陳 華，周曉巍

（上海航天控制技術研究所，上海 201109）

0 引 言

隨著電子技術和計算機技術的不斷發(fā)展，通信電源電路板故障檢測逐漸朝著智能化和自動化方向發(fā)展，采取的檢測方法主要有針窗測試法、飛針測試法、功能測試法以及激光測試法，這幾種方法也是目前比較常用的通信電源電路板故障檢測方法，雖然在精度方面和效率方面相比較最初已經有了明顯的提高，但是在實際操作中仍然會出現錯誤識別現象，并且誤識別率較高[1]。為此提出紅外熱成像技術在通信電源電路板故障檢測中的應用研究。

1 通信電源電路板故障檢測方法

1.1 通信電源電路板數據采集

通信電源電路板故障信號采集是電路板故障檢測的首要步驟，為了避免在檢測過程中對通信電源電路板造成損壞，并且能夠精準獲取到通信電源電路板故障信號，此次利用紅外成像技術對通信電源電路板數據進行采集[2]。紅外成像技術的應用主要是利用紅外熱像儀來實現，利用紅外熱像儀探測器上的光學鏡頭將從通信電源電路板發(fā)出的紅外能聚焦，由紅外熱像儀傳感器接收到紅外熱信號，并經過視頻信號放大器對紅外熱信號進行放大處理[3]。最終將紅外熱信號進行圖像轉換，從而形成一個灰度圖像，其數據采集過程如圖1所示。

根據通信電源電路板數據采集需求，本次采用HSK151型號紅外熱像儀。在對電路板信號采集前首先要設置紅外熱像儀主要參數，其中包括工作波段、光學鏡頭、探測器、溫度測量范圍、熱靈敏感度、溫度精度、圖像幀頻以及紅外窗口等。令通信電源電路板處于運行狀態(tài)，并將其放置在紅外熱像儀測量范圍內，開啟紅外熱像儀開關使紅外熱像儀向通信電源電路板發(fā)射紅外輻射，如果通信電源電路板存在缺陷，那么接收到的紅外輻射信號長短是不同的。利用計算機讀取視頻放大器最終形成的灰度圖像，用于后續(xù)電源電路板圖像的預處理和分析。

1.2 通信電源電路板圖像預處理

利用預處理技術，提高通信電源電路板圖像的質量。以矩陣進行電路板數字圖像處理，將圖像中的像素與矩陣中的元素相對應。本文采用圖像增強技術，對通信電源電路板圖像進行預處理，突出圖像中的有用信息，并減少或消除圖像中存在的不必要信息。首先通過相應的變換，通信電源電路板圖像由空間域逐漸轉變?yōu)轭l域，其次在頻域空間中進行相應的計算，最后進行頻域向空間域的逆向轉換，以此增強圖像質量。在進行上述操作前需要將灰度映射表作為基礎，以此本文先需要明確圖像灰度密度函數與圖像像素位置之間的對應關系，如下所示：

式中，P(z)表示圖像灰度密度函數與圖像像素位置之間的對應關系；S表示通信電源電路板圖像總面積；D表示通信電源電路板圖像定義域；(x,y)表示為通信電源電路板圖像在坐標系中的坐標；(x,y,z)表示為通信電源電路板圖像中(x,y)位置上的灰度分布密度。根據式（1）獲取到通信電源電路板圖像的灰度密度函數，將所有圖像中的像素灰度值進行歸一化處理，得到由黑、白以及灰3種顏色變化的通信電源電路板圖像，為后續(xù)通信電源電路板故障數據相關性分析提供圖像數據基礎。

1.3 通信電源電路板故障數據相關性分析

處理完通信電源電路板故障信號后，需要對數據進行相關性分析。當通信電源電路板處于正在狀態(tài)時，線路上所有電流流向一致，紅外圖像上的波形一致，具有一定的相似性。當通信電源電路板出現故障時，一部分電流會流向電路上游，與通信電源電路板母線方向相同，另一部分電流會流向電路下游，與通信電源電路板母線方向相反。兩部分電流在紅外圖像上波形差異較大，不具有相似性。利用以上相關性原理分析處理后的紅外圖像信號相似性時，先選取兩個相鄰的紅外圖像信號計算其相關系數，計算公式如下：

式中，δ為通信電源電路板兩個相鄰電流紅外圖像相關系數；i1和i2分別為采集到的兩個相鄰電流紅外圖像信號；n為電流紅外圖像信號采集序列；n-1為信號采集起始點故障發(fā)生時刻；N為電流紅外圖像信號的數據長度。利用式（2）計算出兩個相鄰電流紅外圖像信號的相關系數δ，根據該系數反映出兩個電流在紅外圖像上波形、長度以及流向的相似程度。該系數取值范圍為0～1，如果兩個相鄰電流紅外圖像信號波形及長度一致，則相關系數取值為1；如果兩個相鄰電流紅外圖像信號波形及長度完全不一致，則相關系數取值為0。對于紅外熱成像技術采集到的故障信號波形和長度相似程度越高，相關系數值越接近1；對于紅外熱成像技術采集到的故障信號波形和長度差異越大，相關系數值越接近0。通過對相關系數的計算判斷通信電源電路板故障是否存在，并根據該數值的大小確定通信電源電路板損壞程度及存在故障的概率大小，確定通信電源電路板故障等級與損壞程度，并且根據紅外熱圖像數據確定通信電源電路板故障位置，以此完成對變電站電氣線路安裝電路故障電流相關性分析及故障檢測。

2 實驗論證分析

實驗以某通信電源電路板為實驗對象，該電路板基材為FR-4，阻焊顏色為綠色，制程線距為3 mil，制程孔徑為0.15 mm。利用此次設計方法與傳統(tǒng)方法對該通信電源電路板進行故障檢測，選取以上規(guī)格的電路板50個，每個電路板使用時間長度不同，存在短路、斷路、凸起、凹陷、多線、少線、焊球過大、焊球過小以及焊球氣泡等故障各100個，將其作為實驗樣本。實驗中紅外熱像儀參數設置如下，紅外輻射率設定為0.8，紅外熱像儀與電路板距離設定為30 mm，環(huán)境溫度設定為25 ℃，掃描模式采用45 Hz，采集紅外圖像速率為0.05 s，采集時間設定為5 s。實驗記錄兩種方法對各個實驗樣本的檢測結果，利用UIS軟件計算兩種方法誤識別率，將其作為實驗結果。對比分析兩種方法，實驗結果如表1所示。

表1 兩種方法誤識別率對比

觀察表1可以得出以下結論，設計方法從各個方面均保證了精度，因此基于紅外熱成像技術的通信電源電路板故障檢測方法能夠在檢測精度上得到有效保證。此次實驗也證明了所設方法在誤識別率方面優(yōu)于傳統(tǒng)方法，更適用于通信電源電路板的故障檢測。

3 結 論

此次研究了紅外熱成像技術在通信電源電路板故障檢測中的應用，利用紅外熱成像技術設計了一套新的通信電源電路板故障檢測方法，并對設計方法進行了實驗論證，證明了紅外熱成像技術適用于通信電源電路板故障檢測。此次研究對通信電源電路板故障檢測具有較高的借鑒價值，對提高通信電源電路板故障檢測技術水平具有良好的現實意義，有助于促進通信電源電路板故障檢測技術的研發(fā)。