气体放电随机现象的图像智能化分析.pdf

本文采用高速相机记录气体放电信息，获得高分辨率的空间与时间的视频数据通过分析其放电图案，发现其为树状分形结构，其单个放电点和多个放电点的分形维数分别为和利用课题组采用编写的软件，对获取的大量的图像信息进行智能化的轮廓识别和质心标记，获取了每个放电条件下，张相邻时间间隔为 的图像的放电点的位置分布信息结果显示，放电点数在空间内出现的位置概率接近高斯分布，其出现的时间间隔分布接近指数衰减关键词：随机现象；气体放电；图像处理；智能化识别中图分类号：文献标识码：文章编号：（）【】气体放电是一种电学随机物理现象，其随机性体现在击穿路径的曲折和分叉，以及放电须的位置和个数气体放电是由于气体中存在足够的电压差，导致自由电子对气体分子的激发、电离、消电离、迁移等过程由于在原子尺度下的物质运动极难准确的描述，尤其对某个特定的原子或电子，这就导致了极难对放电产生的位置和时间（即时空演化）进行准确的描述随着计算机软件的进步，对于大量的随机数据的统计，可通过借用计算机的智能化分析，显著降低在物理实验中对数据分析的难度，挖掘现象，探索规律本文通过高速摄像机获取了高时间和空间分辨的气体放电的图像信息结合采用软件自编的程序，成批量地对数量巨大（单一条件，张）放电照片中的放电点轮廓进行智能识别，并计数利用采集的信息，对放电点的空间位置和时间进行分布统计，研究其分布规律气体放电原理与随机分形放电流注发展过程流注击穿通常发生在较高的（气压与电极间距的乘积）值下，其核心思想是：气体击穿时，只有一个电子雪崩通过放电空间，而这个电子雪崩引起了迅速扩展的通过放电空间的流注的出现电子雪崩指的是电子在向阳极运动的过程中与气体粒子发生碰撞电离反应，产生新的电子，新生的电子在向阳极运动时同样也能使气体粒子电离，于是电子在向阳极运动的过程中变得越来越多，像雪崩式的增殖当流注到达极板后，微放电通道随即建立，带电粒子在通道内输运并积累在介质层上，产生反向电场，导致放电熄灭，放电丝数量CopCpCppy图气体放电装置示意图假定某时刻外加电压为，那么在不考虑壁电荷的影响时，放电空间的电场强度为（）其中和分别为介质和放电气体介电常量放电空间的平均电流密度为（）其中为电子电荷量，为电子密度，为电子质量，为电子的有效碰撞频率第期蓝梓航，等：气体放电随机现象的图像智能化分析 （）（）放电细丝的数量的变化是非线性现象，与电流密度、放电区间大小（即）均有关系，且很难描述为具体的数学公式总体说来，细丝模式下，放电丝数与电介质层厚度、放电气隙宽度和外加电压大小相关气体放电分形气体放电中存在随机分形的现象分形现象是在自然界和人类社会中普遍存在的现象，由于其现象往往展现出美丽而神秘的视觉效果，吸引了普通大众的广泛兴趣在气体放电中，随机成长的放电细丝会自发的、有规律的组成分形图案这种随机而秩序的统一，构成了看似矛盾的组合，展现出了物理世界的神秘分形维数（），是描述几何形状复杂程度的统计量如果一个图形的分形维数越大，那么这个图形越“粗糙”，放大之后也能看到很多细节，即这个图形更复杂，它的计算公式为 （）（）式中是小立方体一边的长度，（）是用此小立方体覆盖被测形体所得的数目，分形维数是通过用边长为的小立方体覆盖被测形体，计算并确定形体的维数一般分形维度是介于到之间的小数实验装置与方法放电装置图为自制的随机放电研究装置实验中采用介质阻挡放电的方式，利用高压交流电源作为功率源，利用或 混合气作为放电气氛采用透明导电玻璃（）作为电极，通过架设在放电装置正下方的高速相机记录放电的位置信息及图案实验中相机的拍摄速率为 ，曝光时间为 C1C2RTFTO实验装置示意图 实物图图实验装置图像处理方法通过软件对所得的视频进行逐帧分析，通过算法对放电中心点的位置进行轮廓和质心智能识别，并统计其数量，结合放电帧数的时间间隔，获取放电点在时间和空间中的分布信息，然后绘制成数据分布图结果与讨论气体放电的分形图为通过高压探头和电流探头采集的气（流量为）放电的电压电流曲线电压峰峰值分别为为、图中可以发现，中，在电压上升沿处出现放电丝，放电丝的数量为，与图中的放电点对应 中的放电丝的数量为数个，同样与图中的放电点的数量吻合 中出现大量的放电丝，大小也显著增加，图中的放电图案显示了相同的细节0.20.3420244020204000.00.1/kV/mA/ms0.20.3420244020204000.00.1/kV/mA/ms 0.20.3420244020204000.00.1/kV/mA/ms 图峰峰值分别为、和 的气放电电压电流曲线 大学物理第卷CopCypCrp 图不同 放电气氛下的图案表显示了不同电压下的放电图像在电压较低的时候，放电主要由一个放电点和放电须组成，随着电压的增大，放电点的数量显著增加，放电须的数量出现连接现象当电压增加到 时，放电点及放电须充斥电极空间，并随着时间发生位置和形状变化不同电压下的图像中都出现显著的放电分形现象，并为树状分形结构表不同放电电压下的放电图像ight(c)c 20-Bej(c)c n0FBej(c)c o0FBejuudr02udFud 通过式（），对张放电图进行分形维数计算放电电压为 计算其分形维数为，电压为 分形维数为 放电由于放电丝相连，无法分辨，所以未进行计算气体放电的时空分布为了进一步研究放电点在放电区域的分布，实验中在 电压下，引入电负性气体抑制放电中电须的产生，促使放电中心点清晰，便于分辨其结果如图所示结果显示，随着含量的增加，电须明显减少在 的气氛下，放电中心点清楚，无明显电须产生如图（）所示，通过对放电中单张照片进行轮廓识别，然后标注其质心，提取其在图片中的二维位置信息对实验中所获得的张图像重复此分析，将所得数据存储考虑放电点直径约为 和放电区域为，将放电区域划分为的个网格，足以给出较高的分辨率，且不易分割放电点（识别中采用放电点轮廓的质心作为统计依据，避免多次计数）将所得数据绘制为放电次数热图，如图（）所示放电点在电极边缘区域出现次数较多，这是由于电极的边缘效应引起的实验中，电极为长方体结构，其边缘区域较为尖锐在强电场作用下，物体表面曲率大的地方（如尖锐、细小物的顶端），等电位面密集，电场强度剧增，致使它附近更容易击穿，产生更多的放电丝同时其附近会出现放电较少的部分（白色区域），这是由于边缘放电会导致其附近的电子被吸引到其它通道，很难再出现放电其余部分，放电点分布较为均匀软件识别单帧中放电中心个数及位置CoopoyoroiooCopoyoroiogoopooroogoohooCoooCpooCroo放电中心点的出现次数热图图软件进行图像识别通过统计相同放电点的网格数并绘制直方图（如图所示），研究区域内出现放电次数的概率分布数据显示，在放电点接近于的区域出现高峰，此对应于在放电边缘区域引起的白色区域同时，边缘区域同样导致了较多放电点的出现，其值在分布的右侧区域在放电点数为 的区间内，其分布接近于高斯分布通过拟合，得到其分布曲线第期蓝梓航，等：气体放电随机现象的图像智能化分析 为：槡op，其中 ，CopCyooyrCyCoypCrooyioyCoyrogohotooorC图网格数量随单位网格内放电点数量的变化选取中心附近位置的单个网格（网格大小与放电点大小相近），对其出现放电的帧数进行统计鉴于实验中采用的 ，就可以获得单个网格中出现相邻放电中心的时间间隔，对其进行统计，得到如图的分布指数拟合其曲线如虚线所示，为：其中，可以看到，除了放电时间在 的时间内的数量与拟合曲线偏差较大，其余部分拟合较好分析认为，由于放电点的有效寿命小于，而高速相机的曝光时间为，导致可能会多次记录，使其在短时间间隔的统计数量多于长时间间隔统计数量总结本文通过介质阻挡放电产生了具有分形的放电图案，得到了大量位置和时间上随机出现的放电点和放电须通过加入电负性气体，抑制了放电须的出现，增加了放电点在图像处理中的可识别性采用高速相机，得到了在空间和时间尺度上高分辨的数据，利用软件的智能轮廓识别和质心标记功能，获得分布数据研究发现，相同放电点数在空间内出现的位置概率接近高斯分布，其出现的时间间隔分布接近指数分布特点CopoyCooyrooyiooyooopooCoorooiooooioro/ms图相邻两次放电时间间隔的分布致谢感谢东华大学理学院张菁教授和郭英高级实验师在实验部分给予的帮助，感谢闫理坦教授在数学分析中给予的指导参考文献：樊智慧空气流对大气压介质阻挡放电特性影响的实验研究大连：大连理工大学，（）：王良，唐晓亮，邱高，等发射光谱法测量常压介质阻挡放电氩等离子体的放电参数大学物理，（）：李雪辰大气压介质阻挡放电中微放电特性研究保定：河北大学，彭国贤气体放电等离子体物理应用上海：知识出版社，：曹云东，苑东升，刘晓明基于分形理论的平板电极气体放电模拟沈阳工业大学学报，（）：火元莲，张广庶，吕世华，等闪电的分形特征研究及其在自动识别中的应用物理学报，（）：赵凯华，陈熙谋电磁学版北京：高等教育出版社，：霍岩大气压氩气介质阻挡放电的电学特性和发射光谱研究大连：大连理工大学，（，）：，大学物理第卷 ，：；（上接页）价带空穴电导有效质量另一方面，硅和锗的价带顶部位于空间原点处，能量极值点附近的等能面具有如下形式：（槡）（）其中为自由电子质量，、和为常数，号对应重空穴和轻空穴两个能带由于价带顶部附近空穴与电子的有效质量互为相反数，不难推导，此处轻、重空穴的平均倒易有效质量也是各向同性的但轻、重空穴能带的态密度并不相同，因此，倒易电导有效质量应取轻、重空穴有效质量的加权平均值，在理论上并不满足各向同性综上所述，三维空间中半导体载流子的倒易有效质量是一个二阶张量，当存在对称的等能面时，倒易电导有效质量为各等能面倒易有效质量的平均值通过研究半导体硅和锗的能带结构发现，它们的导带电子电导有效质量具有各向同性的特点，而由于价带两个等能面并不对称，空穴电导有效质量在理论上不具有各向同性通过对这一问题的探究有助于学生深入理解半导体能带结构和有效质量，同时领会对称性分析的重要作用参考文献：刘恩科，朱秉升，罗晋生半导体物理学版北京：电子工业出版社，：叶良修半导体物理学版北京：高等教育出版社，：施敏，伍国钰半导体器件物理耿丽等，译西安：西安交通大学出版社，：，：桑芝芳，陈鸿莉，高雷各向异性介质中群速度的讨论大学物理，（）：，：，（）：马遥，庞蜜半导体中电子回旋共振有效质量的量子理论推导大学物理，（）：（，）：，：；