[0013] 存在两方面问题：
[0014] (1)M-Z干涉法的灵敏度与条纹的宽度正相关，在暗区时间内，气体密度变化量很小，从而引起折射率的变化量很小，欲增加干涉条纹的位移量，需要增加条纹间距、减小条纹数量，但这又将使得干涉法的空间
分辨率降低。由于M-Z干涉法存在灵敏度与空间分辨率的矛盾，使其无法满足流注向先导转化过程通道密度的测量。
[0015] (2)由于流注-先导转化过程持续时间短、出现的时刻存在随机性，使用图2中冲击电压信号作为高速摄影仪的触发基准，难以有效捕获记录流注-先导转化过程干涉图像，无法实现其密度的准确测量。
[0016] 3、定量纹影法。
[0017] 传统的纹影法未设置刀口，只能获取先导通道密度的定性分布范围。定量纹影法存在两个方面问题：
[0018] (1)定量纹影法
时空分辨率的提升与成像
质量存在矛盾，使图像光强难以准确记录、密度测量误差增大。这是因为为了避免衍射现象，纹影系统通常采用恒功率LED
光源。当提升其空间分辨率时，需要采用长焦距镜头，将导致图3中高速摄影仪进光量降低，欲同时提升
时间分辨率，高速摄影仪进光量将进一步降低，导致成像
对比度下降、图像噪声增大，严重影响密度反演计算
精度。
[0019] (2)在定量纹影系统中同样存在采用冲击电压信号触发作为触发基准，难以捕获记录流注-先导转化过程纹影图像的问题。
[0020] 综上所述，现有的长空气间隙放电气体密度测量方法存在两方面问题：
[0021] 1、现有方法的灵敏度和时空分辨率不能满足流注先导转化过程气体密度测量的要求。M-Z干涉法灵敏度提升与空间分辨率增加存在矛盾。常规定量纹影存在时间分辨率提高而导致成像质量显著降低的问题。
[0022] 2、由于流注-先导转化过程持续时间短、出现的时刻存在随机性，现有方法均采用冲击电压作为图像触发基准，难以可靠记录光学系统的瞬时图像，不能实现气体密度的准确测量。
发明内容
[0023] 针对上述长空气间隙放
电流注-先导转化过程持续时间短、出现的时刻存在随机性，其间气体密度变化小、准确测量困难的问题，本发明的目的在于提供一种长间隙流注先导放电转化瞬时气体密度测量系统和方法。本发明基于定量纹影法的光路，采用大功率脉冲驱动电流源驱动LED芯片并结合超高速ICCD
照相机(增强电荷
耦合器件照相机，也为通过光纤与电子管式或
微通道板式图像增强器相连的CCD摄像机)，实现瞬时纹影图像的高对比度、低噪声成像；采用流注放电自发光瞬态信号，经透镜光路耦合和脉冲成形作为ICCD照相机触发基准脉冲，通过精确控制触发脉冲时延，实现流注-先导转化过程任意时刻纹影图像的可靠记录。本发明可实现流注-先导放电转化过程ns级瞬时气体密度分布规律的准确反演测量，具有系统可靠性和捕获效率高的优势，解决了现有M-Z干涉和纹影成像方法时空分辨率低、难以适应流注-先导放电转化随机过程气体密度测量的问题。
[0024] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0025] 一种长间隙流注先导放电转化瞬时气体密度测量系统，包括沿光路方向依次设置的LED芯片、扩束透镜、主透镜、汇聚透镜、刀口、长焦镜头和ICCD照相机；其中，所述LED芯片由脉冲驱动电流源驱动产生光脉冲；
[0026] 所述主透镜和汇聚透镜之间区域的顶部设有高压电极，并在所述主透镜和汇聚透镜之间产生放电区域，所述主透镜和汇聚透镜之间区域的底部设有耦合透镜；
[0027] 所述耦合透镜用于探测高压电极端部放电的自发
光信号，并将放电产生的自发光聚焦传递进入
光电倍增管，所述光电倍增管将放电自发光光强时域信号转化为电压
波形并输入TTL脉冲形成
电路，所述TTL脉冲形成电路的输出端连接数字延迟发生器的输入端，所述数字延迟发生器的输出端分别连接脉冲驱动电流源和ICCD照相机。
[0028] 进一步的，所述汇聚透镜的焦点与长焦镜头的焦点在所述刀口处重合。
[0029] 进一步的，还设有冲击电压发生器，所述冲击电压发生器将标准雷电或者操作冲击电压施加于所述高压电极，以产生放电区域。
[0030] 进一步的，所述TTL脉冲形成电路将放电自发光光强时域信号的第一个上升沿转化为TTL电压信号，并经过数字延迟发生器，经过设定不同的延迟时间产生两路独立的TTL电压信号作为ICCD照相机和脉冲驱动电流源的触发信号。
[0031] 进一步的，所述TTL脉冲形成电路将放电自发光光强时域信号的第一个上升沿转化为TTL电压信号，并经过数字延迟发生器，经过设定不同的延迟时间产生两路独立的TTL电压信号作为ICCD照相机和脉冲驱动电流源的触发信号。
[0032] 进一步的，
[0033] 所述脉冲驱动电流源的工作电压为10V～24V，输出方波电流峰值为100A～200A，脉冲电流脉宽为0.5μs～5.0μs；
[0034] 所述LED芯片为波长532nm±10nm的绿色点光源，且光斑直径小于4mm。
[0035] 进一步的，
[0036] 所述主透镜和汇聚透镜焦距均在1.5m～2.5m范围内，镜片直径均在20cm～30cm范围内；
[0037] 所述刀口最小行程不大于50μm；
[0038] 所述长焦镜头焦距最小值不小于500mm。
[0039] 进一步的，所述耦合透镜焦距为0.5m～1.0m；所述光电倍增管响应时间不大于5ns。
[0040] 一种长间隙流注先导放电转化瞬时气体密度测量方法，包括以下步骤：
[0041] 步骤1，当施加在高压电极上的电压超过流注放电电压t1时，放电区域中出现分支流注并伴随自发光；
[0042] 步骤2，放电产生的自发光经过耦合透镜聚焦进入光电倍增管；所述光电倍增管将输入的放电自发光光强时域信号转化为电压波形输入至TTL脉冲形成电路；所述脉冲形成电路将检测到的放电自发光光强时域信号的第一个上升沿对应的时间t2转化为TTL电压信号作为整个系统的触发源信号；
[0043] 步骤3，将步骤2中得到的TTL电压信号输入至数字延迟发生器，所述数字延迟发生器经过不同的延迟时间输出两路独立的TTL电压信号；其中一路TTL电压信号经过时延Δt1输出，触发脉冲驱动电流源工作并产生脉宽为T1的脉冲电流，驱动LED芯片工作，产生瞬态高强度绿光；
[0044] 步骤4，所述高强度绿光依次经过扩束透镜和主透镜产生平行光，再经过放电区域；由于流注放电电流加热空气使其转化为先导，放电区域内气体密度降低、折射率发生变化，平行光产生偏移，经过汇聚透镜和刀口，在ICCD照相机成像平面处产生随时间变化的纹影图像；
[0045] 步骤5，步骤3中得到的另外一路TTL电压信号经过时延Δt2输出至ICCD照相机，触发ICCD照相机打开快
门记录此时的纹影图像；
[0046] 步骤6，根据获得的纹影图像结合灰度校验曲线、Abel逆变换
算法和格拉斯通—戴尔公式反演计算获得此时放电区域内的气体密度分布规律。
[0047] 进一步的，步骤5中，配合长焦镜头和ICCD照相机的曝光时间可调节纹影图像成像的范围、每个
像素对应的空间分辨率和纹影图像的时间分辨率。
[0048] 所述数字延迟发生器至所述脉冲驱动电流源的信号
电缆和所述数字延迟发生器至所述ICCD照相机的信号电缆长度相等，且所述信号电缆长度小于20m；延时Δt1小于延时Δt2。
[0049] 本发明的有益效果为：
[0050] (1)采用定量纹影法光路结合长焦镜头，可显著提升纹影成像的空间分辨率，克服M-Z干涉法因灵敏度提升而导致空间分辨率降低的问题。
[0051] (2)采用超高速ICCD照相机代替高速摄影仪作为图像记录装置，将气体密度测量的时间分辨率由传统方法的μs级提升至ns级时间尺度。
[0052] (3)采用脉冲驱动电流源结合LED芯片构成高强度脉冲光源，解决了传统定量纹影法采用恒功率LED光源，在ns级时间成像时因进光量不足而导致成像对比度下降、噪声图像噪声增大，并严重影响密度反演计算精度的问题。
[0053] (4)采用放电自发光作为系统工作的触发源信号，通过配合脉冲数字延迟实现了流注-先导放电转化过程的可靠、高效捕获，解决了传统方法采用冲击电压作为触发源无法自适应放电随机性、捕获效率低的问题。
[0054] (5)采用耦合透镜对自发光信号进行非
接触式探测，避免了测量系统对放电过程的影响。
[0055] (6)通过调节延时Δt1和延时Δt2，两者配合可实现流注先导转化过程任意时刻ns级瞬时气体密度的测量。与传统的M-Z干涉法相比，系统时空分辨率高，使用的光学器件少、成本低，控制和调节更加灵活方便，能够实现长间隙放电流注向先导转换mm级区域内、任意流注先导转化暗区时刻气体ns级瞬时密度二维分布的准确测量。
附图说明
[0056] 图1为正极性长间隙放电过程示意图；
[0057] 图2为马赫曾德M-Z激光干涉法试验系统示意图；其中，21-激光源，22-分束镜，23-反射镜，24-透镜，25-狭缝，26-成像屏，27-高速摄像仪，28-冲击电压发生器，29-高压电极，210-放电通道，211-TTL脉冲形成电路；
[0058] 图3为定量纹影试验系统示意图；其中，31-光源，32-扩束镜，33-透镜，34-汇聚透镜，35-刀口，36-高速摄影仪，37-冲击电压发生器，38-高压电极，39-放电通道，310-TTL脉冲形成电路；
[0059] 图4为本发明所述长间隙流注-先导放电转化瞬时气体密度测量系统结构示意图；其中，1-脉冲驱动电流源，2-LED芯片，3-扩束透镜，41-主透镜，42-汇聚透镜，5-刀口，6-长焦镜头，7-ICCD照相机，8-高压电极，9-放电区域，10-耦合透镜，11-光电倍增管，12-TTL脉冲形成电路，13-数字延迟发生器，14-冲击电压发生器。
[0060] 图5为本发明所述长间隙流注-先导放电转化瞬时气体密度测量方法的系统触发时序图。
具体实施方式
[0061] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及
实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0062] 一种长间隙流注先导放电转化瞬时气体密度测量系统，如图1所示，包括沿光路方向依次设置的LED芯片2、扩束透镜3、主透镜41、汇聚透镜42、刀口5、长焦镜头6和ICCD照相机7；其中，所述LED芯片2由脉冲驱动电流源1驱动产生光脉冲。采用脉冲驱动电流源结合LED芯片构成高强度脉冲光源，解决了传统定量纹影法采用恒功率LED光源，在ns级时间成像时因进光量不足而导致成像对比度下降、噪声图像噪声增大，并严重影响密度反演计算精度的问题。采用超高速ICCD照相机代替高速摄影仪作为图像记录装置，将气体密度测量的时间分辨率由传统方法的μs级提升至ns级时间尺度。
[0063] 所述主透镜41和汇聚透镜42之间区域的顶部设有高压电极8，所述主透镜41和汇聚透镜42之间区域的底部设有耦合透镜10。还设有冲击电压发生器14，所述冲击电压发生器14将标准雷电或者操作冲击电压施加于所述高压电极8，以在所述主透镜41和汇聚透镜42之间产生放电区域9。
[0064] 所述耦合透镜10用于探测高压电极8端部放电的自发光信号，并将放电产生的自发光聚焦传递进入光电倍增管11。采用耦合透镜对自发光信号进行非接触式探测，避免了测量系统对放电过程的影响。所述光电倍增管11将放电自发光光强时域信号转化为电压波形并输入TTL脉冲形成电路12。所述TTL脉冲形成电路12的输出端连接数字延迟发生器13的输入端，所述数字延迟发生器13的输出端分别连接脉冲驱动电流源1和ICCD照相机7。具体的，所述TTL脉冲形成电路12将放电自发光光强时域信号的第一个上升沿转化为TTL电压信号，并经过数字延迟发生器13，经过设定不同的延迟时间产生两路独立的TTL电压信号作为ICCD照相机7和脉冲驱动电流源1的触发信号。
[0065] 其中，所述汇聚透镜42的焦点与长焦镜头6的焦点在所述刀口5处重合。
[0066] 一种长间隙流注先导放电转化瞬时气体密度测量方法，包括以下步骤：
[0067] 步骤1，当施加在高压电极8上的电压超过流注放电电压t1时，放电区域9中出现分支流注并伴随自发光。
[0068] 步骤2，放电产生的自发光经过耦合透镜10聚焦进入光电倍增管11；所述光电倍增管11将输入的放电自发光光强时域信号转化为电压波形输入至TTL脉冲形成电路12；所述脉冲形成电路12将检测到的放电自发光光强时域信号的第一个上升沿对应的时间t2转化为TTL电压信号作为整个系统的触发源信号。
[0069] 步骤3，将步骤2中得到的TTL电压信号输入至数字延迟发生器13，所述数字延迟发生器13经过不同的延迟时间输出两路独立的TTL电压信号；其中一路TTL电压信号经过时延Δt1输出，触发脉冲驱动电流源1工作并产生脉宽为T1的脉冲电流，驱动LED芯片工作，产生瞬态高强度绿光。
[0070] 步骤4，所述高强度绿光依次经过扩束透镜3和主透镜41产生平行光，再经过放电区域9；由于流注放电电流正在加热空气使其转化为先导，放电区域9内气体密度降低、折射率发生变化，平行光产生偏移，经过汇聚透镜42和刀口5，在ICCD照相机7成像平面处产生随时间变化的纹影图像。
[0071] 步骤5，步骤3中得到的另外一路TTL电压信号经过时延Δt2输出至ICCD照相机7，触发ICCD照相机7打开快门记录此时的纹影图像；配合长焦镜头6和ICCD照相机7的曝光时间可调节纹影图像成像的范围、每个像素对应的空间分辨率和纹影图像的时间分辨率。采用定量纹影法光路结合长焦镜头，可显著提升纹影成像的空间分辨率，克服M-Z干涉法因灵敏度提升而导致空间分辨率降低的问题。
[0072] 步骤6，根据获得的纹影图像结合灰度校验曲线、Abel逆变换算法和格拉斯通—戴尔公式反演计算获得此时放电区域9内的气体密度分布规律。该步骤属通用方法不加详述。
[0073] 高压电极8的形状和间隙结构可根据研究需要进行设定。施加于高压电极8上的冲击电压波形根据需要，既可以是标准雷电冲击电压，也可为标准操作冲击电压。施加电压的峰值Up必须超过流注放电的起始电压，其值可以查阅高电压试验技术工程手册。
[0074] 脉冲驱动电流源1工作电压宜设置为10V～24V范围，由MOSFET(金属-
氧化物
半导体场效应晶体管)驱动，输出方波电流峰值宜控制在100A～200A范围，脉冲电流脉宽宜控制在0.5μs～5.0μs范围。LED芯片2宜采用CBT‐120Green LED，波长为532nm±10nm的绿色光源。为保证测量灵敏度，应为点光源，光斑直径应小于4mm。
[0075] 为了保证灵敏度和绝缘距离，主透镜41和汇聚透镜42焦距均宜控制在1.5m～2.5m范围，镜片直径均为20cm～30cm范围，镜片双面
镀膜增透。
[0076] 为了保证获取纹影图像灰度的准确性，刀口5最小行程不应大于50μm。
[0077] 为了保证纹影图像的空间分辨率，长焦镜头6焦距最小值不应小于500mm，使得纹影成像单个像素对应的最大空间距离应小于100μm。
[0078] 耦合透镜10焦距宜设置为0.5m～1.0m范围。光电倍增管11响应时间不大于5ns，光谱范围
覆盖紫外和可见光。脉冲形成电路12可以采用比较器，当输入光强电压信号第一次超过
阈值时，输出上升沿TTL，其转化时延Δts应不大于50ns。数字延迟发生器13可采用DG535，可实现多路TTL脉冲延迟的精确调控，最大时延调控值不应小于100μs。
[0079] 数字延迟发生器13至脉冲驱动电流源1和ICCD照相机7的信号电缆长度应相等，以保证触发脉冲传输时延Δt3相等，且信号电缆长度应小于20m，取
电信号传播速度为2/3倍光速，传输时延Δt3最大值应小于100ns。
[0080] 延时Δt1应小于延时Δt2，即必须保证首先触发脉冲驱动电流源使得LED芯片工作，然后触发ICCD照相机记录纹影图像。考虑到ICCD照相机接收到触发脉冲信号到打开快门的时延为Δt4，若以冲击电压产生时刻为0时刻，则实际记录到的纹影图像、反演获得的气体密度对应的绝对时间ti为：ti＝t1+Δts+Δt2+Δt3+Δt4，其中t1为流注放电产生时刻，如图5所示。图5为本发明所述长间隙流注-先导放电转化瞬时气体密度测量方法的系统触发时序图，当施加电压到达流注起始电压，流注放电起始，进而光电倍增管检测到光信号，并由TTL脉冲形成电路分别向脉冲驱动电流源与ICCD照相机输入TTL触发电平，系统相关时延如图所示。其中，ICCD相机的曝光时间可以设置为10ns～100ns范围。
[0081] 在获得ti时刻纹影图像的基础上，根据图像灰度值计算光纤偏折
角值的分布曲线，进而基于Abel逆变换计算气体的折射率分布，最后根据格拉斯通—戴尔公式计算获得ti时刻后10ns～100ns放电区域的瞬时气体密度。
[0082] 本
申请所提出的对长间隙放电中流注先导转化暗区时间气体密度的瞬时测量方法关键点之一为采用流注放电自发光信号作为触发源。由于放电电流波形和光强波形呈线性关系，同样地也可以采用放电电流波形作为触发源。因此，采用放电电流并基于各种流场显示技术(纹影法、阴影法、干涉法等)，均能实现本发明的部分功能，因此均认为是本申请的替代方案。
[0083] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
