CN105571741A - 基于微透镜阵列与连续激光的火焰温度泛尺度光场探测方法 - Google Patents

Abstract

基于微透镜阵列与连续激光的火焰温度泛尺度光场探测方法，涉及高温热辐射测量技术领域。本发明是为了适应火焰光场探测中对于泛尺度分析的需求。本发明所述的基于微透镜阵列与连续激光的火焰温度泛尺度光场探测方法利用具有微透镜阵列的光场相机获取高温火焰不同方向上的辐射强度信息，通过将连续激光照射到火焰上，由探测器接收到的介质边界上的出射光谱辐射强度通过逆问题求解得到介质的光谱辐射特性参数，结合火焰自身的出射辐射强度重建出高温火焰的三维温度场。通过本发明能够实现对高温火焰的辐射特性参数和温度场的重建，并为光场相机的标定、测量等工作提供理论基础。

Description

基于微透镜阵列与连续激光的火焰温度泛尺度光场探测方法

技术领域

本发明属于高温热辐射测量技术领域，尤其涉及一种基于微透镜阵列与连续激光的火焰温度泛尺度光场探测方法。

背景技术

高温燃烧现象广泛存在于航空航天、能源动力、钢铁冶金、化工等领域，如火箭发动机、燃气轮机、内燃机、电站锅炉、煤气化反应器等高温设备中。火焰温度场的测量对于燃烧诊断具有十分重要的意义。常用的温度场测量方法主要包括接触式测温和非接触式测温两类，其中非接触式测温方法因为其不干扰流场、测量精度高、实时连续测量等优点而得到了越来越广泛的应用。光场成像技术是一种典型的非接触式测温技术，可通过一次成像获取三维全场辐射数字化信息。

对于非接触式测温技术，其关键问题在于建立高效、准确、稳定的介质温度场重建算法。参与性介质温度场反演属于典型的不适定问题，尤其是当介质的辐射特性参数未知时，需要同时反演介质的温度场和辐射特性参数，这给问题求解带来了很大困难。

利用反演的方法测量半透明介质的辐射物性，通常需要利用半透明材料表面的扩散光信号，目前对扩散光信号的测量主要有三种方法：时域测量、频域测量和稳态测量。

火焰光场探测中的热辐射传输过程，会涉及到空间、时间、角度、频率四个变量的多个数量级变化，如：对于采用微透镜阵列技术的光场相机而言，由于被探测火焰与相机镜头之间巨大的几何尺度差异，通过微透镜进行探测角度离散后的探测像元所代表的探测角度范围与相机自身的探测角度范围又存在着两个数量级以上的差距，此时的泛尺度分析就十分必要，然而现有技术中对于泛尺度分析领域却缺乏研究。

发明内容

本发明是为了适应火焰光场探测中对于泛尺度分析的需求，现提供基于微透镜阵列与连续激光的火焰温度泛尺度光场探测方法。

基于微透镜阵列与连续激光的火焰温度泛尺度光场探测方法，该方法是基于下述装置实现的，所属装置包括：激光控制器1、激光头2、光电探测器4、数据采集处理系统5和微透镜阵列光场相机6；

激光控制器1的激光控制信号输出端连接激光头2的激光控制信号输出端，光电探测器4均匀分布在火焰3周围，光电探测器4的光电探测信号输出端连接数据采集处理系统5的光电探测信号输入端，微透镜阵列光场相机6的断层三维辐射场信号输出端连接数据采集处理系统5的断层三维辐射场信号输入端；

所述方法包括以下步骤：

步骤一：开启激光控制器1，使激光头2发射出的连续激光入射到火焰3上，然后使激光头2顺时针旋转，且每次旋转的角度均为30°，直至激光头2旋转回初始位置，激光头2每旋转一次则利用光电探测器4采集一次火焰3透射或反射出的激光，然后将光电探测器4获得的所有光电探测信号发送至数据采集处理系统5中，数据采集处理系统5分别对其获得的光电探测信号进行处理，获得火焰3边界的出射光谱辐射强度值I_mi，i为激光头2旋转次数，i＝1，2，...，12；

步骤二：关闭激光控制器1，保持火焰3稳定，利用微透镜阵列光场相机6从单角度成像获取完整的火焰3断层三维辐射场信号，然后将该火焰3断层三维辐射场信号发送至数据采集处理系统5，数据采集处理系统5对火焰3断层三维辐射场信号进行处理，获得火焰3自身的出射光谱辐射强度测量值I_n；

步骤三：将步骤一获得的火焰3边界的出射光谱辐射强度值I_mi分别与步骤二获得的火焰3自身的出射光谱辐射强度测量值I_n作差，获得消除了自辐射的光谱辐射强度测量值M_i；

步骤四：根据逆问题算法假设火焰光谱辐射物性参数为k，将该火焰光谱辐射物性参数k代入稳态辐射传输方程，并对该稳态辐射传输方程求解获得消除了自辐射的光谱辐射强度估计值E_i；

步骤五：以步骤三获得的光谱辐射强度测量值M_i与步骤四获得的光谱辐射强度估计值E_i的最小二乘作为火焰光谱辐射物性参数目标函数方程，并求解该火焰光谱辐射物性参数目标函数方程的目标函数值，然后将该目标函数值与火焰光谱辐射物性参数的给定目标函数阈值进行比较，判断目标函数值是否小于给定目标函数阈值，是则步骤四中假设的火焰光谱辐射物性参数k为真实的火焰光谱辐射物性参数，然后执行步骤六，否则返回步骤四；

步骤六：利用真实的火焰光谱辐射物性参数和逆问题算法假设火焰温度场为T，将假设火焰温度场T代入火焰3的温度场辐射传输方程，并对火焰3的温度场辐射传输方程求解获得火焰3自身的出射辐射强度估计值I'_n；

步骤七：利用步骤二获得的出射光谱辐射强度测量值I_n和步骤六获得的出射辐射强度估计值I'_n构造温度场目标函数方程，并求解该温度场目标函数方程的温度场目标函数值，然后将该温度场目标函数值与温度场给定目标函数阈值进行比较，判断该温度场目标函数值是否小于温度场给定目标函数阈值，是则步骤六中假设的火焰温度场T为火焰3的真实温度场，完成火焰温度泛尺度光场探测，否则返回步骤六。

本发明所述的基于微透镜阵列与连续激光的火焰温度泛尺度光场探测方法，主要包括：高温火焰辐射测量、高温火焰辐射特性参数计算、温度场重建等环节。利用具有微透镜阵列的光场相机获取高温火焰不同方向上的辐射强度信息，通过将连续激光照射到火焰上，由探测器接收到的介质边界上的出射光谱辐射强度通过逆问题求解得到介质的光谱辐射特性参数，结合火焰自身的出射辐射强度重建出高温火焰的三维温度场。通过本发明的仿真计算，可实现对高温火焰的辐射特性参数和温度场的重建，并为光场相机的标定、测量等工作提供理论基础。

附图说明

图1为实现步骤一时所采用的硬件的结构示意图；

图2为实现步骤二时所采用的硬件的结构示意图；

图3为基于微透镜阵列与连续激光的火焰温度泛尺度光场探测方法的流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1、图2和图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于微透镜阵列与连续激光的火焰温度泛尺度光场探测方法，该方法是基于下述装置实现的，所属装置包括：激光控制器1、激光头2、光电探测器4、数据采集处理系统5和微透镜阵列光场相机6；

激光控制器1的激光控制信号输出端连接激光头2的激光控制信号输出端，

光电探测器4均匀分布在火焰3周围，

光电探测器4的光电探测信号输出端连接数据采集处理系统5的光电探测信号输入端，

微透镜阵列光场相机6的断层三维辐射场信号输出端连接数据采集处理系统5的断层三维辐射场信号输入端；

所述方法包括以下步骤：

步骤一：开启激光控制器1，使激光头2发射出的连续激光入射到火焰3上，然后使激光头2顺时针旋转，且每次旋转的角度均为30°，直至激光头2旋转回初始位置，激光头2每旋转一次则利用光电探测器4采集一次火焰3透射或反射出的激光，然后将光电探测器4获得的所有光电探测信号发送至数据采集处理系统5中，数据采集处理系统5分别对其获得的光电探测信号进行处理，获得火焰3边界的出射光谱辐射强度值I_mi，i为激光头2旋转次数，i＝1，2，...，12；

步骤二：关闭激光控制器1，保持火焰3稳定，利用微透镜阵列光场相机6从单角度成像获取完整的火焰3断层三维辐射场信号，然后将该火焰3断层三维辐射场信号发送至数据采集处理系统5，数据采集处理系统5对火焰3断层三维辐射场信号进行处理，获得火焰3自身的出射光谱辐射强度测量值I_n；

步骤三：将步骤一获得的火焰3边界的出射光谱辐射强度值I_mi分别与步骤二获得的火焰3自身的出射光谱辐射强度测量值I_n作差，获得消除了自辐射的光谱辐射强度测量值M_i；

步骤四：根据逆问题算法假设火焰光谱辐射物性参数为k，将该火焰光谱辐射物性参数k代入稳态辐射传输方程，并对该稳态辐射传输方程求解获得消除了自辐射的光谱辐射强度估计值E_i；

步骤五：以步骤三获得的光谱辐射强度测量值M_i与步骤四获得的光谱辐射强度估计值E_i的最小二乘作为火焰光谱辐射物性参数目标函数方程，并求解该火焰光谱辐射物性参数目标函数方程的目标函数值，然后将该目标函数值与火焰光谱辐射物性参数的给定目标函数阈值进行比较，判断目标函数值是否小于给定目标函数阈值，是则步骤四中假设的火焰光谱辐射物性参数k为真实的火焰光谱辐射物性参数，然后执行步骤六，否则返回步骤四；

步骤六：利用真实的火焰光谱辐射物性参数和逆问题算法假设火焰温度场为T，将假设火焰温度场T代入火焰3的温度场辐射传输方程，并对火焰3的温度场辐射传输方程求解获得火焰3自身的出射辐射强度估计值I'_n；

步骤七：利用步骤二获得的出射光谱辐射强度测量值I_n和步骤六获得的出射辐射强度估计值I'_n构造温度场目标函数方程，并求解该温度场目标函数方程的温度场目标函数值，然后将该温度场目标函数值与温度场给定目标函数阈值进行比较，判断该温度场目标函数值是否小于温度场给定目标函数阈值，是则步骤六中假设的火焰温度场T为火焰3的真实温度场，完成火焰温度泛尺度光场探测，否则返回步骤六。

本实施方式中，火焰3为高温火焰，其温度范围在1000～3000℃之间。

通过激光控制器1触发激光脉冲，照射到火焰3表面，激光在火焰3中被吸收和散射后会从火焰边界透射或反射出来，利用布置在火焰3周围的光电探测器4接收出射信号，信号经电缆进入数据采集处理系统5，最终获得火焰3边界不同方向的出射光谱辐射强度值I_mi。

步骤三中，出射光谱辐射强度值M_i为：激光穿透火焰3后消除了火焰3自身辐射的光谱辐射强度值。

步骤四中，逆问题算法采用共轭梯度法。

消除了自辐射的光谱辐射强度估计值E_i为：在激光照射的情况下火焰边界的出射光谱辐射强度估计值与无激光照射时火焰本身的出射光谱辐射强度估计值的差值，由于估计火焰边界的出射光谱辐射强度时也需要配合估计出激光头2旋转过程的所有值，因此本步骤中所估计的差值也为i个。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于微透镜阵列与连续激光的火焰温度泛尺度光场探测方法作进一步说明，本实施方式中，步骤四中，假设的火焰光谱辐射物性参数k包括：火焰3的吸收系数κ_a和火焰3的散射系数κ_s，火焰3的衰减系数κ_e为火焰3的吸收系数κ_a与火焰3的散射系数κ_s之和。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式二所述的基于微透镜阵列与连续激光的火焰温度泛尺度光场探测方法作进一步说明，本实施方式中，步骤四中利用离散坐标法对稳态辐射传输方程求解，稳态辐射传输方程的表达式如下：

$\frac{{\mathrm{dE}}_i(r,\mathrm{\Ω})}{ds}=-{\mathrm{\κ}}_e{E}_i(r,\mathrm{\Ω})+\frac{{\mathrm{\κ}}_s}{4\mathrm{\π}}{\∫}_{4\mathrm{\π}}{E}_i(r,{\mathrm{\Ω}}^{\′})\mathrm{\Φ}({\mathrm{\Ω}}^{\′},\mathrm{\Ω}){\mathrm{d\Ω}}^{\′}$

其中，r为辐射位置，Ω为辐射入射方向，Ω′为辐射散射方向，Φ(Ω′,Ω)为火焰3的散射相函数。

本实施方式中，根据上述参数的定义可知E_i(r,Ω)为在辐射位置为r、辐射入射方向为Ω处的辐射强度。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于微透镜阵列与连续激光的火焰温度泛尺度光场探测方法作进一步说明，本实施方式中，步骤五中火焰光谱辐射物性参数目标函数方程的表达式如下：

$F_{obj}=\frac{1}{N_m}\underset{i=1}{\overset{N_m}{\Σ}}{\[(M_i-E_i)/M_i\]}^2$

其中，M_i表示辐射强度的测量值，E_i表示辐射强度的估计值，F_obj表示火焰光谱辐射物性参数目标函数值，N_m表示估计的辐射强度值的个数。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于微透镜阵列与连续激光的火焰温度泛尺度光场探测方法作进一步说明，本实施方式中，步骤六中火焰3的辐射传输方程的表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{dI(s,s)}{ds}=-{\mathrm{\κ}}_{e}I(s,s)+S(s,s)\\ S(s,s)={\mathrm{\κ}}_a{I}_b\left(s\right)+\frac{{\mathrm{\κ}}_s}{4\mathrm{\π}}{\∫}_{{\mathrm{\Ω}}_i=4\mathrm{\π}}I(s,s_i)\mathrm{\Φ}(s_i,s){\mathrm{d\Ω}}^i\end{array}\right.$

其中，I(s,s)表示位置为s、方向为s处的辐射强度，I_b(s)表示黑体辐射强度，可表示为其中σ为黑体辐射常数，T为火焰温度场，κ_a表示火焰3的吸收系数，κ_s表示火焰3的散射系数，κ_e表示火焰3的衰减系数，Φ(s_i,s)表示散射相函数，S(s,s)表示广义源项。

本实施方式中，广义源项S(s,s)由有限体积法求得。

若要求解沿BA方向的辐射强度，则可以将辐射传输方程改写为沿BA方向的形式，如下所示：

$\frac{dI(s,s_{BA})}{ds}=-{\mathrm{\κ}}_{e}I(s,s_{BA})+S_s^{BA}$

则s_BA表示辐射方向BA方向，表示BA方向的广义源项。

火焰3自身的出射辐射强度估计值I'_n能够通过对辐射方程进行分段积分来求得，该出射辐射强度估计值I'_n为任意探测方向上从边界到探测器的出射辐射强度，如下式所示：

$I_n^{\′}=S_m^{BA}\[1-\exp (-{\mathrm{\κ}}_e{\mathrm{\Δs}}_m)\]+\underset{i=1}{\overset{m-1}{\Σ}}\[\exp (-\underset{l=i+1}{\overset{m}{\Σ}}{\mathrm{\κ}}_e{\mathrm{\Δs}}_l)-\exp (-\underset{l=i}{\overset{m}{\Σ}}{\mathrm{\κ}}_e{\mathrm{\Δs}}_l)\]S_i^{BA}$

其中，表示第m个网格的广义源项，△s_m表示第m个网格的微元长度，m表示网格总数，l表示网格序号，△s_l表示第l个网格的微元长度，表示第i个网格的广义源项。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于微透镜阵列与连续激光的火焰温度泛尺度光场探测方法作进一步说明，本实施方式中，步骤七中温度场目标函数的表达式如下：

$F_{obj}\left(T\right)=\frac{\left|\right|I_n^{\′}-I_n\left|\right|}{\left|\right|I_n\left|\right|}$

其中，F_obj(T)表示温度场目标函数值。

Claims (6)

1.基于微透镜阵列与连续激光的火焰温度泛尺度光场探测方法，该方法是基于下述装置实现的，所属装置包括：激光控制器(1)、激光头(2)、光电探测器(4)、数据采集处理系统(5)和微透镜阵列光场相机(6)；

激光控制器(1)的激光控制信号输出端连接激光头(2)的激光控制信号输出端，光电探测器(4)均匀分布在火焰(3)周围，光电探测器(4)的光电探测信号输出端连接数据采集处理系统(5)的光电探测信号输入端，微透镜阵列光场相机(6)的断层三维辐射场信号输出端连接数据采集处理系统(5)的断层三维辐射场信号输入端；

其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一：开启激光控制器(1)，使激光头(2)发射出的连续激光入射到火焰(3)上，然后使激光头(2)顺时针旋转，且每次旋转的角度均为30°，直至激光头(2)旋转回初始位置，激光头(2)每旋转一次则利用光电探测器(4)采集一次火焰(3)透射或反射出的激光，然后将光电探测器(4)获得的所有光电探测信号发送至数据采集处理系统(5)中，数据采集处理系统(5)分别对其获得的光电探测信号进行处理，获得火焰(3)边界的出射光谱辐射强度值I_mi，i为激光头(2)旋转次数，i＝1，2，...，12；

步骤二：关闭激光控制器(1)，保持火焰(3)稳定，利用微透镜阵列光场相机(6)从单角度成像获取完整的火焰(3)断层三维辐射场信号，然后将该火焰(3)断层三维辐射场信号发送至数据采集处理系统(5)，数据采集处理系统(5)对火焰(3)断层三维辐射场信号进行处理，获得火焰(3)自身的出射光谱辐射强度测量值I_n；

步骤三：将步骤一获得的火焰(3)边界的出射光谱辐射强度值I_mi分别与步骤二获得的火焰(3)自身的出射光谱辐射强度测量值I_n作差，获得消除了自辐射的光谱辐射强度测量值M_i；

步骤四：根据逆问题算法假设火焰光谱辐射物性参数为k，将该火焰光谱辐射物性参数k代入稳态辐射传输方程，并对该稳态辐射传输方程求解获得消除了自辐射的光谱辐射强度估计值E_i；

步骤五：以步骤三获得的光谱辐射强度测量值M_i与步骤四获得的光谱辐射强度估计值E_i的最小二乘作为火焰光谱辐射物性参数目标函数方程，并求解该火焰光谱辐射物性参数目标函数方程的目标函数值，然后将该目标函数值与火焰光谱辐射物性参数的给定目标函数阈值进行比较，判断目标函数值是否小于给定目标函数阈值，是则步骤四中假设的火焰光谱辐射物性参数k为真实的火焰光谱辐射物性参数，然后执行步骤六，否则返回步骤四；

步骤六：利用真实的火焰光谱辐射物性参数和逆问题算法假设火焰温度场为T，将假设火焰温度场T代入火焰(3)的温度场辐射传输方程，并对火焰(3)的温度场辐射传输方程求解获得火焰(3)自身的出射辐射强度估计值I'_n；

步骤七：利用步骤二获得的出射光谱辐射强度测量值I_n和步骤六获得的出射辐射强度估计值I'_n构造温度场目标函数方程，并求解该温度场目标函数方程的温度场目标函数值，然后将该温度场目标函数值与温度场给定目标函数阈值进行比较，判断该温度场目标函数值是否小于温度场给定目标函数阈值，是则步骤六中假设的火焰温度场T为火焰(3)的真实温度场，完成火焰温度泛尺度光场探测，否则返回步骤六。

2.根据权利要求1所述的基于微透镜阵列与连续激光的火焰温度泛尺度光场探测方法，其特征在于，步骤四中，假设的火焰光谱辐射物性参数k包括：火焰(3)的吸收系数κ_a和火焰(3)的散射系数κ_s，火焰(3)的衰减系数κ_e为火焰(3)的吸收系数κ_a与火焰(3)的散射系数κ_s之和。

3.根据权利要求2所述的基于微透镜阵列与连续激光的火焰温度泛尺度光场探测方法，其特征在于，步骤四中利用离散坐标法对稳态辐射传输方程求解，稳态辐射传输方程的表达式如下：

$\frac{{\mathrm{dE}}_i(r,\mathrm{\Ω})}{ds}=-{\mathrm{\κ}}_e{E}_i(r,\mathrm{\Ω})+\frac{{\mathrm{\κ}}_s}{4\mathrm{\π}}{\∫}_{4\mathrm{\π}}{E}_i(r,{\mathrm{\Ω}}^{\′})\mathrm{\Φ}({\mathrm{\Ω}}^{\′},\mathrm{\Ω}){\mathrm{d\Ω}}^{\′}$

其中，r为辐射位置，Ω为辐射入射方向，Ω′为辐射散射方向，Φ(Ω′,Ω)为火焰(3)的散射相函数。

4.根据权利要求1所述的基于微透镜阵列与连续激光的火焰温度泛尺度光场探测方法，其特征在于，步骤五中火焰光谱辐射物性参数目标函数方程的表达式如下：

$F_{obj}=\frac{1}{N_m}\underset{i=1}{\overset{N_m}{\Σ}}{\[(M_i-E_i)/M_i\]}^2$

其中，M_i表示辐射强度的测量值，E_i表示辐射强度的估计值，F_obj表示火焰光谱辐射物性参数目标函数值，N_m表示估计的辐射强度值的个数。

5.根据权利要求1所述的基于微透镜阵列与连续激光的火焰温度泛尺度光场探测方法，其特征在于，步骤六中火焰(3)的辐射传输方程的表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{dI(s,s)}{ds}=-{\mathrm{\κ}}_{e}I(s,s)+S(s,s)\\ S(s,s)={\mathrm{\κ}}_a{I}_b\left(s\right)+\frac{{\mathrm{\κ}}_s}{4\mathrm{\π}}{\∫}_{{\mathrm{\Ω}}_i=4\mathrm{\π}}I(s,s_i)\mathrm{\Φ}(s_i,s){\mathrm{d\Ω}}^i\end{array}\right.$

其中，I(s,s)表示位置为s、方向为s处的辐射强度，I_b(s)表示黑体辐射强度，可表示为其中σ为黑体辐射常数，T为火焰温度场，κ_a表示火焰(3)的吸收系数，κ_s表示火焰(3)的散射系数，κ_e表示火焰(3)的衰减系数，Φ(s_i,s)表示散射相函数，S(s,s)表示广义源项。

6.根据权利要求1所述的基于微透镜阵列与连续激光的火焰温度泛尺度光场探测方法，其特征在于，步骤七中温度场目标函数的表达式如下：

$F_{obj}\left(T\right)=\frac{\left|\right|I_n^{\′}-I_n\left|\right|}{\left|\right|I_n\left|\right|}$

其中，F_obj(T)表示温度场目标函数值。