基于頻譜分析燃煤機(jī)組的火焰圖像數(shù)字處理

徐站桂

(長(zhǎng)沙電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南長(zhǎng)沙 410131)

采用常規(guī)檢測(cè)方法對(duì)燃煤機(jī)組爐膛火焰進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，因多種原因使檢測(cè)結(jié)果存在誤檢的情況。本文采用數(shù)字圖像處理方法對(duì)火焰圖像中所包含的火焰燃燒狀況信息進(jìn)行分析處理，從而判斷其燃燒狀態(tài)。

1 火焰圖像數(shù)字化

通過攝像采集到的爐膛實(shí)際火焰圖像F(x，y)，進(jìn)行圖像處理的第一步就是采樣：用實(shí)際火焰圖像F(x，y)與空間采樣函數(shù)S(x，y)相乘，就可得到一個(gè)空間上的數(shù)字化圖像。此矩陣就是實(shí)際火焰圖像經(jīng)轉(zhuǎn)換后而得的數(shù)字圖像，其行、列對(duì)應(yīng)圖像中的一個(gè)像素，而矩陣中元素的值對(duì)應(yīng)此像素點(diǎn)的灰度值。如下圖1：

2 鄰域平均法濾波

為了驗(yàn)證系統(tǒng)濾波算法消除噪聲的效能，人為的在圖像上加上一些噪聲。濾波效果如圖2：

圖2 鄰域平均

3 灰度線性變換增強(qiáng)

為了突出一幅圖像中的某些信息，同時(shí)削弱或去除某些不需要的信息，可利用灰度變換修改目標(biāo)圖像像素的灰度，以達(dá)到有用信號(hào)增強(qiáng)、無(wú)用信號(hào)減弱的目的。灰度變換的點(diǎn)運(yùn)算可把輸入圖像。按指定的線性變換曲線轉(zhuǎn)換成另一幅圖像輸出。兩幅圖像的區(qū)別在于其相應(yīng)像素點(diǎn)上的灰度值按某一規(guī)則發(fā)生了改變?；叶染€性變換如圖3：

圖1 采樣函數(shù)

圖3 灰度線性變換曲線

圖像灰度線性變換后的結(jié)果如圖4所示，可看出對(duì)比度得到加強(qiáng)。

圖4 灰度線性變換

4 火焰圖像分割

在火焰燃燒檢測(cè)中，根據(jù)燃燒狀態(tài)的不同常常將火焰分成不同的區(qū)域進(jìn)行研究，或需對(duì)指定的某個(gè)區(qū)域進(jìn)行研究，為這一目的就要對(duì)火焰圖像進(jìn)行分割。實(shí)現(xiàn)火焰圖像分割有效而方便的方法是根據(jù)設(shè)定的亮度閾值點(diǎn)，把圖像分割為幾個(gè)亮度值不同的區(qū)域。對(duì)于用灰度值表示的火焰數(shù)字圖像，可按式中進(jìn)行轉(zhuǎn)換以實(shí)現(xiàn)分割。以下為閾值分割，分割出灰度大于110的圖像。圖像分割效果如圖5：

圖5 火焰圖像分割

5 亮度均值特征值提取

當(dāng)爐膛燃燒狀況發(fā)生改變時(shí)，可從火焰圖像的一些特征值如亮度、溫度場(chǎng)分布、火焰頻率等反應(yīng)出來(lái)。同理可用特征值的大小來(lái)衡量燃燒狀況。按火焰頻譜分析方法即可得到其頻譜特征，從而判斷火焰燃燒狀況。

6 燃燒火焰頻譜分析

要對(duì)火焰圖像采用數(shù)字圖像處理方法來(lái)判斷火焰燃燒的穩(wěn)定性，則要使進(jìn)入計(jì)算機(jī)的信號(hào)必然是離散信號(hào)。事實(shí)上通過圖像采集卡得到的視頻錄像，并經(jīng)提取幀而得到的爐膛火焰圖像，本身表示的就是離散信號(hào)了。對(duì)于一組長(zhǎng)度為N的火焰強(qiáng)度信號(hào)，經(jīng)傅里葉變換(DTFT)可獲得該時(shí)域信號(hào)在頻域上的對(duì)應(yīng)表示，轉(zhuǎn)換公式。

在實(shí)際中，可能很難根據(jù)火焰輻射強(qiáng)度時(shí)間序列來(lái)識(shí)別穩(wěn)定燃燒和不穩(wěn)定燃燒工況下，但穩(wěn)定燃燒和不穩(wěn)定燃燒工況在頻譜分布圖上卻有著明顯的不同。當(dāng)頻譜計(jì)算得到的結(jié)果顯示火焰的低頻波動(dòng)能量變大時(shí)，意味著燃燒的穩(wěn)定程度惡化，按此趨勢(shì)可能爐膛最終會(huì)熄火。由此可知：低頻分量譜幅值的大小可以用于識(shí)別火焰燃燒是否穩(wěn)定。

7 結(jié)語(yǔ)

以Matlab圖像處理軟件為平臺(tái)，通過采用合理的手段，依據(jù)圖像處理的方法，對(duì)火焰圖像進(jìn)行分析從而計(jì)算出火焰頻譜分布情況，以實(shí)現(xiàn)對(duì)爐膛火焰的檢測(cè)。從經(jīng)濟(jì)的角度來(lái)說(shuō)，圖像火焰檢測(cè)也將優(yōu)于傳統(tǒng)的火焰檢測(cè)。為進(jìn)一步提高爐膛火焰檢測(cè)的準(zhǔn)確性，可同時(shí)綜合考慮如溫度場(chǎng)分布等其它火焰特征值。

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