CN103968958A - 一种实时测量双射流直流电弧等离子体温度的方法 - Google Patents

Abstract

一种实时测量双射流直流电弧等离子体空间温度场的方法属于热等离子体温度测量技术领域，其特征在于，在一个由等离子体发生器、位于其两侧的镜头前分别加载不同中心波长的滤光片的两台CCD相机拼成的图像信息采集装置以及以光谱仪为主构成的光谱采集装置、连接着用于同步触发两台CCD相机和光谱仪的触发信号输出卡的计算机共同组成的实时测量系统中，计算出给定相机内外参数标定、立体校正、用设定的视差偏离进行预处理的两幅相匹配的目标图像，再从光谱仪上得到同一时刻相对应像素点上的谱线强度，建立灰度值-谱线强度映射表再用谱线相对强度计算出相近谱线共同对应的空间点上的电子激发温度，本发明简便可行，分辨率及测温精度较高且动态性能也好。

Description

一种实时测量双射流直流电弧等离子体温度的方法

技术领域

本发明涉及双射流直流电弧等离子体温度的一种实时测量方法，属于热等离子体温度测量领域。

背景技术

基于热等离子体的高温特性，常用的温度诊断方法可分为探针法和发射光谱法。探针法所要求的实验设备简单，并且易于操作，但存在以下缺点：空间分辨率较低；测量温度范围较窄；不能很好地测量非稳态物体温度；对温度迅速升高的电弧热等离子体，反映速度不能满足实时要求；和被测物体的接触也会一定程度上影响热等离子体的温度场分布。

利用发射光谱法测温时，通常假定等离子体满足局部热力学平衡（Local ThermodynamicEquilibrium,LTE）条件，即等离子体中重粒子温度与电子温度相等，测温方法主要包括绝对谱线强度法、谱线相对强度法、波尔兹曼图解法和激光干涉法、谱线反转法等。其中谱线相对强度法是通过测量同种原子或离子的两条谱线强度比值计算等离子体温度；而玻尔兹曼图解法则采用了多条谱线的信息，具有更高的测温精度。光谱法需要昂贵的实验设备、精密的光路和适宜的工作环境，具有测温精度高、空间分辨率好等优点。但是，上述方法只能测得在某一个时刻、某一个位置处的温度，用光纤探头逐点扫描然后结合发射光谱仪可获得稳态工作模式下热等离子体的温度场分布。然而实际应用中，热等离子体往往处于非稳态工作模式下，很难实时获得其温度场分布。

随着数字图像处理技术的发展，基于发射光谱法和CCD图像传感器所采集的图像信息进行等离子体温度场检测，成为新的研究热点。蒋文波、谢维成、王军和董秀成等（光谱层析技术诊断等离子体电弧温度场.西华大学学报(自然科学版),2012,31(2):42）认为对于一定的光学系统，在视场角较小，忽略景深影响的条件下，可近似认为谱线强度与CCD相机所得到的灰度值成正比例关系，并通过谱线相对强度法计算出了电弧等离子体温度场分布。S.Bansard和E.Legros等（Diagnostics of two plasma jet flows close to a carbon phenolic compositetarget using molecular emission spectroscopy.High Technology Processes,2005,9(3):415）在文献中提到，可利用谱线绝对强度法对面阵CCD相机所得到的单波长下的灰度值和温度值进行标定，并以此得到了氩等离子体射流的等温线分布。

在实际的辐射成像系统中，CCD传感器前往往加载透镜组、光学玻璃、滤光片等光学器件，谱线强度与图像灰度难以做到严格意义上的正比例关系。利用谱线绝对强度法对灰度值和温度进行标定的方法较为简单，但测温精度较低。

发明内容

本发明的目的在于尝试解决上述测温技术所存在的问题，获得双射流直流电弧等离子体的温度场分布，特提供了一种基于谱线相对强度法和图像处理技术相结合的双射流直流电弧等离子体温度场实时测量方法。是在双射流直流电弧等离子体温度实时测量系统中依次按以下步骤实现的：

步骤（1）：构建一个双射流直流电弧等离子体温度实时测量系统，其中包括：等离子体发生部分，单波长图像信息采集部分，触发信号判定部分和信息处理部分，其中：

等离子体发生部分为一个等离子体发生器；单波长图像信息采集部分为两个在镜头前分别加载不同中心波长滤光片的面阵CCD相机；光谱采集部分由凸透镜，安置在所述凸透镜二倍焦距处且由GCD-202100M和GCD-203100M用以带动光纤探头逐点移动的数显平台以及光谱仪组成；所述单波长图像采集部分以及光谱采集部分各位于所述等离子体发生器的左右两侧；触发信号输出部分，是一个PCI1780信号输出卡，分别向所述两台面阵CCD相机和光谱仪输出触发信号，分别采集单波长图像信息和光谱信号；信息处理部分，是一台计算机，通过所述PCI1780信号输出卡同步分别向所述两台面阵CCD相机发出1Hz方波触发信号和向所述光谱仪发出1Hz方波触发控制信号并分别得到左右共两幅单波长图像信息和光谱信号；

步骤（2）：计算机初始化：

设定所述等离子体发生器的电极、光纤探头及数显平台的初始位置，标定的初始时刻；

步骤（3）：所述等离子体发生器点火，所述计算机在向PCI1780输出步骤（1）中两个所述的触发控制信号后，输入左右两个所述面阵CCD相机采集的两幅单波长图像信息及光谱仪的光谱信号；

步骤（4）：用几何校正来标定所述两台面阵CCD相机：

基于所述的两幅单波长图像信号，采用张正友标定法，得到并保存标定后的两台面阵CCD相机的内外参数;

步骤（5）：基于步骤（4）得到的两台标定后的面阵CCD相机的旋转和平移这两个相机外部参数，用Bouguet算法进行立体校正，得到校正项，用evInitUndistortRectifyMap()计算出左右两幅单波长图像信息的校正，查找映射表，输出两幅行对齐的单波长校正图像信息；

步骤（6）：依次按如下步骤对步骤（5）得到的结果进行处理：

步骤（6.1）分别提取左右两幅所述行对齐的单波长图像中的电弧中心点的横坐标，用x₁和x₂表示；

步骤（6.2）求取固定视差d=x₁-x₂;

步骤（6.3）提取出左右两幅所述行对齐的单波长图信息中各对应位置像素点的横坐标，求出固定视差，实现图像匹配;

步骤（6.4）根据在所述计算机中预置的设定视差d，裁剪出两幅相匹配的目标图像，所使用的是基于单特征点的匹配方法；

步骤（7）：分别在步骤（6.4）得到的两幅相匹配的单波长图像中建立双坐标系：以左上角为像素点的原点，建立u-v坐标系，u为像素点从原点算起的位置，v为从原点计算的像素点的灰度值，以阳极像素点为原点，建立x-y实际尺寸坐标系，x和y分别为以阴极像素点起计算的水平和竖直像素点位置，从所述两幅匹配的目标图像中，采集不同中心波长的同一时刻下的相应位置上的像素点灰度值和采用不同中心波长的滤光片下的谱线强度，得到分别对应于所述两幅匹配的目标图像的谱线强度—灰度值的映射表；

步骤（8）：利用谱线相对强度法，按下式计算电子激发温度T_ex的分布：

对于同一时刻下，想对应位置上，相同原子或离子的两条相近谱线，按下式计算所述相对应像素点位置上的电子激发温度T_ex：

$\frac{I_{\mathrm{\λ}1}}{I_{\mathrm{\λ}2}}=\frac{A_1{g}_1{\mathrm{\λ}}_2}{A_2{g}_2{\mathrm{\λ}}_1}\exp (-\frac{E_{k1}-E_{k2}}{{\mathrm{kT}}_{\mathrm{ex}}})$

其中，I_λ1、I_λ2分别为用下标1、2两个数字标识的两条相对应位置上的相近谱线的谱线强度，从所述光谱仪的光谱上标出，k为玻尔兹曼常数，A₁、A₂为所述两条相近谱线的跃迁几率，g₁、g₂为所述两条相近谱线的统计权重，E_k1、E_k2为所述两条相近谱线的激发位能，λ₁、λ₂为所述两条相近谱线的波长。对应于同一原子或离子，A₁、A₂、g₁、g₂、E_k1、E_k2均从所述两相近谱线的各自的频率查表得出，而各自的频率又从各自的波长算出。

同理，得到在同一时刻下，各相对应空间位置上的等离子体电子激发温度后，即可获得等离子体的温度场分布，并通过图像显示技术显示出来。

本发明具有如下优点：

1.该发明基于发射光谱测温理论和数字图像处理技术，可以实时获得放电等离子体的温度场分布，弥补了传统测温方法只能测得在某一个时刻、某一个位置处的温度的不足。该发明方法简便可行，分辨率较高，动态性能好。具有很好的实际应用价值。

2.本发明考虑到光学器件对图像成像质量的影响，以及放电等离子体的非稳态工作特性，针对研究对象，设计了CCD系统的标定系统。采用了外触发同步采集的设计思路，有效的保证了所采集的是同一位置、同一时刻处的图像和谱线强度值，提高了标定精度。

3.发射光谱法中谱线强度与温度的关系是测量放电等离子体温度的基础。从理论上推导了图像灰度值与谱线强度之间的对应关系，充分考虑了谱线强度的物理本质，对热等离子体发展机理和工业应用均有重要的作用。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为温度场实时测量系统结构方块图。

图2为温度场测量系统软件设计流程图。

图3为温度实时测量系统立体示意图。

图4为某一放电时刻的温度场分布图。

具体实施方式

本发明提供的技术方案为：该方法基于发射光谱测温理论，由CCD相机加载窄带滤光片后所采集到的图像信息进行了温度场测量。该方法基于双射流等离子体实验平台，以大气压下氩气放电热等离子体为研究对象。基于热等离子体放电时剧烈的脉动特性，外触发加载滤光片后的两个CCD相机同步采集放电图像，并对同步采集到的左右图像实现立体匹配。设计CCD系统的标定实验，完成了单波长图像灰度值与谱线强度之间的标定。基于该标定关系，将同步采集到的左右图像灰度值转化为谱线强度值，并利用谱线相对强度法求解电弧等离子体的温度场分布。

实现上述实验方案所采用的方法为：

1.图像采集

在两个水平放置的CCD相机前面加载不同中心波长的窄带滤光片，并对准等离子体放电区域。为消除相机本身所造成的图像差异，应设置两相机的白平衡参数、增益值、曝光时间、光圈值均相同。由于放电等离子体的脉动特性，设置固定的采样频率，同步采集左右图像。

2.立体匹配

受工艺水平以及透镜设计的复杂性影响，实际的摄像机成像系统往往会产生透镜畸变，因此需要对左右相机得到的两幅图像消除畸变。由于要将左右图像像素点一一对应起来，因此需要调整摄像机间的角度和距离，输出行对准的校正图像，实现立体匹配。由于两幅图像具有明显的灰度差异，很难快速有效地进行图像匹配，所使用的是基于单特征点的匹配方法。

3.图像灰度与谱线强度的标定

从理论上分析了固定波长下，由面阵CCD相机获得的图像灰度值与谱线强度之间的对应关系。在双射流直流电弧等离子体发生器两侧搭建系统，按照固定的采样频率，同步采集图像和光谱信号。对于两个面阵CCD所获得的左右图像需要进行立体匹配之后，进行图像像素与实际位置和尺寸的几何标定。通过立体匹配和几何标定，可有效地保证所采集的是同一位置、同一时刻处的图像和光谱强度值，将得到的一系列不同位置、不同时刻处的图像灰度和谱线强度值一一对应起来，并进行函数拟合。

4.计算电弧等离子体温度场

根据拟合公式，便可以将左右图像的像素灰度值转化为相应波长的谱线强度值，从而利用发射光谱法中的谱线相对强度法求解温度场分布。计算公式可表示为：

$\frac{I_{\mathrm{\λ}1}}{I_{\mathrm{\λ}2}}=\frac{A_1{g}_1{\mathrm{\λ}}_2}{A_2{g}_2{\mathrm{\λ}}_1}\exp (-\frac{E_{k1}-E_{k2}}{{\mathrm{kT}}_{\mathrm{ex}}})$

式中，I_λ1、I_λ2分别为波长λ₁、λ₂时的谱线强度值，A为跃迁几率，g为统计权重，E为激发位能，k为玻尔兹曼常数。

图1为依据本发明所设计的温度场测量系统的总体结构。主要由直流电弧等离子体发生器、双面阵CCD相机图像采集系统、滤光片、温度场计算软件组成。等离子体发生器由直流电流源供电，工作气体为氩气，两电极间的距离可调。平行放置两个CCD相机对准等离子体发生器，可由方波信号外触发同步采集，采样频率为1Hz，并设置两相机的白平衡参数、增益值、曝光时间、光圈值均相同。白平衡参数分别为48和52，增益值为260，曝光时间为2ms，光圈值调到最大。采集的图像分辨率为1024×768，图像格式为RGB24。在两个CCD相机镜头前分别加载中心波长为696.54nm和675.28nm的窄带滤光片。696.54nm的滤光片带宽为10nm，峰值透射率为55%；675.28nm的滤光片带宽为8nm，峰值透射率为70%。温度场计算软件处理电弧图像数据，以显示电弧等离子体温度场分布。具体计算流程如图2所示。

图3为谱线强度与图像灰度值的标定示意图。由信号输出卡（Advantech PCI1780）输出频率为1Hz的方波信号，外触发相机和光谱仪同步采集。利用凸透镜在二倍焦距处呈等大倒立的实像的原理搭建光谱采集光路，凸透镜焦距为250mm，设置凸透镜与等离子体发生器和光纤探头的距离均为500mm，光纤探头的分辨率为0.6×0.6mm，将光纤探头放置于数显平移台上对准放电区域，通过数显平移台从阴极电弧中心到阳极电弧中心可测出放电长度，数显平移台的显示精度可达到0.01mm。经过图像像素与实际位置的几何标定后，可得到一一对应的图像灰度值和谱线强度值。696.54nm下，对采集到的实验数据进行拟合后的结果为

y＝0.01046x³-5.06369x²+926.54121x-40119.84499

675.28nm下，对采集到的实验数据进行拟合后的结果为：

y＝7.80459x+217.17267

求取放电等离子体温度场分布的实验工况为：电极间距d=3.0cm、电极几何轴线间夹角α=0°、弧电流I=50A，阴极和阳极侧氩气流量G_a=G_c=10.0slpm。温度场分布如图4所示。

Claims (1)

1.一种实时测量双射流直流电弧等离子体空间温度场的方法，其特征在于，是在双射流直流电弧等离子体温度实时测量系统中依次按以下步骤实现的：

步骤（1），构建一个双射流直流电弧等离子体温度实时测量系统，其中包括：等离子体发生部分，单波长图像信息采集部分，触发信号判定部分和信息处理部分，其中：

等离子体发生器部分，是一个等离子体发生器,

单波长图像信息采集部分，是两个镜头前分别加载不同中心波长滤光片的面阵CCD相机,

光谱采集部分，由凸透镜,安置在所述凸透镜二倍焦距处且由GCD-202100M和GCD-203100M用以带动光纤探头逐点移动的数显平台以及光谱仪组成,

所述单波长图像采集部分以及光谱采集部分各位于所述等离子体发生器的左右两侧,

触发信号输出部分，是一个PCI1780信号输出卡，分别向所述两台面阵CCD相机和光谱仪输出触发信号，分别采集单波长图像信息和光谱信号,

信息处理部分，是一台计算机,通过所述PCI1780信号输出卡同步分别向所述两台面阵CCD相机发出1Hz方波触发信号和向所述光谱仪发出1Hz方波触发控制信号并分别得到左右共两幅单波长图像信息和光谱信号；

步骤（2），计算机初始化：

设定：所述等离子体发生器的电极、光纤探头及数显平台的初始位置，标定的初始时刻；

步骤（3），所述等离子体发生器点火，所述计算机在向PCI1780输出步骤（1）中两个所述的触发控制信号后，输入左右两个所述面阵CCD相机采集的两幅单波长图像信息及光谱仪的光谱信号；

步骤（4），用几何校正来标定所述两台面阵CCD相机：

基于所述的两幅单波长图像信号，采用张正友标定法，得到并保存标定后的两台面阵CCD相机的内外参数;

步骤（5），基于步骤（4）得到的两台标定后的面阵CCD相机的旋转和平移这两个相机外部参数，用Bouguet算法进行立体校正，得到校正项，用cvInitUndistortRectifyMap()函数计算出左右两幅单波长图像信息的校正，查找映射表，输出两幅行对齐的单波长校正图像信息；

步骤（6），依次按如下步骤对步骤（5）得到的结果进行处理：

步骤（6.1）分别提取左右两幅所述行对齐的单波长图像中的电弧中心点的横坐标，用x₁和x₂表示；

步骤（6.2）求取固定视差d=x₁-x₂；

步骤（6.3）提取出左右两幅所述行对齐的单波长图信息中各对应位置像素点的横坐标，求出固定视差，实现图像匹配；

步骤（6.4）根据在所述计算机中预置的设定视差d，按照所述视差距离d对两幅图像进行裁剪使得两幅图像像素点数相同，得到完全匹配的两幅图像裁剪出两幅相匹配的目标图像；

步骤（7）分别在步骤（6.4）得到的两幅相匹配的单波长图像中建立双坐标系：以左上角为像素点的原点，建立u-v坐标系，u为像素点从原点算起的位置，v为从原点计算的像素点的灰度值，以阴极像素点为原点，建立x-y实际尺寸坐标系，x、y分别为以阴极像素点起计算的水平和竖直像素点位置，从所述两幅匹配的目标图像中，采集不同中心波长的同一时刻下的相应位置上的像素点灰度值和采用不同中心波长的滤光片下的谱线强度，得到分别对应于所述两幅匹配的目标图像的谱线强度—灰度值的映射表;

步骤（8），利用谱线相对强度法，按下式计算电子激发温度Tex的分布：

对于同一时刻下，相对应位置上，相同原子或离子的两条相近谱线，按下式计算所述相对应像素点位置上的电子激发温度Tex：

$\frac{I_{\mathrm{\λ}1}}{I_{\mathrm{\λ}2}}=\frac{A_1{g}_1{\mathrm{\λ}}_2}{A_2{g}_2{\mathrm{\λ}}_1}\exp (-\frac{E_{k1}-E_{k2}}{{\mathrm{kT}}_{\mathrm{ex}}})$

其中，I_λ1、I_λ2分别为用下标1、2两个数字标识的两条相对应位置上的相近谱线的谱线强度，从所述光谱仪的光谱上标出，k为玻尔兹曼常数，A₁、A₂为所述两条相近谱线的跃迁几率，g₁、g₂为所述两条相近谱线的统计权重，E_k1、E_k2为所述两条相近谱线的激发位能，λ₁、λ₂为所述两条相近谱线的波长。对应于同一原子或离子，A₁、A₂、g₁、g₂、E_k1、E_k2均从所述两相近谱线的各自的频率查表得出，而各自的频率又从各自的波长算出，

同理，得到在同一时刻下，各相对应空间位置上的等离子体电子激发温度后，即可获得等离子体的温度场分布，并通过图像显示技术显示出来。