基于图像技术的锅炉燃烧器入炉煤粉扩散角测量方法
【专利摘要】本发明属于热工测量和图像处理技术领域，具体涉及一种基于图像技术的锅炉燃烧器入炉煤粉扩散角测量方法。该方法首先对火焰图像中的未燃烧区进行检测，根据检测结果确定扩散角测量的有效区域。在有效区域内，取煤粉气流运动方向的垂直方向，通过固定搜索方向的区域一阶差分算法检测到一组入炉煤粉侧边缘像素点。由于火焰图像传感器安装角度问题，采集到的火焰图像会出现畸变，对侧边缘像素点进行校正，由校正后的像素点坐标和锅炉燃烧器喷口坐标计算扩散角，实现锅炉燃烧器入炉煤粉扩散角测量。
【专利说明】
基于图像技术的锅炉燃烧器入炉煤粉扩散角测量方法
技术领域
[0001] 本发明属于热工测量和图像处理技术领域，具体涉及一种基于图像技术的锅炉燃 烧器入炉煤粉扩散角测量方法。
【背景技术】
[0002] 煤粉和一次风混合气流进入锅炉炉膛，在火焰图像中形成一段类似舌形黑龙的区 域，即未燃烧区。该区域内煤粉的扩散角对研究炉内燃烧状况具有重要作用。扩散角过小， 煤粉不分散，将会造成煤粉不能完全燃烧，浪费资源；同时煤粉会在锅炉的一些位置堆积， 对设备安全造成隐患，严重的甚至可能造成灭火的事故。扩散角过大，煤粉过于分散，造成 炉膛内火焰燃烧达不到期望效果，容易导致结渣；同时炉膛内火焰燃烧位置离喷煤口、炉壁 距离很近，容易造成锅炉设备损伤。锅炉燃烧是个复杂的过程，黑龙区域的扩散角与一次风 风量和风速、二次风风量和风速等等相关，所以实时在线检测入炉煤粉扩散角对了解锅炉 燃烧状况具有重要意义。
[0003] 随着图像技术的发展，我国大部分火力机组锅炉都安装了图像火焰检测装置，为 炉膛火焰检测提供了燃烧状态视觉信息，为基于图像信息的锅炉燃烧状态检测与优化研究 提供技术平台。目前国内多数图像火焰监测研究和应用的重点在燃烧诊断、燃烧稳定性判 别和锅炉温度场测量等方面。
【发明内容】
[0004] 本发明公开了一种基于图像技术的锅炉燃烧器入炉煤粉扩散角测量方法，采用的 技术方案如下：
[0005] -种基于图像技术的锅炉燃烧器入炉煤粉扩散角测量方法，通过对入炉煤粉侧边 缘进行检测，根据侧边缘像素点坐标，实现扩散角测量，具体步骤为：
[0006] 步骤一，对火焰图像进行检测，分割未燃烧区和燃烧区，以未燃烧区作为扩散角测 量有效区域；
[0007]步骤二，在扩散角测量有效区域内，通过固定搜索方向的区域一阶差分算法检测 入炉煤粉侧边缘像素点坐标；
[0008] 步骤三，对侧边缘像素点坐标进行坐标变换，校正由摄像头安装原因引起的图像 畸变；
[0009] 步骤四，由变换后边缘点坐标测量入炉煤粉扩散角。
[0010]其中，步骤一的具体过程为:根据火焰图像传感器安装位置信息确定煤粉气流在 火焰图像f(x，y)中的运动方向和中心线位置，进而确定未燃烧区边缘检测有效区域;对有 效区域内所有沿煤粉气流运动方向的直线搜寻灰度梯度最大点，通过这组最大点坐标( XlJ， yu)和煤粉气流运动方向，确定未燃烧区区域，即扩散角测量有效区域;其中，x，y为图像坐 标，f(x，y)为(x，y)处的灰度值;灰度梯度最大点的确定方法为：△ f(xk，yk)=f(xk+i，yk+i)_f (xk，yk)为f(x，y)的一阶前向差分，通过找到最大的前向差分(Xlj，yu)，即为火焰图像中规 定方向上的灰度梯度最大点。
[0011] 步骤二的具体过程为:在扩散角测量有效区域内，对所有沿煤粉气流运动垂直方 向的直线搜寻灰度梯度最大点，得到的这组灰度梯度最大点坐标即是入炉煤粉侧边缘像素 点坐标(Ui，Vi);灰度梯度最大点的确定方法为：Δ f (Xk，yk)=f (Xk+1，yk+1)-f (Xk，yk)为f(x, y )的一阶前向差分，通过找到最大的前向差分(Xij，yij)，即为火焰图像中规定方向上的灰 度梯度最大点。
[0012] 步骤三的具体过程为：由于摄像头安装角度和位置的影响，采集到的火焰图像会 出现一定的畸变，需要对边缘坐标进行坐标变换;纵坐标的变换公式为
0'横坐标的变换公式
其中（x，y)为世界坐标系上的坐标，（u，v)为火焰图像传感器采集到的图像坐标，h为火焰图 像传感器到黑龙中心所在水平面的距离，f为焦距，a为摄像头与水平方向的夹角，0 = 9〇-a， b为视角;变换后的边缘点坐标为(xi，yi)。
[0013] 步骤四的具体过程为:根据摄像头安装角度、位置信息，结合火焰图像在世界坐标 系中的坐标，计算煤粉气流中心线起始点坐标(xi， yi)，并得出燃烧器喷口在世界坐标系中 的坐标(XQ，yQ);两点间真实距离为htan(0-b)，煤粉运动方向与图像横坐标正方向夹角为c， 故（X。，yo) = (xi-htan (θ-b) cosc，yi-htan (θ-b) s inc);其中h为火焰图像传感器到黑龙中心 所在水平面的距离，摄像头与水平方向夹角为a，0 = 9〇_a，b为视角；由此计算每个边缘点的
\ 扩散角 ，则入炉煤粉扩散角为
?中η为所有边缘点的数量。
[0014] 本发明根据煤粉燃烧图像，实现了锅炉燃烧器入炉煤粉扩散角的测量，该方法计 算快速准确，能够实现锅炉燃烧时煤粉扩散角的在线监测。
【附图说明】
[0015] 图1为本发明实施例的火焰图像；
[0016] 图2为本发明实施例的扩散角测量有效区域；
[0017] 图3为本发明实施例的图像坐标系纵坐标与世界坐标系纵坐标关系图；
[0018] 图4为本发明实施例的图像坐标系横坐标与世界坐标系横坐标关系图；
[0019] 图5为本发明实施例的扩散角测量示意图。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明，但并不因此而限制本发明的保 护范围。
[0021]本发明实施例使用的是通过火焰图像传感器采集到的大小为320X240的火焰图 像，参见图1。
[0022] (1)对火焰图像进行检测，分割未燃烧区和燃烧区，以未燃烧区作为扩散角测量有 效区域：
[0023] 根据火焰图像传感器安装角度、位置信息，确定煤粉气流在火焰图像f(x，y)中的 运动方向和中心线位置，煤粉气流中心线位置和运动方向在火焰图像中有许多可能，但中 心线必与运动方向平行。根据中心线位置和运动方向确定固定搜索方向的区域一阶差分算 法的有效区域。
[0024] 依次搜索有效区域内中心线两侧邻近的与之平行的1条待测直线灰度梯度最大 点，具体过程为：计算待测直线沿煤粉气流运动方向上所有相邻前后两点的一阶差分A f (xk，yk)=f(xk+i，yk+i)-f(xk，yk)，搜寻该直线上的最大一阶差分 Δ fXxijOzmaxC Δ f(xi, yi) , Δ f(X2,y2) ,L, Δ f (Xk,yk) ,L, Δ f (Xq，yq))，则(Xi，yi)为该直线的灰度梯度最大点。继续 搜索下一条待测直线，直线选择顺序遵循从左到右或从上到下原则，最终得到1个灰度梯度 最大点。以这1个灰度梯度最大点拟合一条与已知方向垂直的分割线ax+by+c = 0，分割未燃 烧区和燃烧区，未燃烧区即为扩散角测量有效区域，如图2。本发明实施例中，1取31。
[0025] (2)在扩散角测量有效区域内，通过固定搜索方向的区域一阶差分算法检测入炉 煤粉侧边缘像素点坐标：
[0026] 确定煤粉气流运动垂直方向，选择未燃烧区长度的0.2-0.8区域内的所有直线搜 索入炉煤粉侧边缘。在检测过程中不需要对两侧边缘都进行检测，所以在运用固定搜索方 向的区域一阶差分算法时，所有边缘点灰度均大于其后一点灰度，或者所有边缘点灰度均 小于其后一点灰度，搜索起始点即为有效区域的边界点。具体过程为:计算待测直线沿煤粉 气流运动垂直方向上所有相邻前后两点的一阶差分Δ f (uk，vk) = f (Uk，vk) _f (Uk+i，vk+i)(或 是 A f (uk，vk)=f (Uk+i，vk+i)_f (Uk，vk))，搜寻该直线上的最大一阶差分 A f (ui，vi)=max( Δ f(Ul，Vl)，Δ f(U2，V2)，L, Δ f(Uk，Vk)，L, Δ f(Uq，Vq))，贝lJ(Ui，Vi)为该直线的灰度梯度最大 点，并继续搜索下一条待测直线，直线选择顺序遵循从左到右或从上到下原则，最终得到若 干个灰度梯度最大点，即入炉煤粉侧边缘点。
[0027] (3)对侧边缘像素点坐标进行坐标变换，校正由摄像头安装原因引起的图像畸变：
[0028] 由于摄像头安装角度和位置的影响，采集到的火焰图像会出现一定的畸变，需要 对边缘坐标进行坐标变换；图像坐标系纵坐标与世界坐标系纵坐标关系如图3所示，则得到 其坐标转换公式彡而图像坐标系横坐标与世界坐标 V
J J 系横坐标关系如图4所示，则得到其坐标转换公式为
-。其中（X， y)为世界坐标系上的坐标，（u，v)为火焰图像传感器采集到的图像坐标，h为火焰图像传感 器到黑龙中心所在水平面的距离，f为焦距，a为摄像头与水平方向的夹角，0 = 9〇_a，b为视 角。
[0029] 对所有入炉煤粉侧边缘点(m，Vl)进行坐标变换，得到世界坐标系下的入炉煤粉侧 边缘点坐标(xi，yi)。
[0030] (4)由变换后边缘点坐标测量入炉煤粉扩散角：
[0031] 根据入炉煤粉侧边缘点世界坐标系坐标(Xl，yi)计算扩散角，示意图如图5。对火焰 图像中煤粉气流中心线起始点做坐标变换，得到中心线起始点在世界坐标系下的坐标(XI， yi);锅炉燃烧器喷口到被火焰图像传感器采集到的煤粉实际距离为htan(0-b)，故可根据 煤粉气流方向得到世界坐标系下燃烧器喷口靠近煤粉侧边缘一侧的坐标( XQ，yQ)，本实施例 的(XQ，yo) = (xi-htan (Θ-b)，y 1)。由此计算每个边缘点的扩散角
，则入炉煤粉扩散角为 其中η为所有边缘点的数量。
【主权项】
1. 一种基于图像技术的锅炉燃烧器入炉煤粉扩散角测量方法，其特征在于，通过对入 炉煤粉侧边缘进行检测，根据侧边缘像素点坐标，实现扩散角测量，具体步骤为： 步骤一，对火焰图像进行检测，分割未燃烧区和燃烧区，W未燃烧区作为扩散角测量有 效区域； 步骤二，在扩散角测量有效区域内，通过固定捜索方向的区域一阶差分算法检测入炉 煤粉侧边缘像素点坐标； 步骤Ξ，对侧边缘像素点坐标进行坐标变换，校正由摄像头安装原因引起的图像崎变； 步骤四，由变换后边缘点坐标测量入炉煤粉扩散角。2. 根据权利要求1所述的基于图像技术的锅炉燃烧器入炉煤粉扩散角测量方法，其特 征在于，步骤一中，根据火焰图像传感器安装位置信息确定煤粉气流在火焰图像f(x，y)中 的运动方向和中屯、线位置，进而确定未燃烧区边缘检测有效区域;对有效区域内所有沿煤 粉气流运动方向的直线捜寻灰度梯度最大点，通过运组最大点坐标(XU, yu)和煤粉气流运 动方向，确定未燃烧区区域，即扩散角测量有效区域;其中，x，y为图像坐标，f(x，y)为(x，y) 处的灰度值;灰度梯度最大点的确定方法为：Δ f (xk，yk) = f (xk+i，yk+i)-f (xk，yk)为f (X，y) 的一阶前向差分，通过找到最大的前向差分(XU, yu)，即为火焰图像中规定方向上的灰度 梯度最大点。3. 根据权利要求1所述的基于图像技术的锅炉燃烧器入炉煤粉扩散角测量方法，其特 征在于，步骤二中，在扩散角测量有效区域内，对所有沿煤粉气流运动垂直方向的直线捜寻 灰度梯度最大点，得到的运组灰度梯度最大点坐标即是入炉煤粉侧边缘像素点坐标(Ui， Vi);灰度梯度最大点的确定方法为：A f (xk，yk) =f(xk+i，yk+i)-f (xk，yk)为f(x，y)的一阶前 向差分，通过找到最大的前向差分(XU, yu)，即为火焰图像中规定方向上的灰度梯度最大 点。4. 根据权利要求1所述的基于图像技术的锅炉燃烧器入炉煤粉扩散角测量方法，其特 征在于，步骤Ξ中，纵坐标的变换公式为横坐标的变 换公式为，其中（x，y)为世界坐标系上的坐标，（u，v)为火焰图 像传感器采集到的图像坐标，h为火焰图像传感器到黑龙中屯、所在水平面的距离，f为焦距， a为摄像头与水平方向的夹角，Θ = 90-a，b为视角;变换后的边缘点坐标为(xi，yi)。5. 根据权利要求1所述的基于图像技术的锅炉燃烧器入炉煤粉扩散角测量方法，其特 征在于，步骤四中，根据摄像头安装角度、位置信息，结合火焰图像在世界坐标系中的坐标， 计算煤粉气流中屯、线起始点坐标(xi，yi)，并得出燃烧器喷口在世界坐标系中的坐标(X0， yo);两点间真实距离为htan(g-b)，煤粉运动方向与图像横坐标正方向夹角为C，故(xo，yo) =(X广htan(目-b)cosc,y广htan(目-b)sinc);其中h为火焰图像传感器到黑龙中屯、所在水平 面的距离，摄像头与水平方向夹角为a, 0 = 9〇-a，b为视角；由此计算每个边缘点的扩散角其中η为所有边缘点的数量。
【文档编号】G06T5/00GK105976359SQ201610270213
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年4月27日
【发明人】于磊, 胡叙畅, 杨国田, 刘禾, 刘建松, 李新利
【申请人】华北电力大学