一種火焰三維溫度場測量的成像裝置、測量裝置及測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于燃燒火焰溫度場測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于燃燒火焰三維溫度 場測量的成像裝置、測量裝置及測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 溫度是表征燃燒火焰一個(gè)主要的參數(shù)。火焰三維溫度場的測量，對全面研析火焰 的燃燒反應(yīng)速度、三維結(jié)構(gòu)、組分生成、整體特性等有決定性作用，有助于揭示燃燒現(xiàn)象的 本質(zhì)和燃燒過程的規(guī)律，也有助于燃燒設(shè)備的工程設(shè)計(jì)改進(jìn)和運(yùn)行優(yōu)化，最終對能源的高 效利用和低污染排放產(chǎn)生重大意義。因此，火焰三維溫度場的測量是燃燒火焰研究中的重 要主題之一。
[0003] 火焰溫度的測量方法可分為接觸法和非接觸法兩大類。接觸法以熱電偶的應(yīng)用最 為廣泛，熱電偶將火焰中某點(diǎn)的溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號，通過電氣儀表(二次儀表） 轉(zhuǎn)換成被測介質(zhì)的溫度。但將熱電偶應(yīng)用于測量火焰三維溫度場，需要在火焰中布置大量 熱電偶來獲得三維信息，因此存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對火焰產(chǎn)生干擾等缺點(diǎn)。此外，由于和火焰 直接接觸，還存在著熱電偶由于腐蝕等原因?qū)е碌膲勖s減的問題。
[0004] 非接觸法又可分為主動式和被動式兩大類。主動式測量方法是外界施加測量信號 (如激光、聲波等），激光光譜法最為常見，包括基于干涉原理的激光全息干涉法、激光散斑 成像法、紋影法、激光徑向剪切干涉法，以及基于對激光光譜信號強(qiáng)度與Boltzmann公式相 結(jié)合的拉曼散射光譜法、瑞麗散射光譜法、CARS光譜法、LIF、TDLAS等，這些測量技術(shù)不僅可 以獲得火焰溫度，同時(shí)還能測量燃燒過程的中間組分，具有較高的時(shí)間分辨率和空間分辨 率，此類測量技術(shù)是目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。但基于激光的測溫技術(shù)存在設(shè)備使用環(huán)境要求 高、價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜等缺點(diǎn)，目前還極少用于工業(yè)現(xiàn)場的溫度測量，主要用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi) 燃燒火焰診斷。
[0005] 被動式測量方法以被測對象自身輻射信息作為測量信號。隨著圖像傳感器技術(shù)的 發(fā)展，相機(jī)配置參數(shù)逐漸提高，可以利用火焰輻射圖像開展溫度和輻射特性測量，同光譜法 相比，可得到二維或三維場檢測結(jié)果。現(xiàn)階段主要有兩種方法，一種是利用多臺相機(jī)拍攝火 焰圖像，結(jié)合層析成像法，反演出火焰內(nèi)部各層的截面圖像，根據(jù)標(biāo)定的圖像灰度與溫度關(guān) 系，得到火焰各層的截面溫度分布。該方法以較高的空間分辨率測得火焰的三維溫度場，目 前已有應(yīng)用于工業(yè)火焰的監(jiān)測的實(shí)例。然而該方法所測得的溫度是根據(jù)圖像灰度直接標(biāo)定 出來的溫度，與火焰的真實(shí)溫度還有一定差異，同時(shí)對各臺相機(jī)之間空間位置的耦合，時(shí)間 上的同步具有嚴(yán)格的要求，系統(tǒng)以及裝置較為復(fù)雜，對于大型火焰如航天發(fā)動機(jī)的尾焰適 用性較低。
[0006] 另一種是利用若干臺相機(jī)拍攝火焰圖像，根據(jù)黑體爐標(biāo)定結(jié)果將火焰圖像轉(zhuǎn)化成 輻射強(qiáng)度分布，建立火焰內(nèi)部各部分輻射強(qiáng)度至相機(jī)探測面輻射強(qiáng)度的輻射傳遞模型，通 過反演算法對其求解得到各部分輻射強(qiáng)度，進(jìn)而利用Planck公式計(jì)算出火焰內(nèi)部各部分的 溫度。該方法能夠較為精確地測得火焰三維溫度場，但是該方法使用的是傳統(tǒng)相機(jī)，拍攝火 焰，記錄火焰各方向輻射量時(shí)，由于傳統(tǒng)相機(jī)無法分辨光線方向，將投射到相機(jī)探測面同一 像素的不同方向的一束光線，近似成通過成像系統(tǒng)光心的一條光線，即連接火焰，光心和對 應(yīng)像素的光線(針孔模型）。這種近似要求火焰和相機(jī)距離足夠遠(yuǎn)，每束成像光線的孔徑角 足夠小，否則會導(dǎo)致近似誤差較大。然而，如果火焰離相機(jī)較遠(yuǎn)時(shí)，相機(jī)拍攝的火焰圖像位 置分辨率必然降低，即探測面每個(gè)像素對應(yīng)的該部分火焰尺寸增大，針孔模型近似的誤差 也會增大。因此該方法在火焰各方向輻射量的記錄上存在明顯的不足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提出了一種可記錄光 線強(qiáng)度和方向的用于火焰三維溫度場測量的成像裝置及采用該成像裝置測量火焰三維溫 度場的方法。
[0008] 一種火焰三維溫度場測量的成像裝置，包括主透鏡及相機(jī)探測器面，其特征在于： 在所述主透鏡與相機(jī)探測器面之間還設(shè)置有一微透鏡陣列，所述微透鏡陣列的虛擬焦平面 與所述主透鏡的虛擬像面共面，所述微透鏡陣列將進(jìn)入所述主透鏡的光線成像于所述相機(jī) 探測器面上不同像素上。
[0009] 所述主鏡頭是由多片鏡片組成的鏡頭組。
[0010] 所述探測器面被所述微透鏡陣列劃分為MXN個(gè)子圖像，各子圖像包含的像素為P XQ。其中，M，N，P，Q都大于等于2。
[0011] 一種火焰三維溫度場測量裝置，包括成像裝置以及圖像處理單元，其特征在于，所 述成像裝置用于獲取記錄有光線強(qiáng)度信息和方向信息的光場圖像，該成像裝置包括主透鏡 及相機(jī)探測器面，在所述主透鏡與相機(jī)探測器面之間還設(shè)置有一微透鏡陣列，所述微透鏡 陣列的焦平面與所述主透鏡的虛擬像面共面，所述微透鏡陣列將進(jìn)入所述主透鏡的光線成 像于所述相機(jī)探測器面上不同像素上；
[0012] 所述圖像處理單元，根據(jù)光場圖像記錄的光線方向信息得到虛擬光源點(diǎn)的坐標(biāo)； 根據(jù)虛擬光源點(diǎn)的坐標(biāo)和探測器面上像素的坐標(biāo)，計(jì)算虛擬光源點(diǎn)輻射到探測器面上像素 點(diǎn)的光程;根據(jù)光場圖像記錄的光線強(qiáng)度信息和光程，計(jì)算虛擬光源點(diǎn)的輻射強(qiáng)度;根據(jù)虛 擬光源點(diǎn)的輻射強(qiáng)度得到火焰三維溫度場的火焰溫度。
[0013] 一種火焰三維溫度場測量方法，其特征在于，步驟如下：
[0014] 步驟一、對成像裝置的輻射強(qiáng)度進(jìn)行標(biāo)定：曲線擬合圖像灰度均值與對應(yīng)輻射強(qiáng) 度值的關(guān)系；
[0015] 步驟二、對成像裝置的光學(xué)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定:確定微透鏡陣列的虛擬焦平面與相機(jī) 探測器面之間的距離、虛擬焦平面與主透鏡等效面之間的距離以及主透鏡等效面與主鏡頭 虛擬像面之間的距離；
[0016] 步驟三、使用成像裝置拍攝火焰圖像，根據(jù)火焰圖像的灰度信息，使用步驟一擬合 得到的灰度值與對應(yīng)輻射強(qiáng)度的關(guān)系式，計(jì)算火焰圖像各像素的灰度值對應(yīng)的輻射強(qiáng)度 值；
[0017] 步驟四、從相機(jī)探測器面上每個(gè)像素點(diǎn)開始逆向追蹤像素對應(yīng)光線，確定對應(yīng)的 虛擬光源點(diǎn)的坐標(biāo)；
[0018] 根據(jù)對應(yīng)的虛擬光源點(diǎn)的坐標(biāo)和機(jī)探測器面上每個(gè)像素點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算對應(yīng)虛擬 光源點(diǎn)輻射到探測器面上每個(gè)像素點(diǎn)的光程；
[0019] 根據(jù)得到的光程及火焰圖像中像素點(diǎn)對應(yīng)的輻射強(qiáng)度值，采用基于像素對應(yīng)光線 強(qiáng)度的輻射傳輸方程，計(jì)算虛擬光源點(diǎn)的輻射強(qiáng)度值；
[0020] 步驟五、根據(jù)虛擬光源點(diǎn)的輻射強(qiáng)度值計(jì)算虛擬光源點(diǎn)的溫度值從而得到火焰的 三維溫度場。
[0021] 所述步驟四虛擬光源點(diǎn)的坐標(biāo)(0x，0y)采用如下公式確定：
[0024]式中，f是主鏡頭的焦距，β是主鏡頭的橫向放大率，s。是虛擬焦平面到主鏡頭等效 面的距離，1為主透鏡等效面到虛擬像面的距離，Sv是虛擬像面到微透鏡陣列的距離，（X，Υ) 是主透鏡等效面中心點(diǎn)的坐標(biāo)，（V x，vy)為虛擬像點(diǎn)的坐標(biāo)；
[0027] 式中，仏是微透鏡陣列的橫向放大率，fm為微透鏡陣列上微透鏡的焦距，lm為相機(jī) 探測器面到微透鏡陣列的距離，（p x，py)為相機(jī)探測器面上像素點(diǎn)的坐標(biāo)。
[0028] 所述步驟四虛擬光源點(diǎn)的輻射強(qiáng)度值的計(jì)算方法為：
[0029] 將火焰按徑向r，軸向z和周向Φ劃分成m個(gè)控制體，建立基于像素對應(yīng)光線強(qiáng)度的 福射傳輸方程：
[0031] 式中，I氣為火焰光線沿L方向的輻射強(qiáng)度，^為虛擬光源點(diǎn)發(fā)出的光線沿相應(yīng)方 向，通過每個(gè)控制體的光程，其涉及到的火焰衰減系數(shù)，可以使用已有的研究數(shù)據(jù)作為近似 值。lb為每個(gè)控制體的黑體輻射強(qiáng)度；
[0032] 將上述輻射傳輸方程離散化，各像素對應(yīng)光線的輻射傳輸方程組成線性方程組如 下式所示：
[0034] 式中，1"為探測面探測到的光線強(qiáng)度;IbjPn分別為光線穿過的第i(l~η)個(gè)控制 體的黑體輻射強(qiáng)度和光程，同理，IbdPh分別為光線穿過的最后一個(gè)控制體的黑體輻射強(qiáng) 度和光程，I為相機(jī)探測面上所有能夠探測到光線的像素的光強(qiáng)值組成的向量：
[0035] I =Α · IB
[0036] IB為火焰所有控制體的黑體輻射強(qiáng)度組成的向量，A為對應(yīng)的系數(shù)矩陣。
[0037]各控制體對應(yīng)的火焰溫度Ti為：
[0038] Ti = c2Aln[ci/(A5jiIbi)+l]
[0039] 式中，ci為第一輻射常數(shù)，C2為第二輻射常數(shù)，λ為火焰輻射的光線的波長。
[0040] 本發(fā)明采用單個(gè)成像裝置拍攝記錄火焰圖像，本發(fā)明成像裝置不僅能夠記錄火焰 輻射的光線的強(qiáng)度，還能分辨光線的方向，進(jìn)而根據(jù)相機(jī)探測器輻射強(qiáng)度的標(biāo)定結(jié)果，將火 焰圖像轉(zhuǎn)化成火焰各方向上的輻射強(qiáng)度信息。根據(jù)相機(jī)成像的基本原理，對