[发明专利]一种用于PLIF火焰前锋提取的条件型水平集方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于PLIF火焰前锋提取的条件型水平集方法，属于激光信号处理及分析领域。

背景技术

PLIF全称为平面激光诱导荧光（Planar laser-induces fluorescence），是一种用于燃烧诊断的非接触诊断技术，接触光学诊断在科学及工程的流体力学领域应用具有通用性，包括层流、湍流、反应流、高温流、低温流、稀薄流、超音速流以及高超音速流都成功地运用了非接触光学诊断技术研究流场。此外，非接触光学诊断技术还可以在多个尺度下对流场进行研究，小到100微米流体通道，大到全尺寸超音速飞行器外流场，都可以运用此诊断技术，所跨越的尺度已经超过了6个数量级。相比于传统的接触式诊断，非接触光学诊断能避免对流场的干扰，还可以对流场的组分、浓度分布、温度、速度等开展研究，虽然非接触光学系统组成及调试复杂，配套设备成本昂贵，对燃烧室有透明可视化要求，这种技术仍是燃烧流动及航天推进系统诊断的主导。

由于PLIF信号基于组分浓度，测量浓度分布所需的粒子在流场中非常小，并且LIF具有平面高分辨率技术特点，所以很多燃烧中组分浓度的诊断都采用了LIF诊断技术，比如湍流燃烧中的OH、NO、CH和CO等。除上述组分外，包括原子，中间体比如HCO，丙酮，甚至内燃机中的燃料都能采用LIF诊断技术得到。常见的PLIF研究对象包括OH、NO、CH和CO等自由基，OH是目前大多数LIF实验中的首选，因为OH是大多数化学模型重要的组分，在火焰中的浓度也很丰富。经过前后30多年，OH-LIF特性的已经被研究透彻，甚至采用连续激光（CW）激发的OH-LIF定量测量也能做到。OH谱线强烈地依赖转动-振动作用，大多数分子适用的式子对OH并不适用，因此每个阶段的跃迁过程必须重新计算。另外OH浓度分布广泛，对于平面特征火焰，采用OH-PLIF能得到较强的信号，由于OH是高温下停留时间长的中间体，OH与CH相似，但是OH不仅只出现在高反应率区域，高温区域也会有OH分布。根据这种特性，OH-PLIF对于分辨火焰中的燃烧和非燃烧区域非常有效，比如悬浮火焰（lifted flames），还可以利用OH-PLIF研究燃烧湍流中火焰前锋的相互作用。也还是因为OH的高温分布特性，采用OH来判断火焰是否熄灭是不可行的，这种情况下采用CH研究火焰熄灭及火焰厚度更有说服力。如果OH在火焰中浓度分度足够高，甚至可以采用吸收和荧光双向激光片同时测量。

NO为污染组分中主要的一支，NO的浓度对预测和测试火焰模型有很重要的作用，PLIF技术结合NO示踪粒子的燃料，通过合理地实验设计能够将火焰混合过程可视化。CH基是一种停留时间较短的中间体，一般出现在烃类火焰略富燃这边，可以对火焰前锋进行跟踪，因此多数的CH-LIF实验都为可视化实验，得到了很多CH浓度测量结果和光谱数据。CO作为与污染类似的中间体，对研究烃类燃烧非常有帮助，不过CO荧光信号要比OH弱得多，测量极限数量级在ppt内，但是仍可以通过照相机进行图像采集。

一般情况下PLIF火焰图像结构比较复杂，存在较为剧烈的不平均性、噪声以及多个峰值，火焰前锋的提取分析较为困难。传统火焰前锋的提取方法主要分为三类：最早应用于火焰前锋提取的为预设亮度阀值，基本原则是基于灰度直方图，预先给出阀值，将图像转化为二值化图像后提取火焰前锋，然而阀值的不通用性只能用来处理理想地线性图像，无法解决含有噪声的非理想非线性图像；第二类方法为自适应亮度阀值，同样是基于灰度直方图，根据图像本身的直方图信息自动计算出与之对应的阀值，从而提取火焰前锋，这种方法的缺陷是无法进行多个峰值检测；第三类为边界算子算法，主要基于图像梯度设定合适的梯度阀值，然而不足与前两者类似，无法解决较为复杂的PLIF图像。

水平集概念源于数值技术对于边界和型面的检测，水平集算法是一种捕捉型面和边界的数值方法，较广泛的运用于图像分割领域。在水平集概念中，边界或型面被认为是多维函数中的零点层，该多维函数即为水平集函数。通过将图像转化为水平集函数，图像分割问题也就转化为水平集函数零点层的求解问题，基于数学理论中微积分以及偏微分方程便能得到对应的数值解。这种水平集数值方法无需额外的坐标系转化，在标准的笛卡尔坐标系中就能求解代表曲线和曲面的数值解此外该水平集过程还可以用来描述拓扑学中的形态拓扑变化。该方法需要在图像局部建立领域，使用单一值来替代整个领域亮度信息，通过该假设后，对应的水平集能量函数描述如下：

F（C）=ε+νL+μR