CN104048647A - 重建炉膛内火焰三维结构的采集装置及采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种重建炉膛内火焰三维结构的采集装置及采集方法，该采集装置包括内窥镜系统、光场相机和控制处理系统；该内窥镜系统用于将该炉膛内的待测火焰图像引出至炉膛外；光场相机用于接收传像光路上的光像；控制处理系统用于将收到的电信号转换为二维光场数据，并得到三维光亮度分布。该采集方法包括以下步骤：S₁、待测火焰各点的入射光形成像点；S₂、在感光芯片上形成待测火焰不同成像路径的微像，并将该微像转化为电信号进入控制处理系统；S₃、控制处理系统将收到的电信号转换为二维光场数据，并获得待测火焰的三维结构。本发明内窥镜系统冷却效率高，可以在高温、单视角条件下采集和显示待测火焰的三维结构。

Description

重建炉膛内火焰三维结构的采集装置及采集方法

技术领域

本发明涉及光场成像技术领域，特别涉及一种重建炉膛内火焰三维结构的采集装置及采集方法。

背景技术

Lippmann于1908年提出集成照相(Integral Photography，IP)的概念，通过微镜头阵列代替Ives于1903年开发的针孔阵列，在成像面上形成一系列具有微小差别的微图像，记录原像面处的光辐射的角度信息，该技术亦被用于三维全息成像。在此基础上，Gershun于1936年提出了光场(Light Field)的概念，将光辐射在空间各个位置向各个方向的传播定义为光场，光辐射包含二维位置信息和二维方向信息并在光场中传递，到达空间不同点处的光辐射量连续变化并能够通过计算获得像面上每点的光辐射量。

近一个多世纪以来，诸多学者不断完善和发展光场的理论研究与实际应用，Okoshi、Dudnikov、Dudley和Montebello等对集成照相技术不断改进，微镜头阵列的光场相机形式也逐渐成熟。1991年Adelson等首次提出全光场相机(Plenoptic camera)的概念。Levoy等将光场理论进一步完善，于1996年提出光场渲染理论(Light Field Rendering,LFR)，建立了成像公式，并将其应用于显微成像领域，于2006年开发了光场显微镜(Light Field Microscopy,LFM)。基于Levoy建立的成像公式，2005年Ng等发明了第一台手持光场相机，后于2006年成立Lytro公司并将该发明正式商业化，自2011年起生产民用消费级的Lytro光场相机。Georgiev等于2006年提出了提高光场相机空间分辨率的方法，Fife等于2008年开发了光场感光芯片，而最早的商业化光场相机则由Wietzke和Perwass创立的Raytrix公司开发并于2010年生产销售。光场相机从理论提出至正式商业产品的出现共间隔100余年，导致这一现象的原因是光场相机内高品质微镜头阵列、高分辨率感光器件以及高运算能力的个人计算机直至近年才问世，另一重要基础是提高光场相机分辨率的成像理论及算法的提出，这些客观条件的具备使生产符合成本效益的光场相机成为可能。

针对工业炉膛内火焰的可视化技术经过多年发展，已具备检测炉内火焰结构、温度场等特性的功能，但不能实现炉膛内火焰三维结构的重建，尤其在高温以及炉膛开孔或单视角条件下的炉膛内火焰三维结构的重建。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中传统的采集装置不能实现在高温以及炉膛开孔或单视角条件下的炉膛内火焰三维结构的重建的缺陷，提供一种重建炉膛内火焰三维结构的采集装置及采集方法，该采集装置及方法能够在高温、单视角条件下重建火焰三维结构。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种重建炉膛内火焰三维结构的采集装置，其特点在于，其包括内窥镜系统、光场相机和控制处理系统；

该内窥镜系统用于将该炉膛内的待测火焰图像通过石英镜头和传像光路引出至炉膛外并与该光场相机相匹配，其包括一水冷夹套、一固定有该石英镜头的传像部件和一固定于该光场相机与该水冷夹套的端部之间的连接部件，该水冷夹套包括一内层和一外层，该内层内形成有一内腔，该内层与外层之间形成有一外腔；

该传像部件固定于该连接部件上且位于该内腔内，该传像光路位于传像部件内且与该传像部件同轴设置，该传像光路位于该石英镜头与该光场相机之间，该传像部件与该内层之间形成有一用于通入惰性气体吹扫该石英镜头的气流通道，该外腔内用于通入冷却水冷却该传像光路和石英镜头；

该光场相机用于接收该传像光路上的光像形成待测火焰不同成像路径的微像并转化为电信号传输至该控制处理系统中；

该控制处理系统用于将收到的电信号转换为二维光场数据，并对不同成像路径的微像进行数字重聚焦，得到三维光亮度分布。

在本方案中，该内窥镜系统能够深入高温、多颗粒的燃烧炉或气化炉内工作，通过水冷夹套以通入冷却水的方式可以长期抵抗最高温度为2000℃的高温，其用水少、冷却效率高、内窥镜系统整体结构紧凑。同时通过传像部件与该内层之间形成的气流通道，在该气流通道内通入惰性气体吹扫石英镜头，长期抵抗炉膛内高温颗粒对前端耐高温的石英镜头的污染。此外，炉膛内待测火焰通过传像光路进行成像并投影至光场相机内，可以在同一时间采集并显示待测火焰二维原始图像及三维结构图像，实现待测火焰的二维、三维实时可视化检测，且该采集装置内部无运动部件，结构很稳固。

较佳地，该外腔通过一连接管形成一用于通入冷却水的第一冷却通道和第二冷却通道，该连接管靠近该光场相机的一端固定与该连接部件上，该第一冷却通道远离该光场相机的一端与该第二冷却通道相通，该内层的外壁与该连接管的内壁之间以及该连接管的外壁与该外层的内壁之间分别设有一第一螺旋部件和一第二螺旋部件，该第一螺旋部件绕该内层轴线的旋转方向与该第二螺旋部件绕该连接管轴线的旋转方向相反。

在本方案中，通过第一螺旋部件、第二螺旋部件、第一冷却通道和第二冷却通道组成的高效旋流冷却系统以通入冷却水的方式长期抵抗最高2000℃的高温，其具有用水少、冷却效率高、内窥镜整体结构紧凑等优点。

较佳地，该内层靠近该光场相机的一端部设有一与气流通道相连通的气体进口。

较佳地，该外层靠近该光场相机的一端部设有一与第一冷却通道相连通的冷却水进口，该连接管靠近该光场相机的一端部设有一与第二冷却通道相连通的冷却水出口。

较佳地，该外层的外壁上套设有一第一法兰，该水冷夹套通过该法兰固定于炉膛内。

在本方案中，采用上述结构形式，可以使内窥镜系统牢固的固定在燃烧炉或气化炉上，并且能使该采集装置在在单视角条件下重建炉膛内的火焰三维结构。

较佳地，该连接部件沿该水冷夹套的轴线方向从左至右依次包括一与该光场相机相匹配的光像转接部件、一弹性部件和两个相互固定连接的第二法兰，其中，位于右端的第二法兰固定于该水冷夹套的端面上，且两个该第二法兰之间通过一密封圈密封连接。

较佳地，该光场相机沿该水冷夹套的轴线方向从左至右依次包括相机电路接口、感光芯片、微透镜阵列和焦距调节部件，微透镜阵列位于该传像光路的像面上，该感光芯片位于微透镜阵列的后焦面上，该相机电路接口通过数据传输线路与控制处理系统相连接。

较佳地，该控制处理系统包括用于将炉膛内的待测火焰图像数据进行处理的图形工作站、用于显示待测火焰原始图像的二维图像显示系统和用于显示将处理后的待测火焰图像数据经算法计算并处理后得到待测火焰三维结构的三维图像显示系统。

本发明还提供了一种如上所述的重建炉膛内火焰三维结构的采集装置的采集方法，其特点在于，其包括以下步骤：

S₁、待测火焰各点的入射光经内窥镜系统在传像光路像面处的微透镜阵列上成像并形成像点，各像点在微透镜阵列后焦面的空间上分开；

S₂、微透镜阵列后焦面的各点光线在感光芯片上形成待测火焰不同成像路径的微像，并将该微像转化为电信号进入控制处理系统；

S₃、控制处理系统将收到的电信号转换为二维光场数据，并对不同成像路径的微像进行数字重聚焦得到三维光亮度分布，获得待测火焰的三维结构。

在本方案中，采用上述采集方法可在单视角条件下记录炉膛内待测火焰光辐射在传播过程中的四维位置和方向的信息，可同时显示待测火焰二维图像及三维结构图像。

较佳地，步骤S₃中对不同成像路径的微像进行数字重聚焦得到三维光亮度分布，获得待测火焰的三维结构的具体过程包括以下步骤：

S₃₁、待测火焰一点的入射光经传像光路和微透镜阵列后投影至感光芯片上对应的若干像元，这些像元共同组成一个宏像素，每个宏像素的坐标对应待测火焰像点的几何位置，而宏像素中所覆盖的每个感光芯片像元则代表目标火焰的不同视角信息；

S₃₂、对二维光场图像中的像素进行重新排列，得到四维光场矩阵，将四维光场重新投影至新的像面进行积分叠加，即可获得不同像面上的对焦图像；

S₃₃、通过对各对焦图像在深度估计的基础上进行空间排列，并进行高通滤波处理滤除非聚焦信息后，即可获得待测火焰的三维结构。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明的积极进步效果在于：

本发明内窥镜系统冷却效率高，可以在高温、单视角条件下采集和显示待测火焰的三维结构，并且可以在同一时间采集并显示待测火焰二维原始图像及三维结构图像，实现了待测火焰的二维、三维实时可视化检测。

附图说明

图1为本发明较佳实施例的采集装置的结构示意图。

图2为图1中内窥镜系统的结构示意图。

附图标记说明：

控制处理系统：1

二维图像显示系统：11   三维图像显示系统：12   图形工作站：13

光场相机：2

相机电路接口：21       感光芯片：22           微透镜阵列：23

焦距调节部件：24

内窥镜系统：3

水冷夹套：31           内层：311              内腔：312

外层：313              连接管：314            第一螺旋部件：315

第二螺旋部件：316      第一冷却通道：317      第二冷却通道：318

传像部件：32           石英镜头：33           传像光路：34

连接部件：35           光像转接部件：351      弹性部件：352

第二法兰：353          气体进口：36           冷却水进口：37

冷却水出口：38         第一法兰：39

待测火焰：4

具体实施方式

下面举个较佳实施例，并结合附图来更清楚完整地说明本发明。

如图1所示，本发明重建炉膛内火焰三维结构的采集装置包括内窥镜系统3、光场相机2和控制处理系统1。

其中，内窥镜系统3用于将炉膛内的待测火焰4图像通过石英镜头33和传像光路34引出至炉膛外并与光场相机2相匹配。请根据图1-2予以理解，该内窥镜系统3包括水冷夹套31、传像部件32和连接部件35，石英镜头33固定在传像部件32靠近炉膛内的一端，同时，连接部件35固定在光场相机2与水冷夹套31的端部之间。

另外，水冷夹套31包括内层311和外层313，内层311内形成有内腔312，内层311与外层313之间形成有外腔。传像部件32固定在连接部件35上且位于内腔312内，传像光路34位于传像部件32内且与该传像部件32同轴设置。同时，该传像光路34位于石英镜头33与光场相机2之间，传像部件32与该内层311之间形成有一用于通入惰性气体吹扫石英镜头33的气流通道，该外腔内用于通入冷却水冷却该传像光路34和石英镜头33。

在本实施例中，内窥镜系统3能够深入高温、多颗粒的燃烧炉或气化炉内工作，通过水冷夹套31以通入冷却水的方式可以长期抵抗最高温度为2000℃的高温，其用水少、冷却效率高、内窥镜系统3整体结构紧凑。同时通过传像部件32与该内层311之间形成的气流通道，在该气流通道内通入惰性气体吹扫石英镜头33，长期抵抗炉膛内高温颗粒对前端耐高温的石英镜头33的污染。

此外，光场相机2用于接收传像光路34上的光像形成待测火焰4不同成像路径的微像并转化为电信号传输至控制处理系统1中。其中，该光场相机2沿该水冷夹套31的轴线方向从左至右依次包括相机电路接口21、感光芯片22、微透镜阵列23和焦距调节部件24，微透镜阵列23位于传像光路34的像面上，感光芯片22位于微透镜阵列23的后焦面上，相机电路接口21通过数据传输线路与控制处理系统1相连接。

而控制处理系统1用于将收到的电信号转换为二维光场数据，并对不同成像路径的微像进行数字重聚焦，得到三维光亮度分布。其中，控制处理系统1包括用于将炉膛内的待测火焰4图像数据进行处理的图形工作站13、用于显示待测火焰原始图像的二维图像显示系统11和用于显示将处理后的待测火焰图像数据经算法计算并处理后得到待测火焰三维结构的三维图像显示系统12。

其中，光场相机2置于燃烧炉或气化炉外工作，控制处理系统1能够通过与光场相机2内相机电路接口21配套的数据采集卡控制相机参数，炉膛内火焰图像数据经图形工作站13处理后，火焰的原始图像显示于二维图像显示系统11，处理后的火焰图像数据经算法计算并处理后得到火焰的三维结构并显示于三维图像显示系统12。

由此可知，炉膛内待测火焰通过传像光路34进行成像并投影至光场相机2内，可以在同一时间采集并显示待测火焰二维原始图像及三维结构图像，实现待测火焰的二维、三维实时可视化检测，且该采集装置内部无运动部件，结构很稳固。

优选地，该外腔通过一连接管314形成一用于通入冷却水的第一冷却通道317和第二冷却通道318。连接管314靠近该光场相机2的一端固定与该连接部件35上，第一冷却通道317远离光场相机2的一端与第二冷却通道318相通。同时，内层311的外壁与连接管314的内壁之间以及连接管314的外壁与外层313的内壁之间分别设有第一螺旋部件315和第二螺旋部件316，该第一螺旋部件315绕该内层311轴线的旋转方向与该第二螺旋部件316绕连接管314轴线的旋转方向相反。

这样通过第一螺旋部件315、第二螺旋部件316、第一冷却通道317和第二冷却通道318组成的高效旋流冷却系统以通入冷却水的方式长期抵抗最高2000℃的高温，其具有用水少、冷却效率高、内窥镜整体结构紧凑等优点。

请根据图1予以理解，内层311靠近光场相机2的一端部设有与气流通道相连通的气体进口36。该外层313靠近光场相机2的一端部设有一与第一冷却通道317相连通的冷却水进口37，连接管314靠近该光场相机2的一端部设有一与第二冷却通道318相连通的冷却水出口38。

另外，外层313的外壁上套设有一第一法兰39，该水冷夹套31通过法兰固定在炉膛内。这样可以使内窥镜系统3牢固的固定在燃烧炉或气化炉上，并且能使采集装置在在单视角条件下重建炉膛内的火焰三维结构。

此外，该连接部件35沿水冷夹套31的轴线方向从左至右依次包括一与该光场相机2相匹配的光像转接部件351、一弹性部件352和两个相互固定连接的第二法兰353，其中，位于右端的第二法兰353固定于该水冷夹套31的端面上，且两个该第二法兰353之间通过一密封圈(图中未示出)密封连接。

本发明还提供了一种如上所述的重建炉膛内火焰三维结构的采集装置的采集方法，其包括以下步骤：

步骤100，待测火焰各点的入射光经内窥镜系统3在传像光路34像面处的微透镜阵列23上成像并形成像点，各像点在微透镜阵列23后焦面的空间上分开。

步骤101，微透镜阵列23后焦面的各点光线在感光芯片22上形成待测火焰不同成像路径的微像，并将该微像转化为电信号进入控制处理系统1。

步骤102，控制处理系统1将收到的电信号转换为二维光场数据，并对不同成像路径的微像进行数字重聚焦得到三维光亮度分布，获得待测火焰的三维结构。

在本实施例中，采用上述采集方法可在单视角条件下记录炉膛内待测火焰光辐射在传播过程中的四维位置和方向的信息，可同时显示待测火焰二维图像及三维结构图像。

优选地，步骤102中对不同成像路径的微像进行数字重聚焦得到三维光亮度分布，获得待测火焰的三维结构的具体过程包括以下步骤：

步骤1020，待测火焰一点的入射光经传像光路34和微透镜阵列23后投影至感光芯片22上对应的若干像元，这些像元共同组成一个宏像素，每个宏像素的坐标对应待测火焰像点的几何位置，而宏像素中所覆盖的每个感光芯片22像元则代表目标火焰的不同视角信息。

步骤1021，对二维光场图像中的像素进行重新排列，得到四维光场矩阵，将四维光场重新投影至新的像面进行积分叠加，即可获得不同像面上的对焦图像。

步骤1022，通过对各对焦图像在深度估计的基础上进行空间排列，并进行高通滤波处理滤除非聚焦信息后，即可获得待测火焰的三维结构。

以下例举具体实施方案，对本发明的实用性及可靠性进行说明：

基于多喷嘴对置式水煤浆气化炉热态试验平台，应用本发明重建炉膛内火焰三维结构的采集装置及采集方法，对气化炉内火焰三维结构进行还原。

以水煤浆为气化介质，四喷嘴水平互成90°对置，双通道喷嘴内通道由螺杆泵计量输送水煤浆进入炉膛，环隙输送氧气以实现燃料的雾化，四路氧气、水煤浆在炉内剧烈撞击燃烧，并进行气化反应生成合成气。四喷嘴水煤浆流量各11.50kg/h，氧气流量范围5.70Nm³/h～6.30Nm³/h，控制氧碳比在0.9至1.0内变化，可稳定连续操作。四喷嘴撞击平面中心温度达到2300K以上，炉壁耐火砖温度1600K以下，撞击平面以上至炉顶间温度随高度的升高而降低，炉顶耐火砖温度亦在1600K以下，火焰温度达到1900K左右。该套采集装置垂直置于气化炉炉顶，其中，光场相机置于气化炉外，内窥镜系统伸入气化炉内，前端石英镜头与气化炉内拱顶耐火砖内壁平齐。

在本实施例中，工业光场相机采用43.5mm尺寸的2800万像素CCD感光芯片，通过Camera Link标准接口进行数据传输，最大采集帧率6fps，感光芯片前端嵌入定制的微透镜阵列，光场相机的焦距调节部件为F卡口。内窥镜系统的冷却水温度25℃，冷却水流量1000L/h，吹扫气流量3.5m³/h，以维持内窥镜系统内传像光路的正常工作环境。

在本实施例中，光场相机置于气化炉外工作，微透镜阵列位于内窥镜系统的传像光路的像面上，感光芯片位于微透镜阵列的后焦面上，相机电路接口通过数据传输线路与图形工作站相连。控制处理系统能够通过与光场相机内相机电路接口配套的Camera Link标准数据采集卡控制相机的采集帧率、快门速度、曝光时间、等参数，记录单帧火焰图像或火焰视频，炉内火焰图像数据经图形工作站，通过经过二次开发的工业机器视觉软件处理后，将火焰的原始图像显示于二维图像显示系统，同时，火焰图像数据在经过二次开发的工业机器视觉软件内经算法计算并处理后得到火焰的三维结构，并显示于三维图像显示系统。

综上所述，本发明内窥镜系统冷却效率高，可以在高温、单视角条件下采集和显示待测火焰的三维结构，并且可以在同一时间采集并显示待测火焰二维原始图像及三维结构图像，实现了待测火焰的二维、三维实时可视化检测。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种重建炉膛内火焰三维结构的采集装置，其特征在于，其包括内窥镜系统、光场相机和控制处理系统；

该内窥镜系统用于将该炉膛内的待测火焰图像通过石英镜头和传像光路引出至炉膛外并与该光场相机相匹配，其包括一水冷夹套、一固定有该石英镜头的传像部件和一固定于该光场相机与该水冷夹套的端部之间的连接部件，该水冷夹套包括一内层和一外层，该内层内形成有一内腔，该内层与外层之间形成有一外腔；

该传像部件固定于该连接部件上且位于该内腔内，该传像光路位于传像部件内且与该传像部件同轴设置，该传像光路位于该石英镜头与该光场相机之间，该传像部件与该内层之间形成有一用于通入惰性气体吹扫该石英镜头的气流通道，该外腔内用于通入冷却水冷却该传像光路和石英镜头；

该光场相机用于接收该传像光路上的光像形成待测火焰不同成像路径的微像并转化为电信号传输至该控制处理系统中；

该控制处理系统用于将收到的电信号转换为二维光场数据，并对不同成像路径的微像进行数字重聚焦，得到三维光亮度分布。

2.如权利要求1所述的采集装置，其特征在于，该外腔通过一连接管形成一用于通入冷却水的第一冷却通道和第二冷却通道，该连接管靠近该光场相机的一端固定与该连接部件上，该第一冷却通道远离该光场相机的一端与该第二冷却通道相通，该内层的外壁与该连接管的内壁之间以及该连接管的外壁与该外层的内壁之间分别设有一第一螺旋部件和一第二螺旋部件，该第一螺旋部件绕该内层轴线的旋转方向与该第二螺旋部件绕该连接管轴线的旋转方向相反。

3.如权利要求2所述的采集装置，其特征在于，该内层靠近该光场相机的一端部设有一与气流通道相连通的气体进口。

4.如权利要求2所述的采集装置，其特征在于，该外层靠近该光场相机的一端部设有一与第一冷却通道相连通的冷却水进口，该连接管靠近该光场相机的一端部设有一与第二冷却通道相连通的冷却水出口。

5.如权利要求1所述的采集装置，其特征在于，该外层的外壁上套设有一第一法兰，该水冷夹套通过该法兰固定于炉膛内。

6.如权利要求1所述的采集装置，其特征在于，该连接部件沿该水冷夹套的轴线方向从左至右依次包括一与该光场相机相匹配的光像转接部件、一弹性部件和两个相互固定连接的第二法兰，其中，位于右端的第二法兰固定于该水冷夹套的端面上，且两个该第二法兰之间通过一密封圈密封连接。

7.如权利要求1-6中任意一项所述的采集装置，其特征在于，该光场相机沿该水冷夹套的轴线方向从左至右依次包括相机电路接口、感光芯片、微透镜阵列和焦距调节部件，微透镜阵列位于该传像光路的像面上，该感光芯片位于微透镜阵列的后焦面上，该相机电路接口通过数据传输线路与控制处理系统相连接。

8.如权利要求1-6中任意一项所述的采集装置，其特征在于，该控制处理系统包括用于将炉膛内的待测火焰图像数据进行处理的图形工作站、用于显示待测火焰原始图像的二维图像显示系统和用于显示将处理后的待测火焰图像数据经算法计算并处理后得到待测火焰三维结构的三维图像显示系统。

9.一种如权利要求1所述的重建炉膛内火焰三维结构的采集装置的采集方法，其特征在于，其包括以下步骤：

S₁、待测火焰各点的入射光经内窥镜系统在传像光路像面处的微透镜阵列上成像并形成像点，各像点在微透镜阵列后焦面的空间上分开；

S₂、微透镜阵列后焦面的各点光线在感光芯片上形成待测火焰不同成像路径的微像，并将该微像转化为电信号进入控制处理系统；

S₃、控制处理系统将收到的电信号转换为二维光场数据，并对不同成像路径的微像进行数字重聚焦得到三维光亮度分布，获得待测火焰的三维结构。

10.如权利要求9所述的采集方法，其特征在于，步骤S₃中对不同成像路径的微像进行数字重聚焦得到三维光亮度分布，获得待测火焰的三维结构的具体过程包括以下步骤：

S₃₁、待测火焰一点的入射光经传像光路和微透镜阵列后投影至感光芯片上对应的若干像元，这些像元共同组成一个宏像素，每个宏像素的坐标对应待测火焰像点的几何位置，而宏像素中所覆盖的每个感光芯片像元则代表目标火焰的不同视角信息；

S₃₂、对二维光场图像中的像素进行重新排列，得到四维光场矩阵，将四维光场重新投影至新的像面进行积分叠加，即可获得不同像面上的对焦图像；

S₃₃、通过对各对焦图像在深度估计的基础上进行空间排列，并进行高通滤波处理滤除非聚焦信息后，即可获得待测火焰的三维结构。