探測(cè)器上各像 素對(duì)應(yīng)光線進(jìn)行追跡直至火焰內(nèi)部，利用火焰對(duì)應(yīng)各方向的輻射強(qiáng)度信息分別列出輻射傳 遞方程，構(gòu)成線性方程組，使用帶非負(fù)性約束的LSQR算法求解該方程組得到的火焰各控制 體黑體輻射強(qiáng)度，進(jìn)而結(jié)合Planck公式計(jì)算火焰各控制體的溫度，實(shí)現(xiàn)火焰三維溫度場(chǎng)測(cè) 量。
[0041] 根據(jù)幾何光學(xué)，相機(jī)聚焦平面上的光源發(fā)出成像光束，經(jīng)成像系統(tǒng)投射到相機(jī)探 測(cè)面，進(jìn)而成像。發(fā)光火焰中含有彌散的高溫粒子，此時(shí)成像的實(shí)際光源點(diǎn)，并不是在一個(gè) 面上，而是存在于整個(gè)火焰體中，因此相機(jī)焦平面并不是實(shí)際存在的面，將相機(jī)拍攝火焰時(shí) 對(duì)應(yīng)的聚焦平面稱作虛擬焦平面(或虛擬物面），其上得點(diǎn)稱作虛擬光源點(diǎn)。
[0042] 本發(fā)明成像裝置不同于傳統(tǒng)相機(jī)，置一個(gè)微透鏡陣列于主鏡頭和探測(cè)器之間，每 個(gè)微透鏡接收經(jīng)主透鏡進(jìn)入的光線后，然后將不同方向的光線聚焦到微透鏡下的不同位置 的像素。這樣，傳感器所有像素被Μ X N的微透鏡陣列劃分為Μ X N個(gè)子圖像，子圖像中每個(gè)像 素都對(duì)應(yīng)著某個(gè)特定方向的光線，代表著目標(biāo)某位置的成像。雖然傳感器對(duì)于目標(biāo)的位置 分辨率因此有所降低，但是通過(guò)微透鏡的劃分，探測(cè)器同時(shí)記錄了二維的強(qiáng)度信息和二維 的方向信息，構(gòu)成光場(chǎng)的四維數(shù)據(jù)。因此相比于傳統(tǒng)相機(jī)，在相機(jī)探測(cè)器之前增加的微透鏡 陣列，使得成像裝置不僅能夠記錄投射到相機(jī)探測(cè)器上光線的強(qiáng)度信息，還能夠分辨光線 的方向，從而實(shí)現(xiàn)四維光場(chǎng)的記錄。
[0043] 對(duì)于該相機(jī)，將主透鏡和微透鏡陣列看作一個(gè)統(tǒng)一的成像系統(tǒng)，虛擬焦平面是相 機(jī)探測(cè)面在物空間的共輒面。若將主透鏡和微透鏡陣列看作兩個(gè)獨(dú)立的成像單元，相機(jī)的 成像過(guò)程可分為兩步:第一步由主透鏡成像，第二步再由微透鏡陣列成像。虛擬焦平面關(guān)于 主透鏡成像系統(tǒng)有一個(gè)共輒的像面，由于沒有成像探測(cè)器記錄這一像，稱作虛擬像面，虛擬 像面作為微透鏡陣列成像系統(tǒng)的物面，關(guān)于微透鏡陣列也有一個(gè)共輒像面，即相機(jī)的探測(cè) 面。虛擬光源點(diǎn)，經(jīng)過(guò)這兩個(gè)成像單元，最后在探測(cè)面上成像。利用具有微透鏡陣列的單相 機(jī)作為成像裝置拍攝火焰，記錄火焰的輻射強(qiáng)度及方向信息，用于火焰三維溫度場(chǎng)的測(cè)量。
[0044] 有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0045] (1)相比于傳統(tǒng)相機(jī)，本發(fā)明成像裝置能夠分辨光線方向，進(jìn)一步建立輻射傳遞模 型，通過(guò)反演算法獲得火焰三維溫度場(chǎng)，更加準(zhǔn)確地記錄火焰各方向的輻射信息，測(cè)量結(jié)果 更加精確；
[0046] (2)相比于基于多臺(tái)相機(jī)的層析成像技術(shù)，只需單成像裝置，不需要使用多臺(tái)相 機(jī)，無(wú)需對(duì)各臺(tái)相機(jī)進(jìn)行復(fù)雜同步控制，測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)；
[0047] (3)單相機(jī)測(cè)量系統(tǒng)緊湊，便于攜帶、安裝，對(duì)不同火焰的適用范圍廣，適合應(yīng)用于 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。
【附圖說(shuō)明】
[0048] 圖1是本發(fā)明成像裝置記錄火焰輻射信息的原理圖；
[0049] 圖2是相機(jī)主鏡頭等效面的標(biāo)定原理圖；
[0050]圖3是相機(jī)主鏡頭等效面的標(biāo)定裝置示意圖；
[0051 ]圖4是坐標(biāo)系關(guān)聯(lián)向量測(cè)量示意圖；
[0052]圖5是火焰三維溫度場(chǎng)測(cè)量裝置示意圖；
[0053] 圖6是相機(jī)像素對(duì)應(yīng)光線的光線追跡示意圖；
[0054] 其中，丨一火焰、2一相機(jī)、3一虛擬焦平面、4一虛擬光源點(diǎn)、 5一主鏡頭等效面、6一 虛擬像面、7-虛擬像點(diǎn)、8-微透鏡陣列、9 一相機(jī)探測(cè)器面、10-像素點(diǎn)、11、12、13-火焰 輻射的光線、14、15-微透鏡、16-標(biāo)定板、17-標(biāo)尺、18-支架、19一燃燒器、20-三腳架、 21 -直尺、22-圖像、23-燃燒器出口中心標(biāo)記點(diǎn)圖像、24-圖像中心線、25-圖像底邊界、 26-直尺圖像、27-主鏡頭等效面中心點(diǎn)、28-像素對(duì)應(yīng)光線、29-像素對(duì)應(yīng)光線與主鏡頭 等效面的交點(diǎn)、30-微透鏡中心點(diǎn)。
【具體實(shí)施方式】
[0055] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明。應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明 本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各 種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0056] 本發(fā)明用于火焰溫度場(chǎng)測(cè)量的成像裝置，為在主透鏡1與相機(jī)探測(cè)器面9之間增設(shè) 有微透鏡陣列8而形成的相機(jī)2,相機(jī)2的光路結(jié)構(gòu)如圖1所示?；鹧?中某一發(fā)光光源，即虛 擬光源點(diǎn)4發(fā)出的一束光線(從光線11至光線12的一束光線)經(jīng)過(guò)相機(jī)的主鏡頭后，匯聚于 虛擬像面6上的虛擬像點(diǎn)7處，對(duì)于傳統(tǒng)相機(jī)，其探測(cè)面位置應(yīng)置于該處，對(duì)虛擬光源點(diǎn)4成 像，這樣傳統(tǒng)相機(jī)該像素點(diǎn)接收的火焰輻射強(qiáng)度，為光線11與光線12之間所有光線通過(guò)該 點(diǎn)之前和該點(diǎn)之后的火焰體之后的輻射強(qiáng)度之和，傳統(tǒng)相機(jī)無(wú)法進(jìn)一步分辨這些光線的方 向。
[0057]不同于傳統(tǒng)相機(jī)，置一微透鏡陣列8與主鏡頭5與相機(jī)探測(cè)器面9之間，使得從光線 11至光線12的這束光線經(jīng)過(guò)不同微透鏡14、15之后，匯聚到相機(jī)探測(cè)器面9上的不同像素 上，根據(jù)像素點(diǎn)10的位置，和對(duì)應(yīng)的微透鏡14的位置，可以確定光線的方向。因而對(duì)于像素 點(diǎn)10,其記錄的是匯聚到其上的光線11與光線13之間的一束光線的強(qiáng)度，以及經(jīng)過(guò)微透鏡 14的該束光線的方向。這樣該相機(jī)利用微透鏡陣列8完成對(duì)火焰輻射的強(qiáng)度和方向信息的 記錄。
[0058]基于單相機(jī)的火焰三維溫度場(chǎng)測(cè)量方法，其步驟包括如下：
[0059]步驟一、將單相機(jī)固定在火焰之前，調(diào)整距離，使得火焰圖像能夠完整并且盡可能 大地被拍攝下來(lái)。調(diào)整曝光時(shí)間，保證火焰圖像各部分沒有過(guò)曝區(qū)域并且火焰整體灰度不 能過(guò)暗。將黑體爐置于相同距離下，使用相同曝光時(shí)間，從使黑體爐圖像灰度值略高于15的 溫度值，到使黑體爐圖像灰度值略低于250的溫度值，以50°C為間隔，設(shè)置不同的黑體爐溫 度，拍攝不同溫度下的黑體爐圖像，并將黑體爐圖像灰度值減去無(wú)光照時(shí)相機(jī)拍攝的黑圖 像灰度值，來(lái)對(duì)黑體爐圖像進(jìn)行降噪。使用式（1)計(jì)算不同溫度下黑體爐圖像對(duì)應(yīng)的輻射強(qiáng) 度值。
[0061 ]式中，C1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(zhǎng)。對(duì)每一 幅黑體爐圖像選取標(biāo)定區(qū)域，計(jì)算每幅圖像標(biāo)定區(qū)域灰度值的標(biāo)準(zhǔn)差，確保在標(biāo)定區(qū)域內(nèi)， 標(biāo)準(zhǔn)差小于5%，使得灰度衰減在可接受范圍之內(nèi)。計(jì)算每幅圖像標(biāo)定區(qū)域的灰度均值，曲 線擬合圖像灰度均值與對(duì)應(yīng)輻射強(qiáng)度值的關(guān)系，完成相機(jī)CCD輻射強(qiáng)度的標(biāo)定。
[0062]步驟二、相機(jī)光學(xué)參數(shù)的標(biāo)定。標(biāo)定原理如圖2所示，標(biāo)定裝置示意圖如圖3所示。 將相機(jī)2固定在支架18上，支架再置于標(biāo)尺17上，可前后移動(dòng)，假定主鏡頭等效面5位于主鏡 頭的中間位置，使用高斯成像公式計(jì)算虛擬焦平面的距離500mm，以該距離為參考，移動(dòng)相 機(jī)2的位置，選擇足夠大的標(biāo)定板16固定在標(biāo)尺17上，使得標(biāo)定板16的圖像在相機(jī)18移動(dòng)時(shí) 始終能夠充滿整個(gè)相機(jī)探測(cè)器面9。以5mm為間隔，移動(dòng)相機(jī)2,從100mm到900_設(shè)置標(biāo)定板 16與相機(jī)探測(cè)器面9之間的距離D，拍攝不同距離D處的標(biāo)定板16的圖像，使用式(3)計(jì)算對(duì) 應(yīng)的SMD值。
[0064]式中：I(x，y)對(duì)應(yīng)于探測(cè)面(x，y)位置的灰度值;nP為圖像的像素總數(shù)。SMD的最大 值對(duì)應(yīng)的D即為相機(jī)虛擬焦平面3與相機(jī)探測(cè)器面9之間的距離。
[0065]微透鏡的焦距和微透鏡陣列8與相機(jī)探測(cè)器面9的距離U乍為已知量，利用下式：
[0067]計(jì)算虛擬像面6與微透鏡陣列8的距離-Sv。相機(jī)虛擬焦平面3與相機(jī)探測(cè)器面9之 間的距離D、虛擬像面6與微透鏡陣列8的距離-Sv、主鏡頭的焦距f作為已知量，聯(lián)立式(4)和 (5)解出虛擬焦平面3和主鏡頭等效面5的距離-s。，以及主鏡頭等效面5與虛擬像面6的距離 1〇
[0070] 步驟三、按照調(diào)整好的距離和曝光時(shí)間，使用相機(jī)2拍攝火焰圖像，以記錄火焰各 方向的輻射信息；以燃燒器19出口中心為原點(diǎn)建立如圖4所示的全局坐標(biāo)系(物理坐標(biāo)系）， 以相機(jī)主鏡頭等效面5中心為原點(diǎn)建立如圖4所示的局部坐標(biāo)系(相機(jī)坐標(biāo)系），相機(jī)坐標(biāo)系 用Y =[，，y' ,ζ' ]τ，通常X軸設(shè)在于圖像平面垂直的光軸上，物理坐標(biāo)系用x=[x，y，Z]T，兩 個(gè)坐標(biāo)系通過(guò)兩個(gè)線性變換來(lái)關(guān)聯(lián):一個(gè)平移，一個(gè)旋轉(zhuǎn)。平移是坐標(biāo)原點(diǎn)的移動(dòng)(具有三 個(gè)自由度），可用一個(gè)向量t來(lái)描述，旋轉(zhuǎn)同樣有三個(gè)自由度:和Θ，根據(jù)三個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)得 到一個(gè)3 X 3的正交矩陣R。物理坐標(biāo)系與相機(jī)坐標(biāo)系之間采用下式來(lái)關(guān)聯(lián)：
[0071] x = R(x7 -t) (6)
[0072] 如圖5所示，燃燒器19的出口處固定一把直尺21，拍攝燃燒器及直尺，得到圖像22， 調(diào)整三腳架20,使得直尺的圖像26構(gòu)成的直線與圖像底邊界25平行，這樣，相機(jī)坐標(biāo)系的 (Y，/)面與物理坐標(biāo)系(Y，