[发明专利]一种柴油机颗粒物形貌的表征方法

说明书

技术领域

本发明涉及柴油机颗粒物图像分析领域，具体是一种柴油机颗粒物形貌的表征方法。

背景技术

柴油机颗粒物是PM2.5主要源之一。由柴油机直接排放的有害物质经过一系列反应生成的二次颗粒物，对环境造成严重污染。对柴油机颗粒物形貌特征的研究，是辨识柴油机一次或二次颗粒物的重要手段。目前，国内外学者已经从粒径、组分角度对柴油机颗粒物进行研究，但是缺少从颗粒物复杂的形貌角度进行辨识的方法。因此，寻找一种有效、直观地反映柴油机颗粒物形貌特征的手段对于柴油机颗粒物源解析研究具有重要意义。

分形理论作为研究复杂无序的混乱现象，揭示客观事物的多样性与复杂性的一种新颖手段被研究者广泛使用。柴油机一次颗粒物，主要由干碳烟、有机可溶成分和硫酸盐等杂质组成。由于柴油机颗粒物复杂的形成过程，导致其具有复杂但又自相似性的形貌特征。因而，利用分形理论能够很好地探索柴油机颗粒物的形貌特征及其组分之间的内在联系，为柴油机一次颗粒物从形貌角度表征与辨识提供有效手段。然而，目前尚缺少将分形理论作为柴油机颗粒物形貌表征的方法。

针对上述不足，提出一种柴油机颗粒物形貌表征方法，该方法简单、便捷，所得盒维数能够客观、有效地反映一次颗粒物的形貌特征。

发明内容

本发明目的是为了表现柴油机一次颗粒物的形貌特征，提出一种颗粒物形貌的表征方法。

本发明包括采集待测颗粒样品、待测颗粒样品的萃取、获得颗粒样品形貌的电镜灰度图像、对电镜灰度图像进行二值化处理、提取颗粒图像的轮廓边界、图像网格的划分以及颗粒样品盒维数的计算。

所述采集待测颗粒样品采用微孔均匀沉积式采样器MOUDI(Micro-Orifice Uniform Deposit Impactors)分级采集柴油机排气通道中不同空气动力学直径的颗粒物作为待测样品。

所述待测颗粒样品的萃取利用丙酮试剂，通过超声振荡和离心的方法对待测颗粒样品进行提取。

所述获得颗粒样品形貌的电镜灰度图像将含有颗粒物的溶解液粘附导电胶表面，喷金后得到颗粒分析样品，再利用场发射扫描电子显微镜分析样品，获得灰度值介于0～255之间的电镜灰度图像。

所述对电镜灰度图像进行二值化处理包括确定门限阈值、获得二值图。

所述确定门限阈值采用最大类间方差法。设图像灰度值介于1～m，灰度值i的像素点个数为n_i，可得到：

式中，N为像素点总数，p_i为各灰度值出现的概率。再用T(T为1～m之间任意一个灰度值)将灰度值分成两组，分别为C₀＝{1～T}和C₁＝{T+1～m}，则每一组出现概率如式(3)、(4)，且每一组平均灰度值如式(5)、(6)：C₀出现概率为：

C₁出现概率为：

C₀的灰度平均值为：

C₁的灰度平均值为：

式中，w₀、w₁分别是C₀、C₁产生的概率；μ₀、μ₁分别是C₀、C₁的灰度平均值。整个图像的灰度平均值是阈值为T时灰度平均值是

由上述得到式(7)：

μ＝w₀μ₀+w₁μ₁，w₀+w₁＝1 (7)

两组间的方差可用式(8)求出：

从1～m改变T，求式(8)为最大值时的T，即要求maxδ²(T)时的T^*值，此时，T^*便是门限阈值。δ²(T)称做阈值选择函数。

所述获得二值图，根据确定的门限阈值判断：若物体像素值大于或等于该阈值的像素，则此区间像素值用1表示；若物体像素值小于该阈值的像素，则此区间像素值用0表示。继而得到只有0、1像素值的二值图。