本发明属于图像识别及信号分析技术领域，尤其涉及一种基于图像处理和探针数据处理识别等离子体位形方法。
背景技术：
目前，等离子体风洞能够提供纯净的、长时间稳定运行的高焓等离子体射流，通过icp射流风洞模拟“黑障”环境，能开展高超声速飞行器等离子鞘层电磁特性研究。射流中的带电粒子会对电磁信号吸收、反射和散射，因此如何准确诊断射流等离子体中的电子密度，了解等离子体射流内部特性，对分析“黑障”环境起着关键的作用。远红外激光干涉系统在测量等离子体电子密度时空分布有着出色的表现，目前远红外激光干涉仪主要应用在east装置上诊断电子密度。
如上式，若想得到平均电子密度，需要知道探测光和参考光之间的相位差，光的波长以及光所经过的路程。因此，hcn干涉仪系统应用在诊断射流等离子体电子密度时，光程的大小会给hcn干涉仪系统带来诊断误差。目前east计算光程是通过计算磁力线获得远红外干涉仪的光程，能为远红外激光干涉仪提供一个准确的光程，但是等离子体射流边界不明显，传统确定边界办法是通过大量观察射流的形态，或者直接按照喷口的直径当作远红外激光干涉系统所通过的光程，这种边界确定办法会给光程带来较大的误差，原因是等离子体射流从喷管喷出时，等离子体会因为压强差而扩张或者气流的不稳，而影响等离子体射流的位形，从而按照传统的边界确定办法会影响远红外激光干涉系统诊断等离子体射流的电子密度。这种边界确定的办法会带来比较大的误差，影响远红外激光诊断电子密度的精度。
综上所述，现有技术存在的问题是：传统确定边界办法是边界确定的办法带来比较大的误差，影响远红外激光诊断电子密度的精度。
解决上述技术问题的难度：
1、如何从一组不同状态下的等离子体射流识别出某一状态
2、产生等离子体射流的电源装置通常会带来电磁辐射，会对快速探针及图像的传输线产生干扰。
3、快速探针处于等离子体时间只有0.53s，大部分时间处于没有等离子体，如何准确找出快速探针的悬浮电位信息
解决上述技术问题的意义：为远红外激光干涉系统提供准确、可靠的光程，为远红外激光干涉系统诊断等离子体。
技术实现要素：
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于图像处理和探针数据处理识别等离子体位形方法。
本发明是这样实现的，一种基于图像处理和探针数据处理识别等离子体位形方法，所述基于图像处理和探针数据处理识别等离子体位形方法同步采集得到连续时刻下的等离子体放电视频信号及探针密度曲线；从等离子体图像信息中通过算法提取等离子体边界信息并从快速探针中提取有等离子体密度的时间段，通过时间与加速度的运算得出射流的半径；获取图像和快速探针识别等离子体射流的直径信息；确定图像和快速探针权重因子，以图像为主，根据权重因子计算出第二条激光l2经过的光程；根据第二条激光的光程计算第一条激光的光程。
进一步，所述基于图像处理和探针数据处理识别等离子体位形方法包括以下步骤：
步骤一，获取图像和快速探针识别等离子体射流的直径信息；
步骤二，确定图像和快速探针权重因子a1和a2(0＜a1＜1,0＜a2＜1)，以图像为主，探针数据为修正图像的不足之处，权重因子a1＞＞a2，根据权重因子计算出第二条激光l2经过的光程为：s-z2＝a1×d-z a2×d-pro；
步骤三，根据第二条激光l2的光程s-z2计算第一条激光l1的光程，两条激光之间的距离为d_(l2-l1)，根据勾股定理计算出
进一步，所述基于图像处理和探针数据处理识别等离子体位形方法由临近空间高速目标等离子体电磁科学实验研究装置产生不同状态下的等离子体射流和通过相机获取等离子体图像信号，结合等离子体的发光区域并设置相应的阈值，建立数学模型，得到等离子体射流的直径值。
进一步，所述得到等离子体射流的直径值具体包括：
步骤一，通过脉冲信号确定等离子体射流的放电状态，并获取不同状态下射流的时间点；
步骤二，通过相机与脉冲信号的时间获取某一状态下等离子体射流的图像；
步骤三，对某一状态下等离子体射流的多组照片进行高斯滤波处理；
步骤四，根据等离子体图像中各像素点取值确定等离子体发光区域，根据发光区域形貌和像素值获取图像的发光像素等高线，通过设置像素的阈值并确定等离子体区域；
步骤五，识别照片下的喷口位置(x1,y1)和(x2,y2)，根据
步骤六，根据
步骤七，三组相机同时从不同的位置s1，s2，s3获取多组实验数据得到平均值s_avg1，s_avg2，s_avg3，得到三组直径d_1,d_2,d_3，从相机得出射流的平均直径为
进一步，所述基于图像处理和探针数据处理识别等离子体位形方法由临近空间高速目标等离子体电磁科学实验研究装置产生不同状态下的等离子体射流和通过快速探针获取等离子体的悬浮电位，结合等离子体自身的特性，设置相应的阈值，识别出信号中等离子体悬浮电位位置，并根据此识别出的悬浮电位位置的到出等离子体射流直径。
进一步，所述识别出的悬浮电位位置的到出等离子体射流直径具体包括：
步骤一，通过快速三探针与脉冲信号的时间获取某一状态下的等离子体射流悬浮电位；
步骤二，对获取的悬浮电位信号进行8层小波变换滤波；
步骤三，从信号中提取出等离子体悬浮电位的时间t1,t2，时间差为δt＝|t1-t2|；
步骤四，根据快速探针的二级传动加速度a1，计算出射流的半径
步骤五，从同一状态下悬浮电位得到多组半径：r_pro1,r_pro2,…,r_prol，并计算出等离子体射流的直径spro1,spro2,…,sprol，探针得到的平均等离子体射流直径为
本发明的另一目的在于提供一种所述基于图像处理和探针数据处理识别等离子体位形方法的远红外激光干涉仪中的应用。
本发明的另一目的在于提供一种所述基于图像处理和探针数据处理识别等离子体位形方法的高超声速飞行器中的应用。
本发明的另一目的在于提供一种所述基于图像处理和探针数据处理识别等离子体位形方法在离子体射流内部特性中的应用。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明系统软件同步采集得到连续时刻下的等离子体放电视频信号及探针密度曲线。从等离子体图像信息中通过算法提取等离子体边界信息并从快速探针中提取有等离子体密度的时间段，通过时间与加速度的运算得出射流的半径。本发明通过等离子体射流图像和等离子体射流空间电位信息中，建立数学模型，从中提取出等离子体射流的边界信号，得到准确的等离子边界信息，为远红外激光干涉仪诊断电子密度提供可靠的光程。本发明作为等离子体发光情况最直接的反映方式，等离子体图像一直是分析等离子体时空分布和研究等离子体形成的重要途经。快速探针直接与等离子体接触，能直接反映等离子体的时空分布，通过快速探针与图像两种方式提取等离子体射流边界信息，提高了等离子体边界的精确度，为hcn诊断射流电子密度提供了一个可靠的光程，提高了电子密度的准确性。
与现有技术相比，本发明具有以下优势：
本发明利用多个相机所捕获的图像以及快速探针所探测的悬浮电位，根据其所采集的信息经过数据处理，能减少噪声以及气流不稳影响电子密度的准确性。本发明为多道远红外激光系统提供准确的一个准确的光程，为远红外激光系统诊断临近空间高速目标等离子体电磁科学实验研究装置的电子密度做出铺垫。本发明剔除的方法利用一组数据实现多次求出远红外激光系统的光程，能减少多次实验获得平均值，降低了需要多次实验的成本，以及在一次实验内的实验条件的差异性较小，降低了利用多次实验带来的误差。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于图像处理和探针数据处理识别等离子体位形方法流程图。
图2是本发明实施例提供的电压在12kv下，icp等离子体射流原始图像示意图。
图3是本发明实施例提供的图2原始图处理后的光的像素等高线图。
图4是本发明实施例提供的图像提取等离子体射流位置信息的流程图。
图5是本发明实施例提供的探针提取等离子体射流位置信息的流程图。
图6是本发明实施例提供的基于图像处理和探针数据处理识别等离子体位形方法实现流程图。
图7是本发明实施例提供的区分不同状态的脉冲信号示意图。
图8是本发明实施例提供的远红外激光系统诊断icp射流等离子体示意图。
图9是本发明实施例提供的整个系统截面图。
图10是本发明实施例提供的三个相机所拍摄出射流的直径示意图。
图11是本发明实施例提供的快速探针的实物图。
图12是本发明实施例提供的快速探针的结构图。
图13是本发明实施例提供的第一条和第三条激光的光程计算图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于图像处理和探针数据处理识别等离子体位形方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的基于图像处理和探针数据处理识别等离子体位形方法包括以下步骤：
s101：获取图像和快速探针识别等离子体射流的直径信息。
s102：确定图像和快速探针权重因子，以图像为主，根据权重因子计算出第二条激光l2经过的光程。
s103：根据第二条激光的光程计算第一条激光的光程。
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。
本发明针对远红外激光干涉应用在射流等离子体中，因为没有确切的边界，导致密度诊断存在一定的误差的问题，通过等离子体的图像以及快速探针的悬浮电位两种信息，建立数学模型对不同状态下的等离子体射流的直径，以辅助远红外激光器获得高精度电子密度。
如图2所示，其中一个相机(blackflynbfly-pge-31s4c)在icp等离子体射流为12kv，进气量为15g/s获取的照片，可以看出通过调整相机焦距，使得背景为黑色，只显示icp等离子体射流，以便于进一步的图像处理。
如图3所示，本发明是基于blackflynbfly-pge-31s4c相机所拍出的照片程序滤波处理，并根据相应算法得到像素等高图。
如图4所示，本发明方法开始后由临近空间高速目标等离子体电磁科学实验研究装置产生不同状态下的等离子体射流和通过blackflynbfly-pge-31s4c相机获取等离子体图像信号，结合等离子体的发光区域并设置相应的阈值，建立数学模型，得到等离子体射流的直径值，具体的实现步骤如下：
步骤一：通过脉冲信号确定等离子体射流的放电状态，并获取不同状态下射流的时间点。
步骤二：通过相机(blackflynbfly-pge-31s4c)与脉冲信号的时间获取某一状态下等离子体射流的图像。
步骤三：对某一状态下等离子体射流的多组照片进行高斯滤波处理。
步骤四：根据等离子体图像中各像素点取值确定等离子体发光区域，根据发光区域形貌和像素值获取图像的发光像素等高线，然后通过设置像素的阈值并确定等离子体区域。
步骤五：识别照片下的喷口位置(x1,y1)和(x2,y2)，根据
步骤六：根据
步骤七：如图10，三组相机同时从不同的位置s1，s2，s3获取多组实验数据得到平均值s_avg1，s_avg2，s_avg3，因此得到三组直径d_1,d_2,d_3，从相机得出射流的平均直径为
如图5所示，本发明方法开始后由临近空间高速目标等离子体电磁科学实验研究装置产生不同状态下的等离子体射流和通过快速探针获取等离子体的悬浮电位，结合等离子体自身的特性，设置相应的阈值，识别出信号中等离子体悬浮电位位置，并根据此识别出的悬浮电位位置的到出等离子体射流直径，具体实现步骤如下：
步骤一：通过快速三探针与脉冲信号的时间获取某一状态下的等离子体射流悬浮电位。
步骤二：对获取的悬浮电位信号进行8层小波变换滤波。
步骤三：从信号中提取出等离子体悬浮电位的时间t1,t2，时间差为δt＝|t1-t2|
步骤四：根据快速探针的二级传动加速度a1，计算出射流的半径
步骤五：从同一状态下悬浮电位得到多组半径：r_pro1,r_pro2,…,r_prol，并计算出等离子体射流的直径spro1,spro2,…,sprol，因此探针得到的平均等离子体射流直径为
如图6所示，方法开始后通过blackflynbfly-pge-31s4c相机和快速探针获取处理后的信号，并根据相应的权重因子，计算出三条激光所经过等离子体中的光程，具体实现步骤如下：
步骤一：获取图像和快速探针识别等离子体射流的直径信息。
步骤二：确定图像和快速探针权重因子a1和a2(0＜a1＜1,0＜a2＜1)，本次算法以图像为主，探针数据为修正图像的不足之处，因此权重因子a1＞＞a2，所以根据权重因子计算出第二条激光l2经过的光程为：s-z2＝a1×d-z a2×d-pro。
步骤三：根据第二条激光l2的光程s-z2计算第一条激光l1的光程，计算的方法如图12，已知两条激光之间的距离为d_(l2-l1)，根据勾股定理可以计算出
如图7所示，为脉冲信号图，具体由临近空间高速目标等离子体电磁科学实验研究装置电源旋钮被扭动时，脉冲发生器自动给激光诊断系统、快速探针系统以及blackflynbfly-pge-31s4c相机一个脉冲信号，图中窄方波是不同电源状态的开始，三个系统通过此脉冲信号判断在某种状态下的等离子体射流。
如图8、图9和图11所示，图8为远红外激光系统诊断icp射流等离子体图，图9为整个系统截面图，图11为快速探针的实物图，远红外激光系统诊断系统的发生装置和接收装置分别放在临近空间高速目标等离子体电磁科学实验研究装置的两边，快速探针放置于临近空间高速目标等离子体电磁科学实验研究装置腔体的中间，并确保快速探针能准确运行到等离子体射流的中央部位，blackflynbfly-pge-31s4c相机系统放置于临近空间高速目标等离子体电磁科学实验研究装置上方三个不同的位置，并确保能准确拍出等离子体射流的图像。
如图10所示，为三个相机所拍摄出射流的直径，相机1所拍测量出来的直径为s3，相机2所拍测量出来的直径为s1，相机3所拍测量出来的直径为s2。
如图12所示，为快速探针的结构图，一级运动机构通过电机运动到相应的位置，探针处于在等离子体射流的边缘外，二级运动机构通过电机快速到达等离子体射流中央部分，一个来回时间为0.53s。
如图13所示，为第一条和第三条激光的光程计算图，s-z2为等离子体射流的半径，d-(l2-l1)是第一条激光和第二条激光相距的距离，并垂直于第一条激光，因此根据勾股定理可以算出
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种基于图像处理和探针数据处理识别等离子体位形方法，其特征在于，所述基于图像处理和探针数据处理识别等离子体位形方法同步采集得到连续时刻下的等离子体放电视频信号及探针密度曲线；从等离子体图像信息中通过算法提取等离子体边界信息，并从快速探针中提取有等离子体密度的时间段，通过时间与加速度的运算得出射流的半径；获取图像和快速探针识别等离子体射流的直径信息；确定图像和快速探针权重因子，以图像为主，根据权重因子计算出第二条激光l2经过的光程；根据第二条激光的光程计算第一条激光的光程。
2.如权利要求1所述的基于图像处理和探针数据处理识别等离子体位形方法，其特征在于，所述基于图像处理和探针数据处理识别等离子体位形方法包括以下步骤：
步骤一，获取图像和快速探针识别等离子体射流的直径信息；
步骤二，确定图像和快速探针权重因子a1和a2(0＜a1＜1,0＜a2＜1)，以图像为主，探针数据为修正图像的不足之处，权重因子a1＞＞a2，根据权重因子计算出第二条激光l2经过的光程为：s-z2＝a1×d-z a2×d-pro；
步骤三，根据第二条激光l2的光程s-z2计算第一条激光l1的光程，两条激光之间的距离为d_(l2-l1)，根据勾股定理计算出
3.如权利要求1所述的基于图像处理和探针数据处理识别等离子体位形方法，其特征在于，所述基于图像处理和探针数据处理识别等离子体位形方法由临近空间高速目标等离子体电磁科学实验研究装置产生不同状态下的等离子体射流和通过相机获取等离子体图像信号，结合等离子体的发光区域并设置相应的阈值，建立数学模型，得到等离子体射流的直径值。
4.如权利要求3所述的基于图像处理和探针数据处理识别等离子体位形方法，其特征在于，所述得到等离子体射流的直径值具体包括：
步骤一，通过脉冲信号确定等离子体射流的放电状态，并获取不同状态下射流的时间点；
步骤二，通过相机与脉冲信号的时间获取某一状态下等离子体射流的图像；
步骤三，对某一状态下等离子体射流的多组照片进行高斯滤波处理；
步骤四，根据等离子体图像中各像素点取值确定等离子体发光区域，根据发光区域形貌和像素值获取图像的发光像素等高线，通过设置像素的阈值并确定等离子体区域；
步骤五，识别照片下的喷口位置(x1,y1)和(x2,y2)，根据
步骤六，根据
步骤七，三组相机同时从不同的位置s1，s2，s3获取多组实验数据得到平均值s_avg1，s_avg2，s_avg3，得到三组直径d_1,d_2,d_3，从相机得出射流的平均直径为
5.如权利要求1所述的基于图像处理和探针数据处理识别等离子体位形方法，其特征在于，所述基于图像处理和探针数据处理识别等离子体位形方法由临近空间高速目标等离子体电磁科学实验研究装置产生不同状态下的等离子体射流和通过快速探针获取等离子体的悬浮电位，结合等离子体自身的特性，设置相应的阈值，识别出信号中等离子体悬浮电位位置，并根据此识别出的悬浮电位位置的到出等离子体射流直径。
6.如权利要求5所述的基于图像处理和探针数据处理识别等离子体位形方法，其特征在于，所述识别出的悬浮电位位置的到出等离子体射流直径具体包括：
步骤一，通过快速三探针与脉冲信号的时间获取某一状态下的等离子体射流悬浮电位；
步骤二，对获取的悬浮电位信号进行8层小波变换滤波；
步骤三，从信号中提取出等离子体悬浮电位的时间t1,t2，时间差为δt＝|t1-t2|；
步骤四，根据快速探针的二级传动加速度a1，计算出射流的半径
步骤五，从同一状态下悬浮电位得到多组半径：r_pro1,r_pro2,…,r_prol，并计算出等离子体射流的直径spro1,spro2,…,sprol，探针得到的平均等离子体射流直径为
7.一种如权利要求1～6任意一项所述基于图像处理和探针数据处理识别等离子体位形方法的远红外激光干涉仪中的应用。
8.一种如权利要求1～6任意一项所述基于图像处理和探针数据处理识别等离子体位形方法的高超声速飞行器中的应用。
9.一种如权利要求1～6任意一项所述基于图像处理和探针数据处理识别等离子体位形方法在离子体射流内部特性中的应用。
技术总结