采用传播波方程模糊图像处理的气固两相流颗粒速度测量方法

　　1　引　言

　　气固两相流在能源、石化、材料、食品加工等众多领域中有着重要的应用。在工业生产过程中,常常需要对气固两相流参数进行在线实时测量。例如,在炼铁厂高炉喷吹煤粉系统中,对喷吹管内煤粉的浓度及颗粒速度进行在线测量,便可得到煤粉的瞬时质量流量,从而实现对风煤比的最优控制,以达到最佳燃烧,这对节约能源、改善炉况、提高煤焦置换比具有重大意义[1~3]。颗粒速度作为一个基本的操作参数,对于两相流有着重要的影响,也是气固两相流测量希望获得的主要参数之一[4, 5]。近年来,数字电子技术及数字成像器件技术的快速发展为气固两相流的测量提供了一种新的方法[6, 7]。例如粒子图像测速(PIV)[8, 9],这种方法具有非侵入、不受组分影响、适合稀相条件下使用等特点,但由于其需要价格昂贵的高速相机和光源,只能用于实验研究而不适合工业应用。本文针对图像传感器曝光时间调节区间宽的特点,采用低成本相机和半导体激光光源,利用图像处理技术测量气固两相流的颗粒速度。

　　2　测量原理

　　测量系统结构如图1所示,系统由图像传感器、半导体激光片光源以及一台具有IEEE-1394接口的PC机构成。为了能够最大限度地利用颗粒的运动模糊效应,CCD照相机镜头的光轴垂直于颗粒流动方向,半导体激光片光源为测量系统提供照明.

　　PSF频域法[10, 11]和传播波方程(Traveling-WaveEquation: TWE)方法[12]均可从模糊图像中估计出颗粒的模糊长度。但是频域法对噪声非常敏感,而传播波方程法作为一种时域方法对噪声不敏感,因此可以适应图像信噪比较低的情况。本文采用传播波方程方法从模糊图像中估计颗粒的运动模糊长度。如果将原始图像f(x,y)作为光流方程的初始值,可以构造一个传播波方程[12]u(x,y, t)用来描述图像各时刻的灰度值。模糊图像g(x,y)是u(x,y,t)在曝光时间0≤t≤T内的积分:

　　上式说明:模糊图像沿运动方向的导数等于原始图像与其移位图像的差,两者之间的距离为模糊长度L。由于差分运算会放大噪声,因此有必要对差分后的图像进行一次中值滤波来抑制噪声。中值滤波窗的大小视图像中噪声的大小来选择。对图像的每一行作自相关运算,取其平均。由于差分后的图像由f(x)和f(x-L)两项构成,所以在差分图像的自相关函数中心左右两边L处将分别出现一个最小值。测量最小值与自相关函数中心的距离就可以确定模糊长度。图2为颗粒运动模糊图像的传播波方程自相关函数曲线(L=150 pixels,信噪比SNR=32. 9 dB)。

　　图像的模糊象素个数L与运动颗粒的速度之间的关系与图像传感器所使用的镜头特性有关,因此建立二者之间的函数关系是非常必要的,文献[11]给出了照相机镜头的简化模型: