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锅炉的安全运行在很大程度上取决于燃烧的稳定性，煤粉锅炉要求在炉膛内组织稳定、均匀的火焰，保证强烈充分的燃烧，防止引发炉膛爆燃事故。对于煤粉炉，燃料在炉膛内悬浮燃烧，它的工况是极不稳定的脉动燃烧，炉内的温度场分布也不均匀。如果燃烧不稳定，产生脉动和火焰内动易引起炉膛压力不稳，造成炉墙损坏。如果炉内温度场不均匀，造成炉膛温度场的偏移，使离火焰中心近的水冷壁过热或结焦，容易引起热应力过高造成爆管，而离火焰中心远的水冷壁管则由于加热不足破坏锅炉水循环平衡，金属热应力增加，使锅炉寿命减少。如果炉内温度场不均匀，低温煤粉得不到充分燃烧，效率降低，还影响过热器的工作。因此，迫切需要实时监控燃烧过程，加强对燃烧过程的判断、预测和诊断。
燃烧火焰的温度场检测是燃烧领域一个极其重要的问题，它对于燃烧状态的判断、预测和诊断有着十分重要的意义。在工业运用方面，对于火力发电、供热锅炉、工业窑炉、冶金等一系列使用工业炉的生产过程，有效控制炉内的燃烧过程，是提高生产效率和节约成本的必要手段。
鉴于温度参数对于燃烧火焰燃烧过程的重要性，温度测量方法的研究一直是燃烧领域的热点问题。研究学者们基于物体的某些物理化学性质（物体的几何尺寸、颜色、导电率、热电势和辐射强度等）与温度的关系，开发了形式众多的温度测量方法。从传感器与被测物的关系来看，大致可分为两类 [8，9] ：接触式测温方法和非接触式测温方法，以下分别进行简单介绍。
1．接触式测温方法
所谓接触式测温方法：即两个物体接触后，在足够长的时间内达到热平衡，两个互为热平衡的物体温度相同。如果将其中一个选为标准并当做温度计使用，它就可以对另一个实现温度测量，这种测温方式称为接触式测温。这种方法不受火焰的黑度、热物理性参数等因素的影响，可以直接求得被测物体的真实温度，具有测温精度高、使用方便等优点。但是，对于火焰这样具有瞬态脉动特性的对象，接触式测温方法很难测量出火焰真正的温度场分布。
2．非接触式测温方法
所谓非接触式测温方法，即选为标准并被当做温度计使用的物体与被测物体相互不接触，利用物体的热辐射或其他一些特性，通过对辐射能量（或亮度）的检测实现测温。分为两大类：一类是通过测量燃烧介质的热力学特性参数，进而求解出温度；另一类是利用高温火焰的辐射特性，通过光学法来测量温度。
非接触式测温方法由于测温元件不与被测对象接触，不会破坏被测对象的温度场，同时感温元件传热惯性小，可用于测量快速变化及不稳定热力过程的温度。其测量上限不受材料性质的影响，可在工业炉、焊接、火箭发动机等高温场合应用。但其工作时，必须要有可供热辐射光谱传播的通道（光路），即非接触式测量方法通常需开设光学窗口，窗口的透过率经常由于局部污染而产生不均匀性地减弱，这增加了火焰温度测量的困难。
近年来，随着计算机技术和半导体技术的发展，出现图像采集卡和CCD图像传感器以后，使数码摄像机、数码相机输出的视频信号能转化为计算机可以处理的数字化图像，这样可以对火焰图像信号进行定量分析，又为火焰的后续分析和自动监控提供了可能。目前，越来越多的学者将数字图像处理技术与热辐射原理相结合，用以测量火焰动态投影温度场分布等参数。
我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，以燃煤为主的火力发电机组在我国电力工业中占主导地位。在火电生产行业中，随着电站煤粉锅炉容量的增大，大型电站煤粉锅炉的安全性、经济性问题更加突出，对机组的燃烧调整提出了很高的要求。国家在环保方面的各项指标趋于高标准、严要求、重治理。同时电力企业也要求自身挖掘潜力，降低成本，安全运行。因此，燃煤发电的安全、经济运行，清洁燃烧对企业、对环境，有着十分重要的作用。现在大中型火电厂发展的主要趋势是提倡节能与环保，国家对这方面的要求也有明确规定，以后对这方面的要求也将越来越严格。
燃煤锅炉排放的烟气中含有SO 2 、NO x 和粉尘等多种有害成分，其中氮氧化物（NO x ）是重点控制的污染物之一。自 20 世纪 70 年代起，欧、美、日等发达国家相继对燃煤电站锅炉NO x 的排放做了限制，并且随着技术与经济的发展，限制日趋严格。
进入 20 世纪 90 年代以后，世界上主要的锅炉制造商的锅炉设计都是不仅要提高锅炉效率，减少未燃尽碳损失，同时要考虑在锅炉的燃烧系统和炉膛设计中如何降低NO x 生成量。大型的燃煤电厂是全球NO x 排放的主要来源之一。当今世界把电站锅炉产生的有害排放物作为一个重要控制指标，世界发达国家均已制定了电站锅炉NO x 排放标准 [10] 。氮氧化物主要以NO，NO 2 ，N 2 O，N 2 O 3 ，N 2 O 4 ，N 2 O 5 等形式出现，统称为NO x ，在空气中，NO浓度越大，毒性越强，NO 2 的毒性更大。它很易与人体和动物血液中的血色素混合并夺取氧分，使血液缺氧，引起中枢神经麻痹症，NO 2 还强烈刺激呼吸器官黏膜，引起肺部疾病。还对人体的心、肝、肾脏及造血组织有损害，严重时会导致死亡。NO和NO 2 会破坏同温层中的臭氧层，使其失去对紫外线辐射的屏蔽作用，危害地面生物。大气中有NO x 与SO x 及粉尘共存，生成硫酸或硫酸盐溶液和硝酸或硝酸盐溶液，形成酸雨。由于NO x 对人类和自然界存在危害，必须控制NO x 的生成和排放。因此实时预测NO x 的排放量并及时进行燃烧调整对燃烧的清洁性非常重要 [11] 。
目前电站煤粉锅炉SO 2 的排放量控制主要依靠烟气脱硫技术处理。CO 2 的处理还没有比较成熟的技术可供工业采用。而氮氧化物的生成机理更为复杂。曾经认为采用流化床燃烧技术，可以使NO x 排放量减少 80%～90%。但是最新的研究表明，流化床低温燃烧出现的N 2 O排放是一个更为严重的污染问题。N 2 O俗称笑气，其在大气中的持续作用时间可以达到 30 年，是一种对大气臭氧层破坏性极强的有害气体，同时对人的神经系统具有毒害作用。而流化床低温燃烧是产生N 2 O的最大污染源。因此，控制氮氧化物的排放必须同时考虑到NO x 和N 2 O。而煤粉燃烧属于高温燃烧，只产生NO x 。可以预测，煤粉燃烧仍将是今后的主要燃烧技术。因为采用吸收技术处理NO x 的成本比较高，故NO x 的处理技术主要是通过燃烧过程控制。目前NO x 控制技术是通过分级配风的低氧燃烧和降低燃烧器区域的温度实现的。控制电站锅炉燃烧过程产生的污染物的根本性措施是进行综合治理，即提高能源利用率，控制能源消耗和继续开发效率更高的低污染燃烧技术。
近年来对煤在燃烧过程中NO x 的形成，以及开发低NO x 燃烧技术等方面有较多研究 [12，13] ，但对已在运行的大型煤粉锅炉NO x 的排放特性和从运行上调整控制燃烧中NO x 的生成，研究的仍然不多。对NO x 的排放的研究也仅限于借助CFD，可靠性往往只是通过定性分析进行验证，这很难保证对燃烧火焰NO x 生成量的准确预测。通过CFD软件平台，以计算机数值模拟为研究手段对燃煤电站锅炉进行研究是一种常用的方法，也有不少这方面的研究文献，但是多数文献只是对一种工况进行了计算，或者是对特定的个别几个不同工况进行计算，比较计算结果 [14] 。很少有系统地针对不同的燃烧工况因素对NO x 生成的影响进行对比分析，以此为出发点，选取合适的数学物理模型，针对实际工业锅炉不同的燃烧工况进行了数值模拟，对影响燃煤工业锅炉NO x 排放浓度的不同因素进行了研究，并与现场测试所得的数据进行对比，为优化电站锅炉的运行，降低工业锅炉的NO x 排放提供依据。
数字图像处理涉及了很多应用，是一门综合性很强的交叉学科，是未来技术向智能化发展的最富有前景，也最富有挑战的领域。数字图像处理技术涉及数学、计算机科学、模式识别、人工智能、信息论、生物医学等多种学科，是一门多学科交叉应用技术。图像技术内容十分丰富，如图像获取、图像编码压缩、图像存储与传输、图像变换、图像合成、图像增强、图像复原与重建、图像分割、目标检测、图像表示与描述、图像配准、图像分类与识别、图像理解、场景分析与理解、图像数据库的建立、索引与检索及综合利用等。其主要内容有图像变换、图像增强、图像复原、图像压缩、图像分割。其中主要应用了图像压缩。由于图像数据量的庞大，在图像的存储、传输、处理时非常困难，而图像压缩通过减少图像数据中的冗余信息从而用更加高效的格式存储和传输数据，因此图像数据的压缩就显得非常重要。图像变换中的变换都是酉变换，即变换核满足正交条件的变换。经过变换后的图像往往更有利于特征抽取、增强、压缩和图像编码。图像增强是增强图像中的有用信息，将原来不清晰的图像变得清晰或强调某些感兴趣的特征，从而达到增强视觉效果的目的。图像复原则通过处理退化图像使之更趋近于原图，满足人们视觉上的需要。图像分割是在一幅图像中，把需要的图像从背景中分离出来，以便于进一步处理 [15] 。
数字图像处理方法大致可以分为两大类，即空间域处理法（或称空域法）和变换域处理法（或称频域法）。
1）空域法
空域法把图像看做平面中各个像素组成的集合，然后直接对其进行相应的处理。空域法主要有邻域处理法，涉及梯度运算、拉普拉斯算子运算、平滑算子运算和卷积运算。
2）变换域法
变换域法首先要对图像进行正交变换，得到变换系数阵列，然后再进行各种处理，处理后再逆变换到空间域，得到处理结果。
这类处理主要包括滤波、数据压缩、特征提取等。
目前，锅炉燃烧检测一般采用工业电视监视的方法，即炉膛安全监视系统（Furnace Safeguard Supervisory System，FSSS）。其功能单一，仅通过火焰颜色和亮度来判断锅炉的燃烧状况，以保护燃烧火焰不会熄灭，它能在锅炉正常工作和启停等各种运行工况下，连续地密切监视燃烧系统的参数和状态，不断地进行逻辑判断和运算，必要时发出动作指令，使燃烧设备按照合理的程序完成操作，以保证锅炉燃烧的安全。但它主要集中在火焰“有”或“无”的判断上，却不能实现定量判断和联入自动控制系统。近年来计算机技术的发展，进一步拓宽了火焰电视的功能，使其由保证锅炉的安全运行向提高运行经济性、降低污染物排放（清洁燃烧）、实现燃烧的在线诊断等更高层次的领域发展 [16] 。
在实际应用中，如在氧化铝回转窑、锅炉燃烧等系统中常用CCD摄像机采取火焰图像。CCD摄像机是火焰检测装置的一次传感元件，其视野宽阔，图像清晰，能适应恶劣的生产环境。它是数字图像采集硬件系统中一个关键部件。它由CCD电荷耦合器件加上各种功能电路组成。CCD电荷耦合器件由一系列MOS电容器阵列组成，集光电转换、电荷存储和电荷转移于一体。工业CCD摄像机已经越来越广泛地应用于工业诊断和过程监视中。CCD摄像机将所拍摄的火焰图像经由同轴电缆送至计算机上的图像采集卡，图像采集卡将视频信号转换成数字信号。对所接收到的信号在计算机中进行相应的处理，如图像分割，分割出有用信息，进而提取出有用参数，最终根据这些数据去实现系统的控制 [17] 。
由于所拍摄的火焰图像是彩色图像，因此应先进行图像的预处理——图像的灰度化和亮度调整，预处理完成之后再对图像进行去噪滤波，在去噪滤波后的图像基础上再以最大类间方差法（OSTU）对图像分别进行分割，最后对分割出的图像进行标记和边缘提取，最终分割出火焰图像并提取出火焰图像特征。具体的处理流程图如图 2-1 所示。
图 2-1 火焰图像分割流程图
为提高计算机的视觉功能。增强计算机的分析和识别能力，需对原始图像的噪声进行去除和修正。这种突出有用信息，抑制无用信息和改善图像质量的处理技术，称为图像的预处理，经过处理后，输出图像质量得到明显改善，便于计算机对图像进行分析、处理、识别和理解。图像预处理主要是用来改善图像质量，对图像进行相应的变化，为后面的分析做准备。