本发明专利技术公开了一种对柴油机排放颗粒物微观结构特征自动定量评价方法。自动定量评价柴油机排放颗粒物微晶碳层上每条微晶碳层的长度、微粒微观结构中相邻两个微晶碳层的垂直距离、以及微晶尺寸与此微晶碳层两端像素点间直线距离的比值，这３个微观结构特性参数。方法包括四大步骤：即样品前处理；微粒微观形貌图像的获取；对获取微粒微观形貌的图像进行数学变换处理；和柴油机排放颗粒物微观结构特征参数的提取和计算。采用了图像Ｇａｂｏｒ滤波法、局部阀值法、改进的ＯＰＴＡ法等对微粒微观结构特征３个参数进行了提取。应用本方法可以自动、快速、准确的评价微粒微观结构特征，从而增加了一种微粒排放控制技术在汽车及内燃机上应用效果的快速、自动考核方法。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种对柴油机排放颗粒物微观结构特征参数的评价方法。
技术介绍
直径微小的大气悬浮颗粒物由于悬浮时间长、比表面积大，极容易吸附有毒有害 物质，对人体健康威胁很大。数量众多的柴油机车所排放的废气是城市大气中悬浮颗粒物 的重要来源之一，因此对柴油车微粒排放的研究受到了广泛的关注。目前柴油车颗粒物的 形成机理特别是微粒自身结构和理化特性在其生成、演化历程中的变化规律已成为内燃机 工程和环保领域关注的热点。柴油机燃烧过程中形成的微粒具有极其复杂的微观结构特征，这种微观结构特征 与微粒本身的多种理化性能有着密切的关系。如，许多研究者已经发现对于柴油机排放的 这类以碳元素为核心的微粒，其氧化特性随内部微观结构的变化而变化，特别是那些具有 无定形微观结构的碳质微粒，要比具有规则石墨化微观结构的碳质微粒更容易被氧化，其 氧化反应活化能更低。因此，采用合理的方法自动定量评价柴油机燃烧过程中所排放颗粒 物微观结构特征参数的变化，不仅可以深化研究柴油机微粒物的生成机理和排放规律，更 重要在于有助于提出柴油机燃烧过程中形成微粒物的有效控制方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是通过对柴油机排放的碳质微粒微观形貌图像进行数学变换处理， 提出一种自动提取颗粒物微观结构特征定量信息的技术方法。以下结合附图对本专利技术的技术方案进行说明本专利技术主要是解决如何准确提取微 粒微观结构特征参数。这些微粒微观结构特征参数主要包括微晶尺寸La、层面间距d和曲 率C。其中La是以碳元素为核心的微粒微观组织结构中的一个重要结构参数，它定义为 微晶碳层上每条微晶碳层的长度；d的定义是微粒微观结构中相邻两个微晶碳层的垂直距 离；C的定义为微晶碳层的微晶尺寸与此微晶碳层两端像素点间直线距离的比值。上述特 征参数的定义见附图1。上述3个微粒微观结构特征参数对微粒的多种物理_化学性能影 响很大，特别是它们是微粒氧化稳定性和高温稳定性的主要决定因素，对它们的准确评价 有助于提高柴油机微粒排放的控制技术的应用效果。对柴油机排放颗粒物微观结构参数自 动定量评价方法，包括四大步骤，而其中最主要的是步骤3，即微粒微观形貌图像数学变换 处理方法。本专利技术提出的其具体技术方法由以下步骤完成1.样品前处理将Ig从柴油机排气中收集的微粒样品精细研磨后置于150ml 二氯乙烷(CH2Cl2) 中萃取24小时，期间使用超声波振荡器加速所述萃取过程。将萃取后的微粒样品置于IOml 无水乙醇(CH3CH2OH)中，使用超声波振荡器振荡30分钟，使研磨后的微粒样品均勻分散于 无水乙醇中，形成稳定的悬浮液。取一滴分散好的微粒-乙醇悬浮液置于场发射透射电子显微镜(TEM)镍网微栅上，待乙醇自由挥发后，微粒样品前处理工作即完成。2.微粒微观形貌图像的获取利用场发射透射电子显微镜(TEM)对步骤1完成的微粒样品形貌进行观测，获取微粒微观形貌电子显微镜照片。3.微粒微观形貌图像数学变换处理方法。这个步骤包括了 6个主要过程3. 1图像规格化微粒微观形貌图像在拍摄过程中，由于人为的因素，可能造成所获取的微观形貌图像的对比度不同、灰度范围有差异。为了将不同微观形貌图像的平均灰度、方差、对比度等统计特性指标调整到一个统一的范围，使不同的源图像具有相同的灰度均值和方差，需要对源图像进行规格化处理。设I(i，j)为像素点(i，j)的灰度，其中i和j分别为所述微粒微观形貌图像中以像素点为单位的横、纵坐标，M和N分别代表源微粒形貌图像的灰度均值和灰度方差，N(i，j)是规格化后点(i，j)的灰度。图像规格化定义如下<formula>formula see original document page 8</formula>式中，<formula>formula see original document page 8</formula>式中A和B为微粒源图像具有的横、纵像素点数量，在选择处理图像的范围时，应尽量使A和B相近；Μ『V0是预先设定的规格化后的图像灰度均值和方差，两者取值范围均为0 255之间的整数。3. 2方向图计算首先，将规格化后的微粒图像分成大小为QXQ的子块，其中Q的取值范围为0. 35 lOnm，而对于面积小于QXQ的子块，则予以去除。这样就将AXB大小的整个微粒图像分成PXP个互不重叠的子块，其中的P可通过下面的公式计算<formula>formula see original document page 8</formula>式中S为形貌图像中每两个相邻像素点所对应的实际距离。然后，采用Sobel算子(见图2)计算每个子块像素点(u，ν)的水平和竖直方向梯度值δφ,ν)和φ^，ν)，如公式(e)和(f)所示<formula>formula see original document page 8</formula>再利用公式(g)_⑴估计中心在点(i，j)子块的局部方向<formula>formula see original document page 9</formula><formula>formula see original document page 9</formula>O(U) = ^tan->(^4)如果<formula>formula see original document page 9</formula>( )如果 σ ( ，Λ)=ο公式(i)中的θ即为所在子块的局部方向角。3. 3图像分割包括方差法、方向法和复合法。采用由方差法和方向法共同组成的复合方法分割上述微粒形貌图像。其基本原理 如下如果图像某一区域的灰度统计特性中灰度的方差很大，则此区域对应于图像的前景 区域；反之对应于图像的背景区域。此外，如果图像某一区域的方向直方图中存在峰值，则 表明该区域为前景区域，反之为背景区域。3. 3. 1 方差法3. 3. 1. 1按照步骤3. 2中的方法将微粒形貌图像划分为互不重叠的PXP的子块， 对每一图像子块分别进行处理；3. 3. 1. 2按照公式(j)、(k)计算每一图像子块的灰度均值和方差Means = —YjJdNiu,ν),(」)<formula>formula see original document page 9</formula>式中N(u，v)是子块(k，l)中第u行第ν列的图像点灰度值，Means为图像子块的 灰度均值，Vars为图像子块的方差。3. 3. 1. 3对于每一图像子块，当Vars小于定义的阀值Tl (取值范围为0 255之 间的正整数)时，将其设定为背景区域；否则，作为前景区域，保留其灰度值。3. 3. 2 方向法3. 3. 2. 1按照步骤3. 2中的方法计算微粒形貌图像的方向图；3. 3. 2. 2按照步骤3. 2中的方法计算方向直方图；3. 3. 2. 3按下列标准对每一图像子块进行分割①如果所述方向直方图中的峰值超过定义的阀值T2(取值范围为0 255之间的 正整数)时，则该区域被视为前景；②如果所述方向直方图中的本文档来自技高网...
【技术保护点】
柴油机排放颗粒物微观结构特征自动定量评价方法，其特征是自动定量评价柴油机排放碳质颗粒物的微晶尺寸（Ｌａ）、层面间距（ｄ）和曲率（Ｃ）３个微观结构特性参数，其中微晶尺寸（Ｌａ）定义是微晶碳层上每条微晶碳层的长度；层面间距（ｄ）的定义是微粒微观结构中相邻两个微晶碳层的垂直距离；曲率（Ｃ）的定义是微晶碳层的微晶尺寸与此微晶碳层两端像素点间直线距离的比值，自动定量评价的过程包括以下步骤： （１）样品前处理 将１ｇ从柴油机排气中收集的微粒样品精细研磨后置于１５０ｍｌ二氯乙烷中萃取２ｉ）估计中心在点（ｉ，ｊ）子块的局部方向： Ｖ↓［ｘ］（ｉ，ｊ）＝＊＊＊ｘ（ｕ，ｖ）＊ｙ（ｕ，ｖ） （ｇ） Ｖ↓［ｙ］（ｉ，ｊ）＝＊＊＊（＊ｘ↑［２］（ｕ，ｖ）－＊ｙ↑［２］（ｕ，ｖ）） （ｈ） ＊＊＊ （ｉ） 公式（ｉ）中的θ即为所在子块的局部方向角； （３．３）进行图像分割，包括：方差法、方向法、复合法； （３．３．１）方差法 （３．３．１．１）按照步骤（３．２）将微粒形貌图像划分为互不重叠的Ｐ×Ｐ的子块，对每一图像子块分别进行处理； （３．３．１．２）按照（ｊ）、（ｋ）式计算每一图像子块的灰度均值和方差： Ｍｅａｎｓ＝１／Ｐ×Ｐ.Σ↓［ｉ＝１］↑［Ｐ］Σ↓［ｊ＝１］↑［Ｐ］Ｎ（ｕ，ｖ）， （ｊ） Ｖａｒｓ＝１／Ｐ×Ｐ.Σ↓［ｉ＝１］↑［Ｐ］Σ↓［ｊ＝１］↑［Ｐ］（Ｎ（ｕ，ｖ）－Ｍｅａｎｓ）↑［２］ （ｋ） 式中Ｎ（ｕ，ｖ）是子块（ｋ，ｌ）中第ｕ行第ｖ列的图像点灰度值，Ｍｅａｎｓ为图像子块的灰度均值，Ｖａｒｓ为图像子块的方差； （３．３．１．３）对于每一图像子块，当Ｖａｒｓ小于定义的阀值Ｔ１时，将其设定为背景区域，否则作为前景区域，保留其灰度值，Ｔ１取值范围为０～２５５之间的正整数； （３．３．２）方向法 （３．３．２．１）按照步骤（３．２）计算微粒形貌图像的方向图和方向直方图； （３．３．２．２）按下列标准对每一图像子块进行分割： ①如果所述方向直方图中的峰值超过定义的阀值Ｔ２时，则该区域被视为前景，Ｔ２取值范围为０～２５５之间的正整数； ②如果所述方向直方图中的峰值差值小于定义的阀值Ｔ３，则该区域被定义为背景Ｔ３取值范围为０～２５５之间的正整数； ③如果所述方向方差大于定义的阀值Ｔ４，则该区域被定义为前景，Ｔ４取值范围为０～１００００之间的正整数； （３．３．３）复合法 设Ａ，Ｂ分别是微粒形貌图...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：宋崇林，吕刚，张炜，王林，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：12[中国|天津]
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