基于可见光图像的双射流热等离子体三维温度场诊断和稳定性评估

本项目以双射流热等离子体为研究对象，针对目前探针和发射光谱等高温测量方法以及基于放电电压的稳定性分析方法存在的不足，基于自行研制的双射流热等离子体测控平台，拟开展将图像处理技术、CT三维重建技术、可见光测高温方法与热等离子体温度场诊断、稳定性评估相结合的理论和实验研究工作。从等离子体辐射强度与其内部参量的研究入手，得出温度与其可见光图像三基色刺激值之间的对应关系并通过二维投影温度场的层析迭代重构，建立三维温度场。利用水平集边界提取算法对三维温度场截面图像进行处理得到等温线，并运用链码技术对其进行描述，定量评估电弧-射流稳定性以及高温区形态，从而建立以等温边界链码值作为主要反馈参量的热等离子体控制系统模型。该方法可在线、原位提供热等离子体三维温度分布信息，避免了现有测温方法逐点扫描过程中由于时间点不一致造成的瞬态信息损失，可广泛用于等离子体先进材料加工等领域，具有重要的理论意义与实用价值。

由于具有高活性例子密度、高焓值等特性，热等离子体被广泛用于冶金，喷涂，微细粉末合成与垃圾处理等领域。在过去的几十年中，其参数诊断，尤其是温度测量和稳定性分析一直是国内外研究的热点和难点。本项目针对目前探针、发射光谱等测温方法无法在线原位测量的缺点，以及通过记录放电电压的脉动检测方法无法获取形位信息的不足，基于图像处理技术和可见光测温原理，提出了一种新的热等离子体温度和放电稳定性诊断方法。该方法首先利用搭载窄带滤波片的CCD采集双波长的可见光信号，并通过光谱仪对其进行标定，从而建立了图像灰度值与等离子体发射谱线强度之间的对应关系，得到了二维投影温度场。其次，创新性地利用光学层析技术和MART迭代重构算法，对二维投影温度场进行了三维重构，进一步还原了热等离子体温度的空间分布。最后，通过链码技术对得到的等温边界进行定量描述，再分别以其所包围区域的面积和周长、相关系数、幅频-相频特性作为标准评价指标，定量评估电弧-射流稳定性以及高温区形态。此外，本项目利用虚拟仪器技术开发完成了一套双射流热等离子体综合实验平台，成功实现了热等离子体三维温度场的在线原位测量和放电稳定性定量分析。基于此平台和上述研究成果，进一步分析了气体压力和顶部冷气体对热等离子体特性的影响，并开展了有关于优化等离子体发生器控制参数的研究工作。实验结果表明，本项目提出的热等离子体可见光温度诊断和稳定性评估方法切实可行，所测温度与光谱测温结果良好吻合，项目达到了预期目标。所开展的研究工作为推动热等离子体在线、原位诊断方法的创新和实用化进程奠定了坚实的基础。