本發(fā)明屬于火焰溫度測量，具體涉及一種光場層析成像系統(tǒng)及火焰三維溫度場重建方法。

背景技術：

1、燃燒診斷技術利用光學、電學等手段對燃料在燃燒過程中的溫度、流速、壓力與濃度等特征參數(shù)進行檢測，為深入了解某個燃燒過程的機理與特性提供重要的信息支持，燃燒診斷技術被廣泛應用于能源、化工、材料與環(huán)境等領域。溫度是反映燃燒過程的重要參數(shù)，燃燒溫度場的準確測量對于污染物排放控制、燃燒設備的設計優(yōu)化、燃燒過程控制等實際生產過程具有重要的指導作用，因此高精度火焰溫度測量方法的研究具有重要的應用價值。熱電偶利用不同金屬或合金接觸時產生的接觸電動勢與接觸點溫度的函數(shù)關系測量溫度，具有結構簡單、測量可靠、測溫量程大的優(yōu)點，可以用于火焰單點溫度的測量。

2、光場層析成像技術由于可以同時記錄火焰輻射光線的強度與方向，只需布置較少的測量視角即可實現(xiàn)火焰三維輻射強度分布的重建。但光場圖像對應的采樣光線無法經過全部測量區(qū)域，光場圖像只是有限視角下空間三維分布的投影，從中獲得的重建信息有限。因此重建計算中方程組的求解具有嚴重的病態(tài)性，重建誤差較大。為了解決現(xiàn)有光場層析成像方法的溫度場重建誤差大的問題，提出一種新的火焰三維溫度場重建方法是十分必要的。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為解決現(xiàn)有光場層析成像方法的溫度場重建誤差大的問題，而提出了一種光場層析成像系統(tǒng)及火焰三維溫度場重建方法。

2、本發(fā)明為解決上述技術問題所采取的技術方案是：

3、基于本發(fā)明的一個方面，一種光場層析成像系統(tǒng)，所述光場層析成像系統(tǒng)包括主鏡頭、微透鏡陣列、中繼鏡和圖像探測器；其中：

4、所述中繼鏡由兩個相同的鏡頭組成，主鏡頭、微透鏡陣列、中繼鏡和圖像探測器共光軸，即主鏡頭的中心、微透鏡陣列的中心、中繼鏡的中心和圖像探測器的中心位于同一條直線上；

5、所述光場層析成像系統(tǒng)沿水平方向置于被測火焰的斜上方。

6、進一步地，所述圖像探測器為rgb相機。

7、進一步地，所述微透鏡陣列是由若干個凸透鏡組成的陣列。

8、基于本發(fā)明的另一個方面，一種火焰三維溫度場重建方法，所述方法具體包括以下步驟：

9、步驟一、通過調整主鏡頭使光場層析成像系統(tǒng)聚焦于被測量火焰，并利用光場層析成像系統(tǒng)拍攝被測量火焰光場圖像；

10、步驟二、利用位于被測量火焰斜上方的熱電偶獲得火焰隨機的nc個點的溫度，并對獲得的各點溫度進行修正，得到各點修正后的溫度；

11、步驟三、將被測量火焰所在的空間區(qū)域作為測量區(qū)域，將測量區(qū)域劃分為各個微元體；

12、根據(jù)光場層析成像系統(tǒng)與測量區(qū)域的相對位置，分別從被測量火焰光場圖像上的每個像素點開始進行火焰輻射光線追跡；

13、步驟四、根據(jù)輻射傳輸方程和火焰輻射光線追跡結果建立重建方程組，基于步驟二中各點修正后的溫度來求解重建方程組得到火焰各個微元體的黑體光譜輻射強度；

14、步驟五、將各個微元體的黑體光譜輻射強度轉換為測量區(qū)域內各個微元體的溫度，完成火焰三維溫度場的重建。

15、進一步地，所述對獲得的各點溫度進行修正，具體為：

16、以火焰的任意一點為例

17、

18、其中，t為該點修正后的溫度，tc為該點的熱電偶測量值，ts為環(huán)境溫度，hc為對流換熱系數(shù)，ε為熱電偶發(fā)射率，σ為stefan-boltzman常數(shù)。

19、進一步地，所述輻射傳輸方程具體為：

20、考慮輻射傳輸路徑介質的吸收、發(fā)射和散射：

21、

22、其中，ibλ(s,si′)是火焰在s位置處、s′方向上的黑體輻射強度，ibλ(s)是火焰在s位置處的黑體輻射強度，βλ(s)是衰減系數(shù)，單位是m-1，κλ(s)是吸收系數(shù)，單位是m-1，σsλ(s)是散射系數(shù)，單位是m-1，φ(s′i,s′)是s′i方向入射的火焰輻射光線向s′方向散射的散射相函數(shù)，ωi是積分區(qū)間；

23、

24、其中，c1是第一輻射常數(shù)，c2是第二輻射常數(shù)，λ是火焰輻射光線的波長，t(s)為火焰在s位置處的溫度，e是自然對數(shù)的底數(shù)；

25、根據(jù)公式(8)得到微元體的穩(wěn)態(tài)輻射傳輸方程為：

26、

27、其中，iλ是火焰輻射光線的光譜輻射強度，ibλ是火焰微元體的黑體光譜輻射強度，τ是火焰輻射光線穿過火焰微元體的光學厚度；

28、τ＝κ·δ?????????????????????????????????(11)

29、其中，κ是火焰輻射光線穿過的火焰微元體的吸收系數(shù)，δ是火焰輻射光線穿過的火焰微元體的幾何長度。

30、進一步地，所述根據(jù)輻射傳輸方程和火焰輻射光線追跡結果建立重建方程組，具體為：

31、對于被測量火焰光場圖像上的任一像素點m，將像素點m對應的輻射光線所穿過的火焰微元體總數(shù)記為n，則像素點m對應的火焰輻射光線的輻射傳輸方程為：

32、

33、其中，iλ(m)是像素點m對應的火焰輻射光線的光譜輻射強度，ibλ(i)是穿過的第i個火焰微元體的黑體光譜輻射強度，i＝1,2,…,n，am,i為計算系數(shù)；

34、則根據(jù)全部火焰輻射光線的輻射傳輸方程組成重建方程組；

35、ax＝b????????????????????????????????(13)

36、其中，b是各像素對應的火焰輻射光線的光譜輻射強度組成的向量，x是火焰各微元體的黑體光譜輻射強度組成的向量，a是計算系數(shù)矩陣。

37、進一步地，所述計算系數(shù)am,i為：

38、

39、其中，τj是像素點m對應的火焰輻射光線穿過的第j個火焰微元體的光學厚度。

40、進一步地，所述求解重建方程組得到火焰各個微元體的黑體光譜輻射強度，具體過程為：

41、將步驟二中各點修正后的溫度轉換為各點所屬于的微元體的黑體光譜輻射強度：

42、

43、其中，ε是黑體發(fā)射率，i′λ是溫度為t的點對應的黑體光譜輻射強度，t是黑體溫度值；

44、將各點的黑體光譜輻射強度作為先驗項，則求解重建方程組的目標函數(shù)為：

45、

46、其中，0表示與微元體數(shù)量相等的0元素組成的列向量，1表示與微元體數(shù)量相等的1元素組成的列向量，α和β為約束權重系數(shù)，l為拉普拉斯矩陣，r為溫度修正矩陣；

47、

48、其中，xt,k表示第k個熱電偶測溫點的溫度真值對應的黑體光譜輻射強度，k＝1,2,…,nc，nc為熱電偶測溫點總數(shù)。

49、更進一步地，所述對流換熱系數(shù)與nusselt數(shù)的傳熱關聯(lián)式為：

50、

51、其中，nu為nusselt數(shù)，d為熱電偶絲直徑，k為氣體導熱系數(shù)。

52、本發(fā)明的有益效果是：

53、本發(fā)明首先利用光場層析成像系統(tǒng)拍攝被測量火焰光場圖像，將被測量火焰所在的空間區(qū)域劃分為各個微元體，再從被測量火焰光場圖像上的每個像素點開始進行火焰輻射光線追跡，并根據(jù)火焰輻射光線的追跡結果建立輻射傳輸方程組，并根據(jù)建立的輻射傳輸方程組得到重建方程組，基于熱電偶的多點精確溫度測量值信息來求解重建方程組得到火焰各個微元體的黑體光譜輻射強度，最后將各個微元體的黑體光譜輻射強度轉換為各個微元體的溫度，實現(xiàn)溫度場重建。與現(xiàn)有的光場層析成像溫度場重建方法相比，本發(fā)明在光場圖像的基礎上結合了高精度熱電偶的多點精確溫度測量值信息，可以獲得更為準確的溫度場重建結果，大大降低了溫度場重建的誤差。