CN105606222A - 一种火焰三维温度场测量的成像装置、测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种火焰三维温度场测量的成像装置、测量装置及测量方法，其中成像装置包括主透镜及相机探测器面，其特征在于：在所述主透镜与相机探测器面之间还设置有一微透镜阵列，所述微透镜阵列的虚拟焦平面与所述主透镜的虚拟像面共面，所述微透镜阵列将进入所述主透镜的光线成像于所述相机探测器面上不同像素上。相比于传统相机，本发明成像装置能够分辨光线方向，进一步建立辐射传递模型，通过反演算法获得火焰三维温度场，更加准确地记录火焰各方向的辐射信息，测量结果更加精确；相比于基于多台相机的层析成像技术，只需单成像装置，不需要使用多台相机，无需对各台相机进行复杂同步控制，测量系统简单，易于实现。

Description

一种火焰三维温度场测量的成像装置、测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于燃烧火焰温度场测量技术领域，具体涉及一种用于燃烧火焰三维温度场测量的成像装置、测量装置及测量方法。

背景技术

温度是表征燃烧火焰一个主要的参数。火焰三维温度场的测量，对全面研析火焰的燃烧反应速度、三维结构、组分生成、整体特性等有决定性作用，有助于揭示燃烧现象的本质和燃烧过程的规律，也有助于燃烧设备的工程设计改进和运行优化，最终对能源的高效利用和低污染排放产生重大意义。因此，火焰三维温度场的测量是燃烧火焰研究中的重要主题之一。

火焰温度的测量方法可分为接触法和非接触法两大类。接触法以热电偶的应用最为广泛，热电偶将火焰中某点的温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表(二次仪表)转换成被测介质的温度。但将热电偶应用于测量火焰三维温度场，需要在火焰中布置大量热电偶来获得三维信息，因此存在着结构复杂、对火焰产生干扰等缺点。此外，由于和火焰直接接触，还存在着热电偶由于腐蚀等原因导致的寿命缩减的问题。

非接触法又可分为主动式和被动式两大类。主动式测量方法是外界施加测量信号(如激光、声波等)，激光光谱法最为常见，包括基于干涉原理的激光全息干涉法、激光散斑成像法、纹影法、激光径向剪切干涉法，以及基于对激光光谱信号强度与Boltzmann公式相结合的拉曼散射光谱法、瑞丽散射光谱法、CARS光谱法、LIF、TDLAS等，这些测量技术不仅可以获得火焰温度，同时还能测量燃烧过程的中间组分，具有较高的时间分辨率和空间分辨率，此类测量技术是目前研究的一个热点。但基于激光的测温技术存在设备使用环境要求高、价格昂贵、操作复杂等缺点，目前还极少用于工业现场的温度测量，主要用于实验室内燃烧火焰诊断。

被动式测量方法以被测对象自身辐射信息作为测量信号。随着图像传感器技术的发展，相机配置参数逐渐提高，可以利用火焰辐射图像开展温度和辐射特性测量，同光谱法相比，可得到二维或三维场检测结果。现阶段主要有两种方法，一种是利用多台相机拍摄火焰图像，结合层析成像法，反演出火焰内部各层的截面图像，根据标定的图像灰度与温度关系，得到火焰各层的截面温度分布。该方法以较高的空间分辨率测得火焰的三维温度场，目前已有应用于工业火焰的监测的实例。然而该方法所测得的温度是根据图像灰度直接标定出来的温度，与火焰的真实温度还有一定差异，同时对各台相机之间空间位置的耦合，时间上的同步具有严格的要求，系统以及装置较为复杂，对于大型火焰如航天发动机的尾焰适用性较低。

另一种是利用若干台相机拍摄火焰图像，根据黑体炉标定结果将火焰图像转化成辐射强度分布，建立火焰内部各部分辐射强度至相机探测面辐射强度的辐射传递模型，通过反演算法对其求解得到各部分辐射强度，进而利用Planck公式计算出火焰内部各部分的温度。该方法能够较为精确地测得火焰三维温度场，但是该方法使用的是传统相机，拍摄火焰，记录火焰各方向辐射量时，由于传统相机无法分辨光线方向，将投射到相机探测面同一像素的不同方向的一束光线，近似成通过成像系统光心的一条光线，即连接火焰，光心和对应像素的光线(针孔模型)。这种近似要求火焰和相机距离足够远，每束成像光线的孔径角足够小，否则会导致近似误差较大。然而，如果火焰离相机较远时，相机拍摄的火焰图像位置分辨率必然降低，即探测面每个像素对应的该部分火焰尺寸增大，针孔模型近似的误差也会增大。因此该方法在火焰各方向辐射量的记录上存在明显的不足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提出了一种可记录光线强度和方向的用于火焰三维温度场测量的成像装置及采用该成像装置测量火焰三维温度场的方法。

一种火焰三维温度场测量的成像装置，包括主透镜及相机探测器面，其特征在于：在所述主透镜与相机探测器面之间还设置有一微透镜阵列，所述微透镜阵列的虚拟焦平面与所述主透镜的虚拟像面共面，所述微透镜阵列将进入所述主透镜的光线成像于所述相机探测器面上不同像素上。

所述主镜头是由多片镜片组成的镜头组。

所述探测器面被所述微透镜阵列划分为M×N个子图像，各子图像包含的像素为P×Q。其中，M，N，P，Q都大于等于2。

一种火焰三维温度场测量装置，包括成像装置以及图像处理单元，其特征在于，所述成像装置用于获取记录有光线强度信息和方向信息的光场图像，该成像装置包括主透镜及相机探测器面，在所述主透镜与相机探测器面之间还设置有一微透镜阵列，所述微透镜阵列的焦平面与所述主透镜的虚拟像面共面，所述微透镜阵列将进入所述主透镜的光线成像于所述相机探测器面上不同像素上；

所述图像处理单元，根据光场图像记录的光线方向信息得到虚拟光源点的坐标；根据虚拟光源点的坐标和探测器面上像素的坐标，计算虚拟光源点辐射到探测器面上像素点的光程；根据光场图像记录的光线强度信息和光程，计算虚拟光源点的辐射强度；根据虚拟光源点的辐射强度得到火焰三维温度场的火焰温度。

一种火焰三维温度场测量方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一、对成像装置的辐射强度进行标定：曲线拟合图像灰度均值与对应辐射强度值的关系；

步骤二、对成像装置的光学参数进行标定：确定微透镜阵列的虚拟焦平面与相机探测器面之间的距离、虚拟焦平面与主透镜等效面之间的距离以及主透镜等效面与主镜头虚拟像面之间的距离；

步骤三、使用成像装置拍摄火焰图像，根据火焰图像的灰度信息，使用步骤一拟合得到的灰度值与对应辐射强度的关系式，计算火焰图像各像素的灰度值对应的辐射强度值；

步骤四、从相机探测器面上每个像素点开始逆向追踪像素对应光线，确定对应的虚拟光源点的坐标；

根据对应的虚拟光源点的坐标和机探测器面上每个像素点的坐标计算对应虚拟光源点辐射到探测器面上每个像素点的光程；

根据得到的光程及火焰图像中像素点对应的辐射强度值，采用基于像素对应光线强度的辐射传输方程，计算虚拟光源点的辐射强度值；

步骤五、根据虚拟光源点的辐射强度值计算虚拟光源点的温度值从而得到火焰的三维温度场。

所述步骤四虚拟光源点的坐标(O_x，O_y)采用如下公式确定：

$\frac{1}{l+s_v}-\frac{1}{s_o}=\frac{1}{f}$

$\mathrm{\β}=\frac{V_x-X}{O_x-X}=\frac{V_y-Y}{O_y-Y}=\frac{l+s_v}{s_o}$

式中，f是主镜头的焦距，β是主镜头的横向放大率，s_o是虚拟焦平面到主镜头等效面的距离，l为主透镜等效面到虚拟像面的距离，s_v是虚拟像面到微透镜阵列的距离，(X，Y)是主透镜等效面中心点的坐标，(V_x，V_y)为虚拟像点的坐标；

$\frac{1}{l_m}-\frac{1}{s_v}=\frac{1}{f_m}$

${\mathrm{\β}}_m=\frac{P_x-M_x}{V_x-M_x}=\frac{P_y-M_y}{V_y-M_y}=\frac{l_m}{s_v}$

式中，β_m是微透镜阵列的横向放大率，f_m为微透镜阵列上微透镜的焦距，l_m为相机探测器面到微透镜阵列的距离，(P_x，P_y)为相机探测器面上像素点的坐标。

所述步骤四虚拟光源点的辐射强度值的计算方法为：

将火焰按径向r，轴向z和周向ψ划分成m个控制体，建立基于像素对应光线强度的辐射传输方程：

$\frac{{\mathrm{dI}}_L^{\±}}{{\mathrm{d\τ}}_L}=-I_L^{\±}+I_b$

式中，I^± _L为火焰光线沿L方向的辐射强度,τ_L为虚拟光源点发出的光线沿相应方向，通过每个控制体的光程，其涉及到的火焰衰减系数，可以使用已有的研究数据作为近似值。I_b为每个控制体的黑体辐射强度；

将上述辐射传输方程离散化，各像素对应光线的辐射传输方程组成线性方程组如下式所示：

$I_n={\mathrm{Ib}}_n(1-\exp (-{\mathrm{\τ}}_n\left)\right)+\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(\exp \right(-\underset{j=i+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\τ}}_j)-\exp (-\underset{j=i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\τ}}_j\left)\right){\mathrm{Ib}}_i$

式中，I_n为探测面探测到的光线强度；Ib_i和τ_i分别为光线穿过的第i(1～n)个控制体的黑体辐射强度和光程，同理，Ib_n和τ_n分别为光线穿过的最后一个控制体的黑体辐射强度和光程，I为相机探测面上所有能够探测到光线的像素的光强值组成的向量：

I＝A·IB

IB为火焰所有控制体的黑体辐射强度组成的向量，A为对应的系数矩阵。

各控制体对应的火焰温度T_i为：

T_i＝c₂/λln[c₁/(λ⁵πIb_i)+1]

式中，c₁为第一辐射常数，c₂为第二辐射常数，λ为火焰辐射的光线的波长。

本发明采用单个成像装置拍摄记录火焰图像，本发明成像装置不仅能够记录火焰辐射的光线的强度，还能分辨光线的方向，进而根据相机探测器辐射强度的标定结果，将火焰图像转化成火焰各方向上的辐射强度信息。根据相机成像的基本原理，对探测器上各像素对应光线进行追迹直至火焰内部，利用火焰对应各方向的辐射强度信息分别列出辐射传递方程，构成线性方程组，使用带非负性约束的LSQR算法求解该方程组得到的火焰各控制体黑体辐射强度，进而结合Planck公式计算火焰各控制体的温度，实现火焰三维温度场测量。

根据几何光学，相机聚焦平面上的光源发出成像光束，经成像系统投射到相机探测面，进而成像。发光火焰中含有弥散的高温粒子，此时成像的实际光源点，并不是在一个面上，而是存在于整个火焰体中，因此相机焦平面并不是实际存在的面，将相机拍摄火焰时对应的聚焦平面称作虚拟焦平面(或虚拟物面)，其上得点称作虚拟光源点。

本发明成像装置不同于传统相机，置一个微透镜阵列于主镜头和探测器之间，每个微透镜接收经主透镜进入的光线后，然后将不同方向的光线聚焦到微透镜下的不同位置的像素。这样，传感器所有像素被M×N的微透镜阵列划分为M×N个子图像，子图像中每个像素都对应着某个特定方向的光线，代表着目标某位置的成像。虽然传感器对于目标的位置分辨率因此有所降低，但是通过微透镜的划分，探测器同时记录了二维的强度信息和二维的方向信息，构成光场的四维数据。因此相比于传统相机，在相机探测器之前增加的微透镜阵列，使得成像装置不仅能够记录投射到相机探测器上光线的强度信息，还能够分辨光线的方向，从而实现四维光场的记录。

对于该相机，将主透镜和微透镜阵列看作一个统一的成像系统，虚拟焦平面是相机探测面在物空间的共轭面。若将主透镜和微透镜阵列看作两个独立的成像单元，相机的成像过程可分为两步：第一步由主透镜成像，第二步再由微透镜阵列成像。虚拟焦平面关于主透镜成像系统有一个共轭的像面，由于没有成像探测器记录这一像，称作虚拟像面，虚拟像面作为微透镜阵列成像系统的物面，关于微透镜阵列也有一个共轭像面，即相机的探测面。虚拟光源点，经过这两个成像单元，最后在探测面上成像。利用具有微透镜阵列的单相机作为成像装置拍摄火焰，记录火焰的辐射强度及方向信息，用于火焰三维温度场的测量。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)相比于传统相机，本发明成像装置能够分辨光线方向，进一步建立辐射传递模型，通过反演算法获得火焰三维温度场，更加准确地记录火焰各方向的辐射信息，测量结果更加精确；

(2)相比于基于多台相机的层析成像技术，只需单成像装置，不需要使用多台相机，无需对各台相机进行复杂同步控制，测量系统简单，易于实现；

(3)单相机测量系统紧凑，便于携带、安装，对不同火焰的适用范围广，适合应用于工业现场。

附图说明

图1是本发明成像装置记录火焰辐射信息的原理图；

图2是相机主镜头等效面的标定原理图；

图3是相机主镜头等效面的标定装置示意图；

图4是坐标系关联向量测量示意图；

图5是火焰三维温度场测量装置示意图；

图6是相机像素对应光线的光线追迹示意图；

其中，1—火焰、2—相机、3—虚拟焦平面、4—虚拟光源点、5—主镜头等效面、6—虚拟像面、7—虚拟像点、8—微透镜阵列、9—相机探测器面、10—像素点、11、12、13—火焰辐射的光线、14、15—微透镜、16—标定板、17—标尺、18—支架、19—燃烧器、20—三脚架、21—直尺、22—图像、23—燃烧器出口中心标记点图像、24—图像中心线、25—图像底边界、26—直尺图像、27—主镜头等效面中心点、28—像素对应光线、29—像素对应光线与主镜头等效面的交点、30—微透镜中心点。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明用于火焰温度场测量的成像装置，为在主透镜1与相机探测器面9之间增设有微透镜阵列8而形成的相机2，相机2的光路结构如图1所示。火焰1中某一发光光源，即虚拟光源点4发出的一束光线(从光线11至光线12的一束光线)经过相机的主镜头后，汇聚于虚拟像面6上的虚拟像点7处，对于传统相机，其探测面位置应置于该处，对虚拟光源点4成像，这样传统相机该像素点接收的火焰辐射强度，为光线11与光线12之间所有光线通过该点之前和该点之后的火焰体之后的辐射强度之和，传统相机无法进一步分辨这些光线的方向。

不同于传统相机，置一微透镜阵列8与主镜头5与相机探测器面9之间，使得从光线11至光线12的这束光线经过不同微透镜14、15之后，汇聚到相机探测器面9上的不同像素上，根据像素点10的位置，和对应的微透镜14的位置，可以确定光线的方向。因而对于像素点10，其记录的是汇聚到其上的光线11与光线13之间的一束光线的强度，以及经过微透镜14的该束光线的方向。这样该相机利用微透镜阵列8完成对火焰辐射的强度和方向信息的记录。

基于单相机的火焰三维温度场测量方法，其步骤包括如下：

步骤一、将单相机固定在火焰之前，调整距离，使得火焰图像能够完整并且尽可能大地被拍摄下来。调整曝光时间，保证火焰图像各部分没有过曝区域并且火焰整体灰度不能过暗。将黑体炉置于相同距离下，使用相同曝光时间，从使黑体炉图像灰度值略高于15的温度值，到使黑体炉图像灰度值略低于250的温度值，以50℃为间隔，设置不同的黑体炉温度，拍摄不同温度下的黑体炉图像，并将黑体炉图像灰度值减去无光照时相机拍摄的黑图像灰度值，来对黑体炉图像进行降噪。使用式(1)计算不同温度下黑体炉图像对应的辐射强度值。

$I=\frac{E_{b\mathrm{\λ}}}{\mathrm{\π}}=\frac{c_1{\mathrm{\λ}}^{-5}}{\mathrm{\π}(\exp \[c_2/(\mathrm{\λ}T)\]-1)}---\left(1\right)$

式中，c₁为第一辐射常数，c₂为第二辐射常数，λ为火焰辐射的光线的波长。对每一幅黑体炉图像选取标定区域，计算每幅图像标定区域灰度值的标准差，确保在标定区域内，标准差小于5％，使得灰度衰减在可接受范围之内。计算每幅图像标定区域的灰度均值，曲线拟合图像灰度均值与对应辐射强度值的关系，完成相机CCD辐射强度的标定。

步骤二、相机光学参数的标定。标定原理如图2所示，标定装置示意图如图3所示。将相机2固定在支架18上，支架再置于标尺17上，可前后移动，假定主镜头等效面5位于主镜头的中间位置，使用高斯成像公式计算虚拟焦平面的距离500mm，以该距离为参考，移动相机2的位置，选择足够大的标定板16固定在标尺17上，使得标定板16的图像在相机18移动时始终能够充满整个相机探测器面9。以5mm为间隔，移动相机2，从100mm到900mm设置标定板16与相机探测器面9之间的距离D，拍摄不同距离D处的标定板16的图像，使用式(3)计算对应的SMD值。

$SMD=\frac{1}{n_p}\[\mathrm{\Σ}|I(x,y)-I(x,y-1)|+\mathrm{\Σ}|I(x,y)-I(x+1,y)|\]---\left(3\right)$

式中：I(x,y)对应于探测面(x,y)位置的灰度值；n_p为图像的像素总数。SMD的最大值对应的D即为相机虚拟焦平面3与相机探测器面9之间的距离。

微透镜的焦距f_m和微透镜阵列8与相机探测器面9的距离l_m作为已知量，利用下式：

$\frac{1}{l_m}-\frac{1}{s_v}=\frac{1}{f_m}---\left(2\right)$

计算虚拟像面6与微透镜阵列8的距离-s_v。相机虚拟焦平面3与相机探测器面9之间的距离D、虚拟像面6与微透镜阵列8的距离-s_v、主镜头的焦距f作为已知量，联立式(4)和(5)解出虚拟焦平面3和主镜头等效面5的距离-s_o，以及主镜头等效面5与虚拟像面6的距离l。

(-s_o)+l+(-s_v)＝D(4)

$\frac{1}{l}-\frac{1}{s_o}=\frac{1}{f}---\left(5\right)$

步骤三、按照调整好的距离和曝光时间，使用相机2拍摄火焰图像，以记录火焰各方向的辐射信息；以燃烧器19出口中心为原点建立如图4所示的全局坐标系(物理坐标系)，以相机主镜头等效面5中心为原点建立如图4所示的局部坐标系(相机坐标系)，相机坐标系用x′＝[x′，y′，z′]^T，通常x轴设在于图像平面垂直的光轴上，物理坐标系用x＝[x，y，z]^T，两个坐标系通过两个线性变换来关联：一个平移，一个旋转。平移是坐标原点的移动(具有三个自由度)，可用一个向量t来描述，旋转同样有三个自由度：ψ和θ，根据三个旋转参数得到一个3×3的正交矩阵R。物理坐标系与相机坐标系之间采用下式来关联：

x＝R(x′-t)(6)

如图5所示，燃烧器19的出口处固定一把直尺21，拍摄燃烧器及直尺，得到图像22，调整三脚架20，使得直尺的图像26构成的直线与图像底边界25平行，这样，相机坐标系的(x′，y′)面与物理坐标系(x′，y′)面(燃烧器出口面)平行，旋转的三个自由度：ψ和θ均为零，关联式(6)中没有R项。主镜头等效面5的中心相对于燃烧器19出口中心的物理坐标记为[x₀，y₀，z₀]^T，即向量t，使得直尺标记的燃烧器出口中心刻度23处于图像中心线24上，这样，y₀＝0，标记相机主镜头等效面的中心27的位置，用尺测量出其与燃烧器出口中心的距离坐标y₀和z₀，从而完成坐标系关联向量的测量。

使用拟合得到的灰度值与对应辐射强度的关系式，计算图像各像素的灰度值对应的辐射强度值；

步骤四、如图6所示，用通过微透镜14光心的光线表征投射到像素点10的一束成像光线，称为像素对应光线28。从相机探测器面9上每个像素点开始逆向追踪像素对应光线，确定对应的虚拟光源点。已知微透镜阵列8上微透镜14的焦距为f_m，相机探测器面9上像素点10的坐标为(P_x，P_y)，对应的微透镜中心点30的坐标为(M_x，M_y)，相机探测器面9到微透镜阵列8的距离为l_m，根据高斯成像公式(7)和(8)，求出虚拟像面6上对应虚拟像点7的坐标(V_x，V_y)。

$\frac{1}{l_m}-\frac{1}{s_v}=\frac{1}{f_m}---\left(7\right)$

${\mathrm{\β}}_m=\frac{P_x-M_x}{V_x-M_x}=\frac{P_y-M_y}{V_y-M_y}=\frac{l_m}{s_v}---\left(8\right)$

式中，β_m是微透镜14的横向放大率，s_v是虚拟像面6到微透镜阵列8的距离。已知主镜头的焦距f，虚拟像面6上对应虚拟像点7的坐标为(V_x，V_y)，主透镜等效面中心点27的坐标是(X，Y)，虚拟像面6到主镜头等效面5的距离为l+s_v，根据高斯成像公式(9)和(10)，求出对应虚拟光源点4的坐标(O_x，O_y)。

$\frac{1}{l+s_v}-\frac{1}{s_o}=\frac{1}{f}---\left(9\right)$

$\mathrm{\β}=\frac{V_x-X}{O_x-X}=\frac{V_y-Y}{O_y-Y}=\frac{l+s_v}{s_o}---\left(10\right)$

式中，β是主镜头的横向放大率，s_o是虚拟焦平面3到主镜头等效面5的距离。连接像素点10和对应微透镜中心点30，得到像素对应光线28，该条光线和主镜头等效面5相交，连接该交点29与对应的虚拟光源点4，得到像素对应光线28在相机外的方向和位置。

将火焰1按径向r，轴向z和周向ψ划分成m个控制体。只考虑吸收，建立基于像素对应光线强度的辐射传输方程：

$\frac{{\mathrm{dI}}_L^{\±}}{{\mathrm{d\τ}}_L}=-I_L^{\±}+I_b---\left(11\right)$

式中，I^± _L为火焰光线沿L方向的辐射强度。τ_L为虚拟光源点发出的光线沿相应方向，通过每个控制体的光程，其涉及到的火焰衰减系数，可以使用已有的研究数据作为近似值。I_b为每个控制体的黑体辐射强度。将方程(11)离散化，如式(12)所示，各像素对应光线的辐射传输方程组成线性方程组如式(13)所示。

$I_n={\mathrm{Ib}}_n(1-\exp (-{\mathrm{\τ}}_n\left)\right)+\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(\exp \right(-\underset{j=i+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\τ}}_j)-\exp (-\underset{j=i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\τ}}_j\left)\right){\mathrm{Ib}}_i---\left(12\right)$

I＝A·IB(13)

式中，I_n为探测面探测到的光线强度。Ib_i和τ_i分别为光线穿过的第i(1～n)个控制体的黑体辐射强度和光程，同理，Ib_n和τ_n分别为光线穿过的最后一个控制体的黑体辐射强度和光程。I为相机探测面上所有能够探测到光线的像素的光强值组成的向量，IB为火焰所有控制体的黑体辐射强度组成的向量，A为对应的系数矩阵。

步骤五、如果使用LSQR算法求解线性方程组(13)，得到各控制体的黑体辐射强度值Ib_i存在负值，与实际不符。因此在传统的LSQR算法基础上增加非负性约束，求解线性方程组(13)，得到各控制体的黑体辐射强度Ib_i。

T_i＝c₂/λln[c₁/(λ⁵πIb_i)+1](14)

式中，c₁为第一辐射常数，c₂为第二辐射常数，λ为火焰辐射的光线的波长。使用式(14)计算各控制体对应的火焰温度T_i，从而实现火焰三维温度场的反演。

Claims (8)

1.一种火焰三维温度场测量的成像装置，包括主透镜及相机探测器面，其特征在于：在所述主透镜与相机探测器面之间还设置有一微透镜阵列，所述微透镜阵列的虚拟焦平面与所述主透镜的虚拟像面共面，所述微透镜阵列将进入所述主透镜的光线成像于所述相机探测器面上不同像素上。

2.根据权利要求1所述的成像装置，其特征在于：所述主镜头是由多片镜片组成的镜头组。

3.根据权利要求1所述的成像装置，其特征在于：所述探测器面被所述微透镜阵列划分为M×N个子图像，各子图像包含的像素为P×Q，其中，M，N，P，Q都大于等于2。

4.一种火焰三维温度场测量装置，包括成像装置以及图像处理单元，其特征在于：

所述成像装置，用于获取记录有光线强度信息和方向信息的光场图像，该成像装置包括主透镜及相机探测器面，在所述主透镜与相机探测器面之间还设置有一微透镜阵列，所述微透镜阵列的焦平面与所述主透镜的虚拟像面共面，所述微透镜阵列将进入所述主透镜的光线成像于所述相机探测器面上不同像素上；

所述图像处理单元，根据光场图像记录的光线方向信息得到虚拟光源点的坐标；根据虚拟光源点的坐标和探测器面上像素的坐标，计算虚拟光源点辐射到探测器面上像素点的光程；根据光场图像记录的光线强度信息和光程，计算虚拟光源点的辐射强度；根据虚拟光源点的辐射强度得到火焰三维温度场的火焰温度。

5.一种采用权利要求4所述测量装置测量火焰三维温度场的方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一、对成像装置的辐射强度进行标定：曲线拟合图像灰度均值与对应辐射强度值的关系；

步骤二、对成像装置的光学参数进行标定：确定微透镜阵列的虚拟焦平面与相机探测器面之间的距离、虚拟焦平面与主透镜等效面之间的距离以及主透镜等效面与主镜头虚拟像面之间的距离；

步骤三、使用成像装置拍摄火焰图像，根据火焰图像的灰度信息，使用步骤一拟合得到的灰度值与对应辐射强度的关系式，计算火焰图像各像素的灰度值对应的辐射强度值；

步骤四、从相机探测器面上每个像素点开始逆向追踪像素对应光线，确定对应的虚拟光源点的坐标；

根据对应的虚拟光源点的坐标和机探测器面上每个像素点的坐标计算对应虚拟光源点辐射到探测器面上每个像素点的光程；

根据得到的光程及火焰图像中像素点对应的辐射强度值，采用基于像素对应光线强度的辐射传输方程，计算虚拟光源点的辐射强度值；

步骤五、根据虚拟光源点的辐射强度值计算虚拟光源点的温度值从而得到火焰的三维温度场。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤四虚拟光源点的坐标(O_x，O_y)采用如下公式确定：

$\frac{1}{l+s_v}-\frac{1}{s_o}=\frac{1}{f}$

$\mathrm{\β}=\frac{V_x-X}{O_x-X}=\frac{V_y-Y}{O_y-Y}=\frac{l+s_v}{s_o}$

式中，f是主镜头的焦距，β是主镜头的横向放大率，s_o是虚拟焦平面到主镜头等效面的距离，l为主透镜等效面到虚拟像面的距离，s_v是虚拟像面到微透镜阵列的距离，(X，Y)是主透镜等效面中心点的坐标，(V_x，V_y)为虚拟像点的坐标；

$\frac{1}{l_m}-\frac{1}{s_v}=\frac{1}{f_m}$

${\mathrm{\β}}_m=\frac{P_x-M_x}{V_x-M_x}=\frac{P_y-M_y}{V_y-M_y}=\frac{l_m}{s_v}$

式中，β_m是微透镜阵列的横向放大率，f_m为微透镜阵列上微透镜的焦距，l_m为相机探测器面到微透镜阵列的距离，(P_x，P_y)为相机探测器面上像素点的坐标。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述步骤四虚拟光源点的辐射强度值的计算方法为：

将火焰按径向r，轴向z和周向ψ划分成m个控制体，建立基于像素对应光线强度的辐射传输方程：

$\frac{{\mathrm{dI}}_L^{\±}}{{\mathrm{d\τ}}_L}=-I_L^{\±}+I_b$

式中，为火焰光线沿L方向的辐射强度，τ_L为根据权利6所得到的虚拟光源点发出的光线沿相应方向，通过每个控制体的光程，其涉及到的火焰衰减系数，可以使用已有的研究数据作为近似值。I_b为每个控制体的黑体辐射强度；

将上述辐射传输方程离散化，各像素对应光线的辐射传输方程组成线性方程组如下式所示：

$I_n={\mathrm{Ib}}_n(1-\exp (-{\mathrm{\τ}}_n\left)\right)+\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(\exp \right(-\underset{j=i+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\τ}}_j)-\exp (-\underset{j=i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\τ}}_j\left)\right){\mathrm{Ib}}_i$

式中，I_n为探测面探测到的光线强度；Ib_i和τ_i分别为光线穿过的第i(1～n)个控制体的黑体辐射强度和光程，同理，Ib_n和τ_n分别为光线穿过的最后一个控制体的黑体辐射强度和光程，I为相机探测面上所有能够探测到光线的像素的光强值组成的向量：

I＝A·IB

IB为火焰所有控制体的黑体辐射强度组成的向量，A为对应的系数矩阵。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：各控制体对应的火焰温度T_i为：

T_i＝c₂/λln[c₁/(λ⁵πIb_i)+1]

式中，c₁为第一辐射常数，c₂为第二辐射常数，λ为火焰辐射的光线的波长。