CN105938101B - 一种基于化学发光的用于火焰三维重建的成像系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于化学发光的用于火焰三维重建的成像系统，该成像系统包括n个前端透镜、n个机械定位装置、n条光纤传像束、后端透镜、波长选择模块、单台CCD相机、图像采集模块、数据处理模块，n是拍摄角度数，n≥1；每个前端透镜安装在一个机械定位装置上，各个机械定位转置控制着拍摄视角、拍摄距离；通过光纤传像束将平面燃烧炉产生的火焰的像传导到后端透镜，并成像到单台CCD相机，波长选择模块布置在单台CCD相机前并用于控制透射光的谱段，图像采集模块控制相机参数并保存拍摄图像，通过数据处理模块提取各拍摄视角的火焰图像，并利用数据处理模块获得火焰的三维重建图像。还提供使用方法。
Description
技术领域
本发明属于数字成像、光纤光学和计算重建术结合的技术领域，具体地涉及一种基于化学发光的用于火焰三维重建的成像系统，以及该装置的使用方法。
背景技术
火焰化学发光被认为是燃烧诊断与控制的重要指标，相对于激光诊断，化学发光成像属于被动光学诊断，结构简单，在恶劣的工业环境中极具吸引力。针对化学发光的测量，早期的只能通过某单个视角成像，仅能获得火焰的二维结构(视线叠加)。
三维的化学发光诊断在方法上可分为两类：一种是通过快速扫描2D技术来实现3D测量，例如通过Cassegrain光学系统可实现非侵入的空间区域采集。这种方法需要较长的测量时间，对于稳定火焰测量具有一定价值，但是难以获取火焰的三维动态变化信息。另一种则是3D-CTC技术，利用多视角的2D成像，结合计算机层析技术，可实现高时间分辨率的3D空间火焰诊断，这对于评估和发展预测燃烧模型十分重要。
然而高时空分辨率的3D-CTC技术的实现，需要足够的成像视角与精确的反演算法。由于多方面限制(多空间-时间尺度、硬件、软件设施等)，计算耗时长，内存占用量大，实现起来存在巨大困难。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于化学发光的用于火焰三维重建的成像系统，其无需激光源，结构较为简单，成本低且操作性强，适于工业现场和恶劣试验室环境应用，可以重构各种碳氢燃料燃烧的三维火焰结构，适用于火焰面位置诊断、释热率分布评估，是研究、诊断各种燃烧系统的有力工具。
本发明的技术解决方案是：这种基于化学发光的用于火焰三维重建的成像系统，该成像系统包括n个前端透镜、n个机械定位装置、n条光纤传像束、后端透镜、波长选择模块、单台CCD相机、图像采集模块、数据处理模块，n是拍摄角度数，n≥1；每个前端透镜安装在一个机械定位装置上，各个机械定位转置控制着拍摄视角、拍摄距离；通过光纤传像束将平面燃烧炉产生的火焰的像传导到后端透镜，并成像到单台CCD相机，波长选择模块布置在单台CCD相机前并用于控制透射光的谱段，图像采集模块控制相机参数并保存拍摄图像，通过数据处理模块提取各拍摄视角的火焰图像，并利用数据处理模块获得火焰的三维重建图像。
还提供了使用这种基于化学发光的用于火焰三维重建的成像系统的方法，包括以下步骤：
(1)利用机械定位装置固定各光纤传像束的端部和前端成像透镜；
(2)光纤传像束的尾部得到火焰像，经后端透镜成像到单台CCD相机，波长选择模块布置在单台CCD相机前并用于控制透射光的谱段；
(3)图像采集模块控制CCD相机的曝光时间和增益，拍摄一幅图片就获得n个拍摄视角的图像；
(4)数据处理模块提取各拍摄视角的图像，利用代数迭代算法来重建三维火焰结构。
本发明通过单台CCD相机单次成像，即可获得n个不同视角的火焰2D图形，利用图像采集模块获得这些视角的火焰图像，通过数据处理模块对这些图像进行处理，获得火焰三维重建图像。因此，无需激光源，结构较为简单，成本低且操作性强，适于工业现场和恶劣试验室环境应用，可以重构各种碳氢燃料燃烧的三维火焰结构，适用于火焰面位置诊断、释热率分布评估，是研究、诊断各种燃烧系统的有力工具。
附图说明
图1示出了根据本发明的基于化学发光的用于火焰三维重建的成像系统的一个优选实施例的结构示意图。
图2示出了图1的成像系统的拍摄过程。
图3示出了3D-CTC的成像原理。
图4示出了噪声和角度数目对反演结果的影响，其中以信噪比为3％的随机噪声模拟。
图5示出了测得的三维火焰在高度方向的发光强度分布。
图6示出了根据本发明的基于化学发光的用于火焰三维重建的成像系统的使用方法的一个优选实施例的流程图。
图7示出了根据图1的成像系统的CCD芯片上，9个拍摄视角的2D成像分布图。
具体实施方式
从图1、2中可以看出，这种基于化学发光的用于火焰三维重建的成像系统，该成像系统包括n个前端透镜101-109、n个机械定位装置201-209、n条光纤传像束3、后端透镜4、波长选择模块5、单台CCD相机6、图像采集模块7、数据处理模块8，n是拍摄角度数，n≥1；每个前端透镜安装在一个机械定位装置上，各个机械定位转置控制着拍摄视角、拍摄距离；通过光纤传像束将平面燃烧炉产生的火焰的像传导到后端透镜，并成像到单台CCD相机，波长选择模块布置在单台CCD相机前并用于控制透射光的谱段，图像采集模块控制相机参数并保存拍摄图像，通过数据处理模块提取各拍摄视角的火焰图像，并利用数据处理模块获得火焰的三维重建图像。
本发明通过单台CCD相机单次成像，即可获得n个不同视角的火焰2D图形，利用图像采集模块获得这些视角的火焰图像，通过数据处理模块对这些图像进行处理，获得火焰三维重建图像。因此，无需激光源，结构较为简单，成本低且操作性强，适于工业现场和恶劣试验室环境应用，可以重构各种碳氢燃料燃烧的三维火焰结构，适用于火焰面位置诊断、释热率分布评估，是研究、诊断各种燃烧系统的有力工具。
另外，如图1所示，n＝9，即1*9光纤传像束，是一体的，9个头端，1个尾端。
另外，所述火焰的化学发光组分包括OH自由基、CH自由基、C2自由基、或CO2自由基。
或者，所述火焰的成分是1:1配比的甲烷和空气。
另外，所述平面燃烧炉的直径为5cm，所述CCD相机为IMI-147FT，CCD像元尺寸为6.45*6.45um。
另外，前端透镜包括若干套透镜，根据要调整成像的立体角和通光孔径来更换这些透镜。
还提供了使用这种基于化学发光的用于火焰三维重建的成像系统的方法，包括以下步骤：
(1)利用机械定位装置固定各光纤传像束的端部和前端成像透镜；
(2)光纤传像束的尾部得到火焰像，经后端透镜成像到单台CCD相机，波长选择模块布置在单台CCD相机前并用于控制透射光的谱段；
(3)图像采集模块控制CCD相机的曝光时间和增益，拍摄一幅图片就获得n个拍摄视角的图像；
(4)数据处理模块提取各拍摄视角的图像，利用代数迭代算法来重建三维火焰结构。
另外，所述步骤(4)中还包括对图像进行平滑处理。
另外，所述步骤(2)中当需要改变成像的光谱谱段时，更换相应波长的波长选择模块。
另外，所述步骤(4)中，将火焰目标区域离散为数万个微小物元，利用代数迭代算法进行反演重建，获得每一个微小物元中的发光亮度值，这些发光亮度值的整体为火焰化学发光的三维强度分布。
如图6所示，给出了一个具体的实施方法，包括以下步骤：
a)以平面燃烧炉中产生稳定的预混火焰为例；
b)确定火焰目标区域的尺寸，将9个前端透镜和光纤前端安装在机械定位装置上；
c)利用机械定位装置确定透镜与平面燃烧炉中心的距离和9个视角的拍摄角度；
d)使用430nm(例子，对应CH*自由基发光)波长选择模块安装于后端透镜和CCD相机之间，控制拍摄光为CH*化学发光；
e)使用图像采集模块控制CCD曝光时间和增益，并采集存储单幅拍摄照片；
f)数据处理模块从拍摄的单幅图片中提取9个不同视角的拍摄照片，并进行平滑处理；
g)输入控制参数，包括拍摄距离，各前端透镜的拍摄视角，程序基于代数迭代算法写成，可处理获得火焰的三维重建图像。
以下更具体地说明本发明的实施例。
图3为CTC问题中的成像原理，如图所示的长方体是被诊断的目标区域，其内包含燃烧反应自由基(例如CH*)。由于自由基跃迁发光呈各向同性，若能通过在不同方向成功捕获火焰投影，便可通过反演计算方法重建出该区域的发光强度分布。
若以F(x,y,z)表示目标区域内自由基在笛卡尔坐标系下的三维发光强度分布，则在某个成像视角下，火焰可在成像面(CCD)上呈现投影P，它与成像系统的相对位置有关，用θ(偏转角)，Ф(俯仰角)表示，也与成像系统参数有关(物距、相距，成像镜头焦距，光圈大小等)，当成像参数固定或已知时，CCD上成像数据就由F，θ，Ф唯一确定，记为P(θ,Ф)，它与F的关系可表示为式(1)。
P(θ,Ф)＝F(x,y,z)·W(x，y，z；θ，Ф) (1)
上式中，W可以理解为在某位置处自由基的发光强度经过视角(θ,Ф)后到达CCD的上的成像权重，该权重取决于成像系统的位置。
三维重建的目标就是通过多个视角上的投影(P)计算出F(x,y,z)数值。要实现计算反演，需要对整个物理成像过程进行离散化，将目标区域三维离散成长宽高分别为lx、ly、lz的长方体小物元，自由基发光强度便可离散的表示为F(xi,yi,zi)，并以ix，iy，iz表示位于(xi,yi,zi)处的索引。投影P的离散则以CCD像素为单位，以j表示像元的索引，这样公式(1)可以改写为
通过式(2)可以发现这是一个方程组运算，式(2)也可以写为P＝W×F，其中P表示逐个像元上的投影矢量，F是逐个物元的强度矢量，W是一个巨大矩阵，其内每个值就是一个物元与对应像元的权重。P的长度为XP×YP×m，m表示成像角度数目，XP，YP表示每个成像面的在x,y方向的像元个数，假设目标区域在三维方向上离散个数都是n个，则F的大小就是n3，这样W的大小就是XP×YP×m行n3列。
例如：F的物元离散数目为成30×30×30，每个视角的CCD取400×400个像元，利用10个角度进行重建，那么W矩阵的大小就是4.32*1010个，这需占用很大的内存，在运算上具有一定困难。
用于CTC的反演重建算法有多种，其中使用最多的是ART(AlgebraicReconstruction Technique)算法，原始的ART算法由Gordon开发出，并被发展修改成许多的形式。J.Floyd等人通过该算法实现对湍流喷射火焰进行重建与分析。作为一种迭代算法，它主要用于线性方程组系统的重建问题，具有较高的迭代效率但是也较为容易产生负面修正问题。ART迭代算法的基本表达式如下所示：
f(h+1)表示第h+1次迭代所求得的F(xi,yi,zi)值，β是松弛系数，是一个介于0到1的数，通过该成像关系ART算法反复迭代运算减小重建区域的误差，直到满足收敛条件。误差是以每次迭代后计算投影数据与实验的真实数据对比得到的。
基于前面的数学推论进行反演程序的验证分析，假设目标区域火焰的三维分布为高斯分布，通过该三维分布可以正向计算出二维的投影分布。以计算所得投影来模拟CCD数据进行反演重建，并将该重建结果与假设分布相对比来验证程序的准确性。为节省运算耗时，将目标区域离散仅为20×20×20，经ART算法反演重建后，取竖向不同高度的三层进行对比,结果表明：重建结果对比原始分布还原度极高，然而这是理想情况下的结果，实际过程由于角度测量误差以及噪声等因素可能使结果产生较大误差。在这里引入平均分布误差和相关系数两个判断标准，它们的表达式是：
以信噪比为3％的随机噪声模拟实验中的误差，验证不同视角数目，有无噪声时的重建效果，其结果如图4所示。
从结果可以看出，角度数目越多重建结果越好，角度数目超过6个时，准确率超过99％，相关性超过0.95，而加入3％的随机噪声后，虽然会增大重建误差，但是准确性依然很高，说明该程序具有可行性。
以平面火焰炉上的火焰作为目标，验证本三维火焰成像系统。由于平面炉的火焰水平方向均匀度很好，能否重构出火焰在高度方向上的分布，是反应该成像系统3D能力的重要指标。实验设备如图2所示，于CH4/Air平面燃烧炉上产生的火焰用于实验诊断，试验中，CH4流量为2.05slpm，空气为1.9slpm(CH4:Air为1:1恰当当量比),平面炉上方产生稳定的预混平面火焰，平面炉直径5cm，CCD采用IMI-147FT，像素尺寸6.45*6.45um。
将目标区域长宽高分别为确定为8cm*8cm*3.5cm，实验前需利用机械定位机构标记出平面炉(处于目标区域内)中心坐标及拍摄视角、拍摄距离,火焰稳定后，利用图像采集模块控制CCD的增益(Ga in＝250)和曝光时间(2ms),并利用内部时钟采集并存储单幅火焰照片，9个不同视角的拍摄照片在CCD上的分布601-609，如图7所示。数据处理模块首先从存储的图片中提取9个不同视角的火焰图片，并对数据进行平滑处理，这样有助于消减噪声。将机械定位机构确定的拍摄距离和各视角的拍摄角度，作为参数输入数据处理模块，程序可自行确定像元与物元之间的相互对应关系。反演过程需综合考虑运行效率跟空间分辨率等因素，因此本工作决定将目标区域(长宽高分别为8cm×8cm×3.5cm)离散成40×40×35个物元以保证时效和精确度。
重建的自由基发光分布是竖向各层叠加以后的俯视图，轮廓呈现出明显的圆型，并且在尺寸上与平面炉相符，说明重建结果的准确性。通过图5可以看出火焰发光强度分布在竖向上先增加后减小，主要集中在0.4cm～1.5cm之间，反映了火焰的亮度趋势，这一高度方向上的重构结果反映了本三维火焰成像系统的能力。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于化学发光的用于火焰三维重建的成像系统，其特征在于：该成像系统包括n个前端透镜（101-109）、n个机械定位装置（201-209）、n条光纤传像束（3）、后端透镜(4)、波长选择模块（5）、单台CCD相机（6）、图像采集模块（7）、数据处理模块（8），n是拍摄角度数，n≥1；前端透镜包括若干套透镜，根据要调整成像的立体角和通光孔径来更换这些透镜，每个前端透镜安装在一个机械定位装置上，各个机械定位装置控制着拍摄视角、拍摄距离；通过光纤传像束将平面燃烧炉产生的火焰的像传导到后端透镜，并成像到单台CCD相机，波长选择模块布置在单台CCD相机前并用于控制透射光的谱段，图像采集模块控制相机参数并保存拍摄图像，通过数据处理模块提取各拍摄视角的火焰图像，通过单台CCD相机单次成像获得n个不同视角的火焰2D图形，并利用数据处理模块获得火焰的三维重建图像；
数据处理模块提取各拍摄视角的图像，利用代数迭代算法来重建三维火焰结构，将火焰目标区域离散为数万个微小物元，利用代数迭代算法进行反演重建，获得每一个微小物元中的发光亮度值，这些发光亮度值的整体为火焰化学发光的三维强度分布。
2.根据权利要求1所述的基于化学发光的用于火焰三维重建的成像系统，其特征在于：n=9。
3.根据权利要求1所述的基于化学发光的用于火焰三维重建的成像系统，其特征在于：所述火焰的化学发光组分包括OH自由基、CH自由基、C2自由基、或CO2自由基。
4.根据权利要求1所述的基于化学发光的用于火焰三维重建的成像系统，其特征在于：所述平面燃烧炉的直径为5cm， CCD像元尺寸为6.45×6.45um。
5.一种使用根据权利要求1所述的基于化学发光的用于火焰三维重建的成像系统的方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）利用机械定位装置固定各光纤传像束的端部和前端成像透镜；
（2）光纤传像束的尾部得到火焰像，经后端透镜成像到单台CCD相机，波长选择模块布置在单台CCD相机前并用于控制透射光的谱段；
（3）图像采集模块控制CCD相机的曝光时间和增益，拍摄一幅图片就获得n个拍摄视角的图像；
（4）数据处理模块提取各拍摄视角的图像，利用代数迭代算法来重建三维火焰结构，具体方法为将火焰目标区域离散为数万个微小物元，利用代数迭代算法进行反演重建，获得每一个微小物元中的发光亮度值，这些发光亮度值的整体为火焰化学发光的三维强度分布。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤（4）中还包括对图像进行平滑处理。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤（2）中当需要改变成像的光谱谱段时，更换相应波长的波长选择模块。
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2016
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Also Published As
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