CN109916531B - 一种基于光场重聚焦的半透明火焰三维温度场测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光场重聚焦的半透明火焰三维温度场测量方法，包括以下步骤：步骤一、获取火焰的原始光场图像；步骤二、根据步骤一获取的原始光场图像，获得光场图像的透射辐射源项；步骤三、根据步骤二获得的透射辐射源项，获得光场图像的获得广义辐射源项分布；步骤四、根据步骤三获取的广义辐射源项分布得到火焰三维温度场分布。本发明方法引入光场重聚焦方法对半透明物体进行成像，并且考虑了火焰的吸收和散射特点对光线的影响，可以实现利用单个光场相机，快速、高分辨率、高精度的重建出半透明火焰三维温度场。

Description

一种基于光场重聚焦的半透明火焰三维温度场测量方法

技术领域

本发明属于火焰温度场测量技术领域，具体涉及一种基于光场重聚焦的半透明火焰三维温度场测量方法。

背景技术

燃烧仍是当今世界提供能量的主要方式，它广泛存在于电站锅炉、化工反应器、火箭发动机、燃气轮机、内燃机等领域，精确可靠的火焰温度场测量对燃烧机理和污染物生成机制有着重要的作用。在众多的测量方法中图像法因为不需要外部激励，非接触、可实时在线测量等优点受到了越来越多的关注。

传统的相机在测量三维火焰温度场时，需要利用多台相机分布采集信息，对于这样的多相机的方案来说，通常存在受限的空间布置、复杂的标定过程、缓慢的数据传输和存储、不一致的成像质量、高难度的时间同步和高昂的设备费用等缺点。另外一种方式是通过移动相机对火焰进行扫描拍摄，但这样的方式对不稳定火焰不适用。

光场相机由于在主镜头后面设置了微透镜阵列，对主镜头的图像进行二次成像，可以实现单次拍摄获得多个方向多个位置的光辐射信息，进而可以获得火焰的三维温度场分布。但是通过射线追踪的方式整体重建来说，它的计算效率很低，很难满足工业现场的需要，而基于光场重聚焦的方式则可以大大提高图像的处理速度和分辨率。火焰本身是具有发射、散射和吸收特性，在传统的光学分层成像方法中，通常只考虑火焰的发射特性，认为火焰是个点光源，而没有考虑火焰本身的散射和吸收作用。

发明内容

针对现有技术的以上问题，本发明提出了一种基于光场重聚焦的半透明火焰三维温度场测量方法，该方法考虑了火焰的发射、散射和吸收特性，可以实现高分辨、高效率、高精度的火焰三维温度场测量。

一种基于光场重聚焦的半透明火焰三维温度场测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：利用光学参数和几何参数已知的光场相机对半透明火焰进行光场成像，获得火焰的原始光场图像Img(N_x，N_y)，其中N_x和N_y分别表示相机的横纵向分辨率；为了保证采集到足够的信息，火焰原始光场图像应保证火焰在探测器中的横纵方向占比均应不小于3/4。

步骤二：根据分辨率的需求对火焰进行均匀化网格划分N_i×N_j×N_k，并利用蒙特卡洛法对深度方向上每层火焰进行随机抽样模拟，获得火焰在不同深度相对于不同成像平面的点扩散函数h_k→l(N_p，N_p)，并根据点扩散函数之间的差别，设置重聚焦深度数量N_l，其中重聚焦深度数量应不低于火焰深度方向网格划分层数N_k，点扩散函数之间差别越小所需设置的重聚焦深度数量应越多。

步骤三：根据火焰的原始光场图像，利用空域重聚焦算法，获得在设定层上的重聚焦图像序列E(m，n，l)，根据光学分层成像建立点扩散函数h_k→l(N_p，N_p)、重聚焦图像序列E(m，n，l)及透射辐射源项S^m′(i，j，k)之间的关系，如式(1)所示；

式中，m和n分别表示重聚焦图像横纵方向上像素的序号，l表示重聚焦图像序列的序号，N_k表示火焰在深度方向的分层序号，S^m′(i，j，k)表示火焰第(i，j，k)编号的控制体的透射辐射源项，i、j和k分别表示在横、纵、深三个维度上的控制体序号，m′表示火焰控制体与相机光心连线方向，h_k→l(N_p，N_p)表示第k层火焰对第l个重聚焦图像的点扩散函数，N_p表示点扩散函数的分辨率。

步骤四：利用反卷积算法，对重聚焦图像序列E(m，n，l)进行反卷积操作，获得各个网格上的透射辐射源项S^m′(i，j，k)；

步骤五：根据辐射传输规律建立透射辐射源项与广义辐射源项和火焰辐射物性参数及几何参数之间的关系，如式(2)所示，进而根据已知的参数和透射辐射源项S^m′(i，j，k)获得广义辐射源项分布s(i，j，k)，其中火焰辐射物性参数可以通过其他方式来测量获得，也可在温度重建时通过迭代共同重建。

S^m′(i，j，k)＝s(i，j，k)·exp[-(κ+σ_s)r^m′(i，j，k)] (2)

式中，κ表示火焰的吸收系数，σ_s表示火焰的散射系数，r^m′(i，j，k)表示火焰第(i，j，k)控制体中心发出并沿m′方向的光线在火焰中穿行的距离。

步骤六：根据广义辐射源项的定义和普朗克定律，建立火焰温度场T(i，j，k)与广义辐射源项s(i，j，k)的关系，如式(3)所示，进而获得火焰的三维温度场分布T(i，j，k)，对于炭黑浓度比较大的火焰利用普朗克定律，对于化学发光占优的火焰，可以通过标定建立温度和图像灰度的关系。

式中，σ表示斯蒂芬玻尔兹曼常数，N_m表示方向总划分份数，m″表示方向划分的序号，I^m″(i，j，k)表示火焰第(i，j，k)控制体在第m″方向上的辐射强度，ΔΩ^m″表示第m″方向立体角大小。

有益效果：

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、采取光场相机作为信息采集装置，可以通过单次拍照同时记录光线的方向和位置信息，避免了传统相机的多相机方案中出现的空间布置受限、系统标定难度大、数据传输存储慢、成像质量难一致、拍摄时间难同步、硬件系统成本高等缺陷，或单相机扫描方案中只能适用稳定火焰的缺点，实现单次拍摄获得火焰三维温度场分布。

2、相对于基于射线追踪的方式，需要联立求解大型病态方程组进行三维体重建，通过光场重聚焦的方式可以利用当前图像处理领域的现有技术分层获得二维温度分布提高了重建的效率和分辨率。

3、通过定义广义辐射源项和透射辐射源项考虑了火焰的发射、散射和吸收特性，建立起的火焰温度和图像灰度之间的关系式，比当前只考虑火焰发射和吸收的光学分层成像测温方法从模型上来说更为精确。

附图说明

图1是半透明火焰光场信息采集示意图；

图2是半透明火焰原始光场图像；

图3是光场图像的预处理图像；

图4是第5层对每层重聚焦深度的点扩散函数分布图；

图5是光场重聚焦图像序列；

图6是透射辐射源项分布图像；

图7是温度场分布图像。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明。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落于本申请所附权利要求所限定的范围。

基于光场重聚焦的半透明火焰三维温度场测量方法，其步骤包括如下：

1)采用光场相机对蜡烛火焰按照图1所示的位置进行拍摄，保证蜡烛火焰的中心与相机的主光轴在同一高度上，半透明火焰的原始光场图像如图2所示，对原始光场图像进行预处理，找出相机原始光场图像宏像素的中心和半径及偏移，如图3所示，其中相机的横纵分辨率分别为N_x＝187和N_y＝750。

2)根据光场图像的分辨率对火焰进行均匀化网格划分N_i×N_j×N_k＝11×41×5，利用蒙特卡洛法对深度方向上每层火焰进行随机抽样模拟，获得火焰在不同深度相对于不同成像平面的点扩散函数h_k→l(17，17)，如图4所示，根据点扩散函数之间的差别，设置重聚焦深度数量N_l＝20。

3)根据火焰的原始光场图像，利用空域重聚焦算法，获得在设定层上的重聚焦图像序列E(11，41，20)，如图5所示。

4)根据光学分层成像建立点扩散函数、重聚焦图像序列及透射辐射源项S^m′(i，j，k)之间的关系，如式(1)所示，利用反卷积算法，对重聚焦图像序列进行反卷积操作，获得各个网格上的透射辐射源项，如图6所示。

5)根据辐射传输规律建立透射辐射源项与广义辐射源项和火焰辐射物性参数及几何参数之间的关系，如式(2)所示，进而根据已知的参数和透射辐射源项获得广义辐射源项分布s(i，j，k)，根据广义辐射源项的定义和普朗克定律，建立火焰温度场T(i，j，k)与广义辐射源项的关系，如式(3)所示，进而获得火焰的三维温度场分布，如图7所示。

S^m′(i，j，k)＝s(i，j，k)·exp[-(κ+σ_s)r^m′(i，j，k)] (2)

式中，σ表示斯蒂芬玻尔兹曼常数，N_m表示方向总划分份数，m″表示方向划分的序号，I^m″(i，j，k)表示火焰第(i，j，k)控制体在第m″方向上的辐射强度，ΔΩ^m″表示第m″方向立体角大小。

Claims (4)

1.一种基于光场重聚焦的半透明火焰三维温度场测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、获取火焰的原始光场图像；

步骤二、根据步骤一获取的原始光场图像，获得光场图像的透射辐射源项；

步骤三、根据步骤二获得的透射辐射源项，获得光场图像的广义辐射源项分布s(i,j,k)；

步骤四、根据步骤三获取的广义辐射源项分布s(i,j,k)得到火焰三维温度场分布；

所述步骤二包括：

根据分辨率的需求对火焰的水平、竖直和深度方向进行均匀化网格划分N_i×N_j×N_k，并利用蒙特卡洛法对深度方向上每层火焰进行随机抽样模拟，获得火焰在不同深度相对于不同成像平面的点扩散函数h_k→l(N_p,N_p)，并根据点扩散函数之间的差别，设置重聚焦深度数量N_l；

根据火焰的原始光场图像，利用空域重聚焦算法，获得在设定层上的重聚焦图像序列E(m,n,l)；

建立点扩散函数h_k→l(N_p,N_p)、重聚焦图像序列E(m,n,l)及透射辐射源项S^m′(i,j,k)之间的关系，如式(1)所示；

式中，m和n分别表示重聚焦图像横纵方向上像素的序号，l表示重聚焦图像序列的序号，N_k表示火焰在深度方向总的分层数，S^m′(i,j,k)表示火焰第(i,j,k)编号的控制体的透射辐射源项，i、j和k分别表示在横、纵、深三个维度上的控制体序号，m′表示火焰控制体与相机光心连线方向，h_k→l(N_p,N_p)表示第k层火焰对第l个重聚焦图像的点扩散函数，N_p表示点扩散函数的分辨率；

对上式(1)的重聚焦图像序列E(m,n,l)进行反卷积操作，获得各个网格上的透射辐射源项S^m′(i,j,k)；

获得广义辐射源项分布s(i,j,k)的方法是：

S^m′(i,j,k)＝s(i,j,k)·exp[-(κ+σ_s)r^m′(i,j,k)] (2)

式中，κ表示火焰的吸收系数，σ_s表示火焰的散射系数，r^m′(i,j,k)表示火焰第(i,j,k)控制体中心发出并沿m′方向的光线在火焰中穿行的距离；

根据广义辐射源项分布s(i,j,k)得到火焰三维温度场分布的方法是：

根据广义辐射源项的定义和普朗克定律，建立火焰温度场T(i,j,k)与广义辐射源项s(i,j,k)的关系，如式(3)所示，进而获得火焰的三维温度场分布T(i,j,k)；

式中，σ表示斯蒂芬玻尔兹曼常数，N_m表示方向总划分份数，m″表示方向划分的序号，I^m″(i,j,k)表示火焰第(i,j,k)控制体在第m″方向上的辐射强度，ΔΩ^m″表示第m″方向立体角大小。

2.根据权利要求1所述的火焰三维温度场测量方法，其特征在于：所述步骤一获取火焰的原始光场图像的方法是：

利用光学参数和几何参数已知的光场相机对半透明火焰进行光场成像，获得火焰的原始光场图像Img(N_x,N_y)，其中N_x和N_y分别表示相机的横纵向分辨率。

3.根据权利要求1所述的火焰三维温度场测量方法，其特征在于：步骤一中获取的火焰原始光场图像中火焰在探测器中的横纵方向占比不小于3/4。

4.根据权利要求1所述的火焰三维温度场测量方法，其特征在于：步骤二中所述的重聚焦深度数量不低于火焰深度方向网格划分层数N_k，点扩散函数之间差别越小所需设置的重聚焦深度数量应越多。

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