/)面(燃燒器出口面)平行，旋轉(zhuǎn)的三個自由度：和Θ均為 零，關(guān)聯(lián)式(6)中沒有R項。主鏡頭等效面5的中心相對于燃燒器19出口中心的物理坐標記為 [ X0，yQ，Z()]T，即向量t，使得直尺標記的燃燒器出口中心刻度23處于圖像中心線24上，這樣， yo = 〇,標記相機主鏡頭等效面的中心27的位置，用尺測量出其與燃燒器出口中心的距離坐 標yo和ζο,從而完成坐標系關(guān)聯(lián)向量的測量。
[0073]使用擬合得到的灰度值與對應(yīng)輻射強度的關(guān)系式，計算圖像各像素的灰度值對應(yīng) 的輻射強度值；
[0074]步驟四、如圖6所示，用通過微透鏡14光心的光線表征投射到像素點10的一束成像 光線，稱為像素對應(yīng)光線28。從相機探測器面9上每個像素點開始逆向追蹤像素對應(yīng)光線， 確定對應(yīng)的虛擬光源點。已知微透鏡陣列8上微透鏡14的焦距為匕，相機探測器面9上像素 點10的坐標為(P x，Py)，對應(yīng)的微透鏡中心點30的坐標為(Mx，My)，相機探測器面9到微透鏡 陣列8的距離為l m，根據(jù)高斯成像公式(7)和(8)，求出虛擬像面6上對應(yīng)虛擬像點7的坐標 (Vx,Vy)o
[0077]式中，K是微透鏡14的橫向放大率，sv是虛擬像面6到微透鏡陣列8的距離。已知主 鏡頭的焦距f，虛擬像面6上對應(yīng)虛擬像點7的坐標為(Vx，Vy)，主透鏡等效面中心點27的坐標 是(X，Y)，虛擬像面6到主鏡頭等效面5的距離為1+ Sv，根據(jù)高斯成像公式(9)和（10)，求出對 應(yīng)虛擬光源點4的坐標(0X，0y)。
[0080]式中，β是主鏡頭的橫向放大率，S。是虛擬焦平面3到主鏡頭等效面5的距離。連接 像素點10和對應(yīng)微透鏡中心點30,得到像素對應(yīng)光線28,該條光線和主鏡頭等效面5相交， 連接該交點29與對應(yīng)的虛擬光源點4,得到像素對應(yīng)光線28在相機外的方向和位置。
[0081 ]將火焰1按徑向r，軸向ζ和周向Φ劃分成m個控制體。只考慮吸收，建立基于像素對 應(yīng)光線強度的福射傳輸方程：
[0083]式中，l\為火焰光線沿L方向的福射強度。R為虛擬光源點發(fā)出的光線沿相應(yīng)方 向，通過每個控制體的光程，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為每個控制體的黑體輻射強度。將方程（11)離散化，如式（12)所示，各像素對應(yīng)光線 的輻射傳輸方程組成線性方程組如式(13)所示。
[0085] Ι=Α·ΙΒ (13)
[0086] 式中，1"為探測面探測到的光線強度。IbjPn分別為光線穿過的第i(l~η)個控制 體的黑體輻射強度和光程，同理，IbdPh分別為光線穿過的最后一個控制體的黑體輻射強 度和光程。I為相機探測面上所有能夠探測到光線的像素的光強值組成的向量，IB為火焰所 有控制體的黑體輻射強度組成的向量，A為對應(yīng)的系數(shù)矩陣。
[0087]步驟五、如果使用LSQR算法求解線性方程組（13)，得到各控制體的黑體輻射強度 值1匕存在負值，與實際不符。因此在傳統(tǒng)的LSQR算法基礎(chǔ)上增加非負性約束，求解線性方 程組(13)，得到各控制體的黑體輻射強度Ib 1<3
[0088] Ti = c2Aln[ci/(A5jiIbi)+l] (14)
[0089] 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。使用式 (14)計算各控制體對應(yīng)的火焰溫度1\，從而實現(xiàn)火焰三維溫度場的反演。
【主權(quán)項】
1. 一種火焰三維溫度場測量的成像裝置，包括主透鏡及相機探測器面，其特征在于:在 所述主透鏡與相機探測器面之間還設(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入所述主透鏡的光線成像于所述相機探 測器面上不同像素上。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的成像裝置，其特征在于:所述主鏡頭是由多片鏡片組成的鏡頭 組。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的成像裝置，其特征在于:所述探測器面被所述微透鏡陣列劃分 為MXN個子圖像，各子圖像包含的像素為PXQ，其中，M，N，P，Q都大于等于2。4. 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 括主透鏡及相機探測器面，在所述主透鏡與相機探測器面之間還設(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入所述主透鏡 的光線成像于所述相機探測器面上不同像素上； 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的坐標;根據(jù) 虛擬光源點的坐標和探測器面上像素的坐標，計算虛擬光源點輻射到探測器面上像素點的 光程;根據(jù)光場圖像記錄的光線強度信息和光程，計算虛擬光源點的輻射強度;根據(jù)虛擬光 源點的輻射強度得到火焰三維溫度場的火焰溫度。5. -種采用權(quán)利要求4所述測量裝置測量火焰三維溫度場的方法，其特征在于，步驟如 下： 步驟一、對成像裝置的輻射強度進行標定：曲線擬合圖像灰度均值與對應(yīng)輻射強度值 的關(guān)系； 步驟二、對成像裝置的光學參數(shù)進行標定:確定微透鏡陣列的虛擬焦平面與相機探測 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； 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)輻射強度的關(guān)系式，計算火焰圖像各像素的灰度值對應(yīng)的輻射強度值； 步驟四、從相機探測器面上每個像素點開始逆向追蹤像素對應(yīng)光線，確定對應(yīng)的虛擬 光源點的坐標； 根據(jù)對應(yīng)的虛擬光源點的坐標和機探測器面上每個像素點的坐標計算對應(yīng)虛擬光源 點輻射到探測器面上每個像素點的光程； 根據(jù)得到的光程及火焰圖像中像素點對應(yīng)的輻射強度值，采用基于像素對應(yīng)光線強度 的輻射傳輸方程，計算虛擬光源點的輻射強度值； 步驟五、根據(jù)虛擬光源點的輻射強度值計算虛擬光源點的溫度值從而得到火焰的三維 溫度場。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于:所述步驟四虛擬光源點的坐標(Ox，Oy)采用 如下公式確定： l + sv. s0 f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，Y)是主 透鏡等效面中心點的坐標，（V x，vy)為虛擬像點的坐標；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為相機探測 器面到微透鏡陣列的距離，（px，py)為相機探測器面上像素點的坐標。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于:所述步驟四虛擬光源點的輻射強度值的計 算方法為： 將火焰按徑向r，軸向z和周向Φ劃分成m個控制體，建立基于像素對應(yīng)光線強度的福射 傳輸方程：式中，為火焰光線沿L方向的輻射強度，k為根據(jù)權(quán)利6所得到的虛擬光源點發(fā)出的 光線沿相應(yīng)方向，通過每個控制體的光程，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為每個控制體的黑體輻射強度； 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：式中，In為探測面探測到的光線強度;IbjPn分別為光線穿過的第i(l~η)個控制體的 黑體輻射強度和光程，同理，IbdPh分別為光線穿過的最后一個控制體的黑體輻射強度和 光程，I為相機探測面上所有能夠探測到光線的像素的光強值組成的向量： Ι=Α · IB IB為火焰所有控制體的黑體輻射強度組成的向量，A為對應(yīng)的系數(shù)矩陣。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于:各控制體對應(yīng)的火焰溫度1\為： Ti = C2Aln[ci/(A5jrIbi)+l] 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。
【專利摘要】本發(fā)明公開了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，其中成像裝置包括主透鏡及相機探測器面，其特征在于：在所述主透鏡與相機探測器面之間還設(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入所述主透鏡的光線成像于所述相機探測器面上不同像素上。相比于傳統(tǒng)相機，本發(fā)明成像裝置能夠分辨光線方向，進一步建立輻射傳遞模型，通過反演算法獲得火焰三維溫度場，更加準確地記錄火焰各方向的輻射信息，測量結(jié)果更加精確；相比于基于多臺相機的層析成像技術(shù)，只需單成像裝置，不需要使用多臺相機，無需對各臺相機進行復(fù)雜同步控制，測量系統(tǒng)簡單，易于實現(xiàn)。
【IPC分類】G01J5/00
【公開號】CN105606222
【申請?zhí)枴緾N201510559789
【發(fā)明人】許傳龍, 孫俊, 張彪, 王式民
【申請人】東南大學
【公開日】2016年5月25日
【申請日】2015年9月6日