本發(fā)明屬于火焰溫度測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于光場分層成像的燃燒火焰三維溫度場測量系統(tǒng)及其方法。

背景技術(shù)：

光場相機通過在主透鏡和圖像傳感器之間安置一個微透鏡陣列，成像系統(tǒng)可以同時分辨光線的強度信息和方向信息，使傳感器能夠采集被攝對象的四維光場數(shù)據(jù)。光場相機具有先拍照后對焦的特點，可以有效的捕捉更大范圍的場景深度，展示真實場景的三維結(jié)構(gòu)，光場成像技術(shù)逐漸應(yīng)用于航空航天、三維重建、安全監(jiān)視等諸多領(lǐng)域。

火焰溫度場分布是判斷火焰燃燒狀態(tài)的重要標準。實現(xiàn)三維火焰溫度場分布的測量，對于揭示燃燒現(xiàn)象的本質(zhì)和燃燒過程的規(guī)律以及促進燃燒理論的發(fā)展都有著重大的意義。目前，火焰溫度場的測量方法主要可分為接觸式和非接觸式兩種。非接觸式的測量方法具有測量范圍寬、動態(tài)響應(yīng)快、對流場影響小等優(yōu)點。隨著ccd圖像傳感器技術(shù)與計算機視覺理論的發(fā)展，非接觸式的光學(xué)測量方法被越來越多的研究人員使用。

目前火焰的非接觸式測量方法主要有以下幾種?；谕队暗腸t層析方法，至上而下獲得火焰截面，利用插值算法對火焰溫度場進行了三維重建，利用全息干涉ct法結(jié)合迭代重建技術(shù)重建了火焰溫度場，利用莫爾偏折的火焰溫度場ct測量方法等。但這些層析測量的方法普遍所需設(shè)備多、光路復(fù)雜、耗時長，不易在工業(yè)火焰溫度場測量中推廣，且ct層析方法在缺少大范圍角度信息的情況下，火焰信息重建誤差很大。也有研究人員使用單相機單光路系統(tǒng)對燃氣火焰的截面溫度分布進行了重建，但實驗中必須假設(shè)火焰形狀和結(jié)構(gòu)呈軸對稱狀，不符合火焰實際情況。基于傳統(tǒng)相機移焦或變焦攝像的光學(xué)分層成像溫度測量方法，將三維發(fā)光物體看成多個平行的二維發(fā)光斷層的組合，對某一平面聚焦拍攝所成的像是該斷層的原始像和其他斷層的離焦像的疊加像，對圖像進行反演獲得每一斷層的原始圖像信息，該法設(shè)備簡單，計算速度快，但每次拍攝火焰后都要電動機帶動相機來改變相機拍攝位置或帶動鏡頭變焦，而火焰每時每刻都在變化，這種方法的圖像序列獲取方式存在很大的延時誤差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明利用光場相機特點，一次拍攝便能將空間的四維光場數(shù)據(jù)都儲存在同一張原始光場圖像上，結(jié)合重聚焦技術(shù)獲得聚焦在火焰不同斷層面的火焰圖像序列，通過實驗的方法獲得圖像的點擴散函數(shù)，最后利用圖像反演算法便可實現(xiàn)高精度、實時性的火焰分層成像，進而實現(xiàn)三維溫度場分布的重建。

本發(fā)明公開了基于光場分層成像技術(shù)的火焰三維溫度場測量系統(tǒng)，包括火焰產(chǎn)生裝置、光場相機以及數(shù)據(jù)分析儲存裝置；其中：

所述火焰產(chǎn)生裝置，用于產(chǎn)生火焰；

所述光場相機，用于獲取火焰在不同幾何斷層上的四維光場信息，并將所采集的四維光場信息傳輸至數(shù)據(jù)分析儲存裝置；

所述數(shù)據(jù)分析儲存裝置，采用重聚焦技術(shù)，對光場相機所反饋的火焰的四維光場信息進行重聚焦處理，得到聚焦在火焰不同幾何斷層面的火焰圖像序列；然后采用反卷積技術(shù)，對所得到的火焰圖像序列進行反演計算，反演出每一斷層的原始信息，進而得到每個斷層上的火焰輻射強度值，從而獲得火焰的溫度分布；

火焰產(chǎn)生裝置所產(chǎn)生的火焰處于光場相機的拍攝視域內(nèi)，而光場相機與數(shù)據(jù)分析儲存裝置之間信號連接。

本發(fā)明還公開了一種基于光場相機分層成像技術(shù)的火焰三維溫度場測量方法，包括以下步驟：

步驟一：根據(jù)火焰尺寸大小，對火焰進行幾何分層，并對每一幾何斷層位置到光場相機的距離進行標定；

步驟二：在每一火焰幾何斷層的對應(yīng)位置設(shè)置標定板，獲取標定板的圖像，以求取對應(yīng)位置的點擴散函數(shù)；

步驟三：對火焰進行拍照，獲取火焰的四維光場信息，對火焰的四維光場信息進行重聚焦處理，獲取火焰在不同幾何斷層聚焦的火焰疊加圖像序列；

步驟四：結(jié)合步驟二所得到的火焰在不同幾何斷層的點擴散函數(shù)，對相應(yīng)幾何斷層上的火焰疊加圖像序列進行反演計算，反演出每一斷層的原始光亮度分布信息；

步驟五：根據(jù)圖像灰度與輻射強度、溫度之間的對應(yīng)關(guān)系，求取火焰的每一幾何斷層的溫度場分布，進而實現(xiàn)三維溫度場分布的重建。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)對比有以下有點：光場相機一次拍照即可采集四維光場信息，無需對鏡頭進行變焦或改變相機位置，利用重聚焦技術(shù)便可獲取每一個聚焦平面的火焰圖像，對于實時變化的火焰具有極高的時間分辨率；火焰位置及點擴散函數(shù)的標定方法簡單，運算速度快，可以脫離火焰單獨標定；本測量系統(tǒng)采用單光路，設(shè)備少，操作簡單，對測量環(huán)境限制少，非接觸式的裝置結(jié)構(gòu)對火焰的溫度分布影響小。

附圖說明

圖1是重聚焦距離標定原理圖。

圖2是清晰度曲線圖。

圖3標定板直邊區(qū)域圖。

圖4灰度擬合曲線圖。

圖5透明發(fā)光體成像原理圖。

圖6火焰光場原始圖像。

圖7是本測量方法的裝置圖,

其中：1-蠟燭；2-光場相機；3-計算機。

圖8火焰重聚焦圖像。

圖9火焰原始光亮度分布圖。

圖10火焰溫度場分布圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。本實施例中光場相機采用德國raytrix公司的r29型光場相機。

本發(fā)明一種基于光場相機分層成像技術(shù)的火焰三維溫度場方法，包括以下步驟：

步驟一：利用如圖1所示的方式對傾斜的、帶有刻度的標尺進行重聚焦，得到一張包含距離信息且清晰度區(qū)別分明的圖片，將攝取得到的標尺照片沿刻度方向進行n等分成不同的部分，對每一部分進行eva點銳度函數(shù)清晰度計算，公式如下：

式中：df表示圖像灰度變化的幅值，dx表示相元之間的距離，df/dx計算時取該像素的8個鄰域，m表示圖像的像素數(shù)。

獲得清晰度曲線圖，如圖2所示，清晰度最大的部分即為重聚焦的聚焦面，再將此處對應(yīng)的標尺刻度換算成水平的距離d，實現(xiàn)重聚焦位置及間距的標定。

步驟二：將火焰區(qū)域劃分為4層，每一斷層面的位置由步驟一計算獲得。將標定板分別放置在第1、2、3和4層火焰所在的位置，相機獲取標定板位于各分層位置的4幅圖像。采用高斯點擴散函數(shù)，其公式表示如下：

式中，σ為高斯離焦模型的參數(shù)。

點擴散函數(shù)沿線方向的積分為線擴散函數(shù)，其物理意義為線光源所成像的亮度分布。對式(2)沿y方向積分可以得到線擴散函數(shù)l(x)，它同樣服從高斯分布：

選用包含直邊且具有一定反差的兩塊相鄰亮、暗圖像區(qū)域進行運算，如圖3所示。直邊光源可用階躍函數(shù)表示：

step(x)可寫成線光源δ(x)的積分，即：

直邊經(jīng)過成像系統(tǒng)離焦后得到模糊的像，由一個灰度逐漸過渡至另一個灰度稱為刃邊函數(shù)。根據(jù)系統(tǒng)的線性疊加原理，此刃邊函數(shù)e(x)可以寫成線擴散函數(shù)的積分，即：

反之，從刃邊函數(shù)微分也可求得線擴散函數(shù)。

對此直邊圖像區(qū)域的灰度值按照直邊光源的階躍函數(shù)step(x)進行最小二乘擬合，獲得擬合曲線如圖4，確定擬合的刃邊函數(shù)，進而獲得高斯離焦psf函數(shù)(高斯點擴散函數(shù))。

步驟三：對火焰進行拍照，獲取火焰的四維光場信息，火焰的重聚焦像ef(x,y)與光線lαf之間存在以下關(guān)系式：

α是一個調(diào)節(jié)像距l(xiāng)′大小的系數(shù)。改變位置參數(shù)α，即可以得到不同聚焦平面像面上的圖像序列。(u，v)表示光場相機鏡頭平面上的點，而(x，y)則表示聚焦平面像面上的點，點(u，v)與點(x，y)一一對應(yīng)。

步驟四：火焰作為一個厚度為δ的三維半透明發(fā)光體，可以看做由n個發(fā)光平面序列的組合，如圖5所示。本光學(xué)系統(tǒng)對其中的z′平面聚焦成像，所得的圖像g(x,y,z′)，則g(x,y,z′)是z′平面的聚焦像和其它平面的離焦像的疊加像。根據(jù)傅里葉光學(xué)理論，對于線性移不變光學(xué)成像系統(tǒng)，像面上光亮度分布函數(shù)g(x,y,z′)是相應(yīng)物面上的實際光強函數(shù)f(x,y,z)和成像光學(xué)系統(tǒng)點擴散函數(shù)hz′-z(x,y)的卷積，因此g(x,y,z′)可以表示為：

hz′-z(x,y)為在光學(xué)系統(tǒng)聚焦在z′平面，z平面成像時的點擴散函數(shù)，f(x,y,z)表明的是與點擴散函數(shù)hz′-z(x,y)相應(yīng)的物面上的實際光強函數(shù)；

將式(9)離散化：

式中，層數(shù)n＝δ/δz，δz為每層之間的距離，即將三維發(fā)光物體看成n層平行的二維發(fā)光平面的組合。

因此重聚焦的火焰圖像序列可以表示成如下形式：

光場相機拍攝的火焰原始光場圖像如圖6，其裝置圖如圖7。進行數(shù)字重聚焦獲得火焰序列圖像g(x,y,jδz)如圖8所示。式(7)中有n個方程，在步驟三標定出本光學(xué)系統(tǒng)在不同重聚焦平面下的psf信息后，式中就只有n個未知量f(x,y,iδz)，結(jié)合反卷積求解此方程組，解得的f(x,y,iδz)就是火焰的i斷層面的原始光亮度分布，如圖9所示。

步驟五：對于發(fā)光火焰，在可見光范圍內(nèi)，火焰單色輻射強度lλ與溫度t的關(guān)系滿足plank定律，公式如下：

式中：ε為黑度：c1為第一輻射常數(shù)；c2為第二輻射常數(shù)；λ為波長；t為溫度；

根據(jù)灰度g與火焰單色輻射強度lλ的關(guān)系：

g＝φtlλ(d/f)²(13)

式中，d/f是鏡頭孔徑比，φt是儀器常數(shù)。

結(jié)合公式(12)與(13)即可求得溫度場的分布情況，如圖10。從圖中可以看出，外形上，第1、4層的圖像面積較小，2、3層的面積較大，反演圖像的高度和寬度均符合火焰分層外形的結(jié)構(gòu)。溫度上，第1、4層的低溫區(qū)域位置低，2、3層的低溫區(qū)域位置高；每層的火焰分布都是中部邊緣處溫度最高，且各層的火焰分布之間有明顯差別，反映了火焰內(nèi)部的燃燒情況和分層溫度結(jié)構(gòu)，反演所得溫度值也與火焰真實溫度相符合。結(jié)果表明本方法的反演結(jié)果基本符合火焰真實情況，可以實現(xiàn)火焰三維溫度場的測量。