一種實時測量雙射流直流電弧等離子體溫度的方法
【專利摘要】一種實時測量雙射流直流電弧等離子體空間溫度場的方法屬于熱等離子體溫度測量【技術(shù)領(lǐng)域】，其特征在于，在一個由等離子體發(fā)生器、位于其兩側(cè)的鏡頭前分別加載不同中心波長的濾光片的兩臺CCD相機拼成的圖像信息采集裝置以及以光譜儀為主構(gòu)成的光譜采集裝置、連接著用于同步觸發(fā)兩臺CCD相機和光譜儀的觸發(fā)信號輸出卡的計算機共同組成的實時測量系統(tǒng)中，計算出給定相機內(nèi)外參數(shù)標(biāo)定、立體校正、用設(shè)定的視差偏離進行預(yù)處理的兩幅相匹配的目標(biāo)圖像，再從光譜儀上得到同一時刻相對應(yīng)像素點上的譜線強度，建立灰度值-譜線強度映射表再用譜線相對強度計算出相近譜線共同對應(yīng)的空間點上的電子激發(fā)溫度，本發(fā)明簡便可行，分辨率及測溫精度較高且動態(tài)性能也好。
【專利說明】一種實時測量雙射流直流電弧等離子體溫度的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及雙射流直流電弧等離子體溫度的一種實時測量方法，屬于熱等離子體溫度測量領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]基于熱等離子體的高溫特性，常用的溫度診斷方法可分為探針法和發(fā)射光譜法。探針法所要求的實驗設(shè)備簡單，并且易于操作，但存在以下缺點:空間分辨率較低；測量溫度范圍較窄；不能很好地測量非穩(wěn)態(tài)物體溫度；對溫度迅速升高的電弧熱等離子體，反映速度不能滿足實時要求；和被測物體的接觸也會一定程度上影響熱等離子體的溫度場分布。
[0003]利用發(fā)射光譜法測溫時，通常假定等離子體滿足局部熱力學(xué)平衡(LocalThermodynamic Equilibrium, LTE)條件，即等離子體中重粒子溫度與電子溫度相等,測溫方法主要包括絕對譜線強度法、譜線相對強度法、波爾茲曼圖解法和激光干涉法、譜線反轉(zhuǎn)法等。其中譜線相對強度法是通過測量同種原子或離子的兩條譜線強度比值計算等離子體溫度；而玻爾茲曼圖解法則采用了多條譜線的信息，具有更高的測溫精度。光譜法需要昂貴的實驗設(shè)備、精密的光路和適宜的工作環(huán)境，具有測溫精度高、空間分辨率好等優(yōu)點。但是，上述方法只能測得在某一個時刻、某一個位置處的溫度，用光纖探頭逐點掃描然后結(jié)合發(fā)射光譜儀可獲得穩(wěn)態(tài)工作模式下熱等離子體的溫度場分布。然而實際應(yīng)用中，熱等離子體往往處于非穩(wěn)態(tài)工作模式下，很難實時獲得其溫度場分布。
[0004]隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展，基于發(fā)射光譜法和CCD圖像傳感器所采集的圖像信息進行等離子體溫度場檢測，成為新的研究熱點。蔣文波、謝維成、王軍和董秀成等(光譜層析技術(shù)診斷等離子體電弧溫度場.西華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2012，31(2):42)認(rèn)為對于一定的光學(xué)系統(tǒng)，在視場角較小，忽略景深影響的條件下，可近似認(rèn)為譜線強度與CCD相機所得到的灰度值成正比例關(guān)系，并通過譜線相對強度法計算出了電弧等離子體溫度場分布° S.Bansard 和 E.Legros 等(Diagnostics of two plasma jet flows close toa carbon phenolic composite target using molecular emission spectroscopy.HighTechnology Processes, 2005,9(3):415)在文獻中提到，可利用譜線絕對強度法對面陣CCD相機所得到的單波長下的灰度值和溫度值進行標(biāo)定，并以此得到了氬等離子體射流的等溫線分布。
[0005]在實際的輻射成像系統(tǒng)中，CCD傳感器前往往加載透鏡組、光學(xué)玻璃、濾光片等光學(xué)器件，譜線強度與圖像灰度難以做到嚴(yán)格意義上的正比例關(guān)系。利用譜線絕對強度法對灰度值和溫度進行標(biāo)定的方法較為簡單，但測溫精度較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于嘗試解決上述測溫技術(shù)所存在的問題，獲得雙射流直流電弧等離子體的溫度場分布，特提供了一種基于譜線相對強度法和圖像處理技術(shù)相結(jié)合的雙射流直流電弧等離子體溫度場實時測量方法。是在雙射流直流電弧等離子體溫度實時測量系統(tǒng)中依次按以下步驟實現(xiàn)的:
[0007]步驟(I):構(gòu)建一個雙射流直流電弧等離子體溫度實時測量系統(tǒng)，其中包括:等離子體發(fā)生部分，單波長圖像信息采集部分，觸發(fā)信號判定部分和信息處理部分，其中:
[0008]等離子體發(fā)生部分為一個等離子體發(fā)生器；單波長圖像信息采集部分為兩個在鏡頭前分別加載不同中心波長濾光片的面陣CCD相機；光譜采集部分由凸透鏡，安置在所述凸透鏡二倍焦距處且由G⑶-202100M和G⑶-203100M用以帶動光纖探頭逐點移動的數(shù)顯平臺以及光譜儀組成；所述單波長圖像采集部分以及光譜采集部分各位于所述等離子體發(fā)生器的左右兩側(cè)；觸發(fā)信號輸出部分，是一個PCI1780信號輸出卡，分別向所述兩臺面陣CCD相機和光譜儀輸出觸發(fā)信號，分別采集單波長圖像信息和光譜信號；信息處理部分，是一臺計算機，通過所述PCI1780信號輸出卡同步分別向所述兩臺面陣CCD相機發(fā)出IHz方波觸發(fā)信號和向所述光譜儀發(fā)出IHz方波觸發(fā)控制信號并分別得到左右共兩幅單波長圖像信息和光譜信號；
[0009]步驟(2):計算機初始化:
[0010]設(shè)定所述等離子體發(fā)生器的電極、光纖探頭及數(shù)顯平臺的初始位置，標(biāo)定的初始時刻；
[0011]步驟(3):所述等離子體發(fā)生器點火，所述計算機在向PCI1780輸出步驟(I)中兩個所述的觸發(fā)控制信號后，輸入左右兩個所述面陣CCD相機采集的兩幅單波長圖像信息及光譜儀的光譜信號；
[0012]步驟(4):用幾何校正來標(biāo)定所述兩臺面陣(XD相機:
[0013]基于所述的兩幅單波長圖像信號，采用張正友標(biāo)定法，得到并保存標(biāo)定后的兩臺面陣CCD相機的內(nèi)外參數(shù)；
[0014]步驟(5):基于步驟(4)得到的兩臺標(biāo)定后的面陣CXD相機的旋轉(zhuǎn)和平移這兩個相機外部參數(shù)，用Bouguet算法進行立體校正，得到校正項，用evInitUndistortRectifyMap O計算出左右兩幅單波長圖像信息的校正,查找映射表，輸出兩幅行對齊的單波長校正圖像信息；
[0015]步驟(6):依次按如下步驟對步驟(5)得到的結(jié)果進行處理:
[0016]步驟(6.1)分別提取左右兩幅所述行對齊的單波長圖像中的電弧中心點的橫坐標(biāo)，用X1和X2表不；
[0017]步驟(6.2)求取固定視差Cl=X1-X2;
[0018]步驟(6.3)提取出左右兩幅所述行對齊的單波長圖信息中各對應(yīng)位置像素點的橫坐標(biāo)，求出固定視差，實現(xiàn)圖像匹配；
[0019]步驟(6.4)根據(jù)在所述計算機中預(yù)置的設(shè)定視差d，裁剪出兩幅相匹配的目標(biāo)圖像，所使用的是基于單特征點的匹配方法；
[0020]步驟(7):分別在步驟(6.4)得到的兩幅相匹配的單波長圖像中建立雙坐標(biāo)系:以左上角為像素點的原點，建立U-V坐標(biāo)系，U為像素點從原點算起的位置,V為從原點計算的像素點的灰度值，以陽極像素點為原點，建立x-y實際尺寸坐標(biāo)系，X和I分別為以陰極像素點起計算的水平和豎直像素點位置，從所述兩幅匹配的目標(biāo)圖像中，采集不同中心波長的同一時刻下的相應(yīng)位置上的像素點灰度值和采用不同中心波長的濾光片下的譜線強度，得到分別對應(yīng)于所述兩幅匹配的目標(biāo)圖像的譜線強度一灰度值的映射表；
[0021]步驟(8):利用譜線相對強度法，按下式計算電子激發(fā)溫度Trai的分布:
[0022]對于同一時刻下，想對應(yīng)位置上，相同原子或離子的兩條相近譜線，按下式計算所述相對應(yīng)像素點位置上的電子激發(fā)溫度Tex:
【權(quán)利要求】
1.一種實時測量雙射流直流電弧等離子體空間溫度場的方法，其特征在于，是在雙射流直流電弧等離子體溫度實時測量系統(tǒng)中依次按以下步驟實現(xiàn)的: 步驟(1)，構(gòu)建一個雙射流直流電弧等離子體溫度實時測量系統(tǒng)，其中包括:等離子體發(fā)生部分，單波長圖像信息采集部分，觸發(fā)信號判定部分和信息處理部分，其中: 等離子體發(fā)生器部分，是一個等離子體發(fā)生器， 單波長圖像信息采集部分，是兩個鏡頭前分別加載不同中心波長濾光片的面陣CCD相機， 光譜采集部分，由凸透鏡，安置在所述凸透鏡二倍焦距處且由G⑶-202100M和G⑶-203100M用以帶動光纖探頭逐點移動的數(shù)顯平臺以及光譜儀組成， 所述單波長圖像采集部分以及光譜采集部分各位于所述等離子體發(fā)生器的左右兩側(cè)，觸發(fā)信號輸出部分，是一個PCI1780信號輸出卡，分別向所述兩臺面陣CCD相機和光譜儀輸出觸發(fā)信號，分別采集單波長圖像信息和光譜信號， 信息處理部分，是一臺計算機，通過所述PCI1780信號輸出卡同步分別向所述兩臺面陣CCD相機發(fā)出IHz方波觸發(fā)信號和向所述光譜儀發(fā)出IHz方波觸發(fā)控制信號并分別得到左右共兩幅單波長圖像信息和光譜信號； 步驟(2 ),計算機初始化: 設(shè)定:所述等離子體發(fā)生器的電極、光纖探頭及數(shù)顯平臺的初始位置，標(biāo)定的初始時刻； 步驟(3)，所述等離子體發(fā)生器點火，所述計算機在向PCI1780輸出步驟(1)中兩個所述的觸發(fā)控制信號后，輸入左右兩個所述面陣CCD相機采集的兩幅單波長圖像信息及光譜儀的光譜信號； 步驟(4)，用幾何校正來標(biāo)定所述兩臺面陣CCD相機: 基于所述的兩幅單波長圖像信號，采用張正友標(biāo)定法，得到并保存標(biāo)定后的兩臺面陣CCD相機的內(nèi)外參數(shù)； 步驟(5)，基于步驟(4)得到的兩臺標(biāo)定后的面陣CCD相機的旋轉(zhuǎn)和平移這兩個相機外部參數(shù)，用Bouguet算法進行立體校正,得到校正項，用cvInitUndistortRectifyMap O函數(shù)計算出左右兩幅單波長圖像信息的校正，查找映射表，輸出兩幅行對齊的單波長校正圖像息; 步驟(6)，依次按如下步驟對步驟(5)得到的結(jié)果進行處理: 步驟(6.1)分別提取左右兩幅所述行對齊的單波長圖像中的電弧中心點的橫坐標(biāo)，用X1和X2表不； 步驟(6.2)求取固定視差(I=X1-X2 ； 步驟(6.3)提取出左右兩幅所述行對齊的單波長圖信息中各對應(yīng)位置像素點的橫坐標(biāo)，求出固定視差，實現(xiàn)圖像匹配； 步驟(6.4)根據(jù)在所述計算機中預(yù)置的設(shè)定視差d，按照所述視差距離d對兩幅圖像進行裁剪使得兩幅圖像像素點數(shù)相同，得到完全匹配的兩幅圖像裁剪出兩幅相匹配的目標(biāo)圖像； 步驟(7)分別在步驟(6.4)得到的兩幅相匹配的單波長圖像中建立雙坐標(biāo)系:以左上角為像素點的原點，建立U-V坐標(biāo)系,U為像素點從原點算起的位置,V為從原點計算的像素點的灰度值，以陰極像素點為原點，建立χ-y實際尺寸坐標(biāo)系，X、y分別為以陰極像素點起計算的水平和豎直像素點位置，從所述兩幅匹配的目標(biāo)圖像中，采集不同中心波長的同一時刻下的相應(yīng)位置上的像素點灰度值和采用不同中心波長的濾光片下的譜線強度，得到分別對應(yīng)于所述兩幅匹配的目標(biāo)圖像的譜線強度一灰度值的映射表； 步驟(8)，利用譜線相對強度法，按下式計算電子激發(fā)溫度Tex的分布:對于同一時刻下，相對應(yīng)位置上，相同原子或離子的兩條相近譜線，按下式計算所述相對應(yīng)像素點位置上的電子激發(fā)溫度Tex:
【文檔編號】G01J5/20GK103968958SQ201410168539
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年4月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月24日
【發(fā)明者】李和平, 李鵬, 郭恒, 葛楠, 包成玉 申請人:清華大學(xué)