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图像处理在等离子体物理中的应用 摘要 弹丸注入是核聚变反应堆补充核燃料的重要手段，弹丸在其消融过程中与等离子体的相互作用的物理机制是核聚变研究中的重大课题之一。在HL-2A托卡马克装置成功实现了弹丸加料，本文采用高速CCD拍摄机记录当弹丸加料实验中注入弹丸时生成的弹丸消融云图像，采用图像分割技术分析弹丸消融云的演变过程，研究弹丸与等离子体相互作用的物理机制。 由图像分割技术得到的弹丸消融云的演变，提取弹丸在飞越等离子体过程中的极向场信息，可以分析托卡马克物理实验中非常重要物理参数等离子体的电流分布。研究弹丸跨越有理磁面过程的消融云图像的演变，直接获取到有关磁流体稳定性有关的信息，特别是在q=1磁面内外极向场的变化是我们进行理论研究的实验依据。 关键词：等离子体；弹丸消融；图像分割；边缘检测；阈值分割； 1.引言 随着我国国民经济的发展对能源需求的加大和我国加入ITER研究开发计划，我国加大核聚变研究的力度，在核聚变反应堆研究中，核燃料的补充是核聚变反应堆面临的首要解决的一个重要问题，近年来在各种大型托卡马克装置上的实验证明弹丸注入是解决这一问题的重要手段，而弹丸在其消融过程中与等离子体相互作用复杂的物理机制已成为核聚变研究中的重大课题之一。本文采用高速CCD拍摄机实时记录弹丸加料实验中注入弹丸时弹丸消融云图像数据，通过对弹丸消融云的数字图像进行研究，继而研究弹丸消融过程与等离子体的相互作用的物理机制和提取极向场信息，研究等离子体磁流体稳定性。 数字图像处理（Digital Image Processing）又称为计算机图像处理。数字图像处理是通过计算机对图像进行去除噪声、增强、复原、分割、提取特征等处理的方法和技术。数字图像处理的产生和迅速发展主要受三个因素的影响:一是计算机的发展;二是数学的发展(特别是离散数学理论的创立和完善);三是图像处理技术在许多应用领域受到重视的程度，属于这些领域的有生物医学工程、工业检测、机器人视觉、等离子体物理、军事等，使图像处理成为一门引人注目、前景远大的新型学科。 本文所采用图像分割技术将为弹丸注入实验进行两个方面的研究提供理论依据，一是由弹丸消融速度和轨迹，研究弹丸与等离子体相互作用的物理机制； 二是由弹丸消融云的演变，提取弹丸在飞越等离子体过程中的极向场信息，推算托卡马克物理实验中非常重要物理参数等离子体电流分布。研究弹丸跨越有理磁面过程消融云图像的演变，直接获取到关于磁流体稳定性的信息，特别是在q=1磁面内外极向场的变化的实验数据，进行磁流体稳定性理论研究。数字图像处理在该领域扮演着举足轻重的作用。 图像分割是将图像中有意义的特征部分提取出来，其有意义的特征有图像中的边缘、区域等，这是进一步进行图像识别、分析和理解的基础。虽然目前已研究出不少边缘提取、区域分割的方法，但还没有一种普遍适用于各种图像的有效方法。因此，对图像分割的研究还在不断深入之中，是目前图像处理中研究的热点之一。在等离子物理方面图像分割也拥有着及其重要的作用，国际热核聚变堆(ITER)的芯部加料问题是一个非常重要的热点问题。我们在本研究课题中将要找到某些新的改善芯部加料的最佳工作方式和新的靶丸注入方式。HL-2A已经对5种氢同位素组合的固态靶丸H2，HD，D2，DT，T2进行了数字模拟在聚变等离子体中消融过程的同位素。他们的模型对ITER设计参数作了数值计算。结果表明ITER芯部加料的困难问题有了转机。但由于靶丸消融过程非常短暂所以不容易分析极向场，故而对这一过程采用CCD进行图像采集，通过图像分割将靶丸消融时产生的弹丸消融云从图像中分割出来，进而分析弹丸消融的梭型云，从而进行极向场的进一步确定。 2.图像分割方法 图像分割方法分类：图像分割(Image Segmentation)就是把图像分成各具特性的不同区域并将感兴趣区域(Region of Interest，ROI)提取出来的过程和技术。图像分割从整体上可分为两大类，即基于边缘检测的方法和基于区域跟踪的方法。 对分割算法的确定和选择需要根据不同的目标图像和分割目的相关的特点，综合运用各种图像分割技术和算法，才可以达到最佳的效果。 2.1基于边缘检测的方法 基于边缘检测的分割方法是通过检测相邻像素灰度值的突变性或不连续性来获得不同区域之间的边缘，从而将图像分成不同的区域。在数学中，边缘点表示为图像一阶导数的极大值点或二阶导数的零点，边缘检测的相关算子可以检测出这些边界点。其具体操作是通过图像滤波来完成的。而图像滤波的方法则是基于卷积运算实现的如性质： (1) 对图像进行滤波就是用某个滤波算子与图像作卷积运算。根据上式，对图像卷积与滤波算子的结果求一阶导数，相当于用图像与算子的一阶导数做卷积。高阶导数有相同的结果。这样，只要事先给出算子的一阶或