CN110514305B - 火焰温度场测量系统光场相机数量和机位布置的优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种火焰温度场测量系统光场相机数量和机位布置的优化方法，包括如下步骤：对实际成像相机进行标定，获得成像相机参数；设定测量区域形状尺寸及火焰的衰减系数分布，根据分辨率要求进行网格划分；进行采样光线逆向追迹，获得火焰温度场测量的重建矩阵A；计算权重矩阵的Sen及其标准差σ，将其作为采样特性寻优算法的目标值；利用量子微粒群算法对测量系统的相机数量和机位布置角度进行优化，获得最佳的采样布置。本发明研究多相机光场成像系统对火焰辐射信息的获取能力，并优化成像系统的参数，提高光场采样质量，给多相机的布置方案提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及一种多光场相机火焰温度场测量系统相机数量和机位布置的优化方法，属于火焰温度测量技术领域。
背景技术
作为燃烧的重要参数之一，火焰温度影响火焰内部光与热的产生及传递，同时也影响着燃烧反应的进程。因此，火焰温度既是燃烧机理的研究基础，与火焰燃烧状态密切相关，也是火焰浓度、燃尽度和燃烧放热量分布的诊断依据，还是燃烧装置(如锅炉、发动机、流化床等)性能分析、故障诊断与优化设计的重要依据，是实现能源智慧管理不可或缺的数据。
目前，火焰温度测量主要分为接触式测量和非接触式测量两种。接触式测量方式简单、易于实现在工程上的应用，但是无法完全复现火焰温度的全貌，而且往往局限于单点测量，响应时间长。非接触式测量可以实现无扰、快速的火焰测量。其中，非接触式辐射成像技术利用火焰辐射图像处理温度测量，具有精度高、非接触、实时测量等优点，且能够获得火焰三维温度分布信息。
对光场相机而言，远离相机处的物点释放热辐射，辐射光线穿透靠近相机处的介质而被相机接收。由于成像探测面上每个像素的视角范围很小，相应的落在该范围内的火焰微元体数量很少，空间内许多微元体对单个像素辐射能的传输贡献为零，各微元体对某一像素的能量贡献份额差异很大，造成重建三维温度场的数学问题具有较强奇异性。另一方面，火焰介质的散射与吸收特性使得热辐射能沿着传播路径被逐步衰减，对于光学厚度较大的火焰，远离相机处物点的辐射信息甚至无法达到相机，远离光场相机的火焰微元体所发射的辐射能对光场成像的影响急剧减小，造成火焰辐射信息的损失，损害三维温度场的重建精度。因此，提高多光场相机系统的火焰辐射采样均匀性，对于降低火焰三维温度场可视化问题的病态特性具有重要意义。
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存在的不足，而提供一种提高光场采样质量的火焰温度场测量系统光场相机数量和机位布置的优化方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
火焰温度场测量系统光场相机数量和机位布置的优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、对实际成像相机进行标定，获得成像相机参数；
步骤二、设定测量区域形状尺寸及火焰的衰减系数分布，根据分辨率要求进行网格划分；
步骤三、根据几何光学理论和光场成像模型进行采样光线逆向追迹，获得火焰温度场测量的重建矩阵A；
步骤四、计算权重矩阵的Sen及其标准差σ，将其作为采样特性寻优算法的目标值；
步骤五、利用量子微粒群算法对测量系统的相机数量和机位布置角度进行优化，获得最佳的采样布置。
步骤三中，假设火焰满足各向同性散射，可定义广义源项S(r)如下：
式中，ω是散射反射率，ω＝σs/β。将火焰划分成V个微元体并编号(1，2，v，...，V)，光场相机探测面共有M个像素并编号(1，2，m，...，M)，将rm处像素的辐射光线穿过的火焰微元体个数记为n，此时该路径上各微元体的编号依次记为v1，v2，vi，(vj)，...，vn，火焰热辐射传输方程的离散方程如下：
式中I(r，Ω)是火焰在r位置处Ω方向上的辐射强度，W/(m2·sr)]，Ib(r)是火焰在r位置处的自身辐射强度，W/(m2·sr)，可认为是黑体辐射强度，β(r)是衰减系数，m-1，κ(r)是吸收系数，m-1，σs(r)是散射系数，m-1，Φ(Ω′，Ω)是由Ω′方向入射向Ω方向散射的散射相函数。
根据离散方程得到某成像光线的出射辐射强度值如下：
式中Δs是该成像光线穿过当前火焰微元体所经过的路径长度。可以看出，成像光线的出射辐射强度与每个火焰微元体的广义源项线性相关，联立M个像素成像光线的火焰辐射强度计算式，得到线性方程组式
I＝A·S (4)
式中，I是光场相机探测面上各像素接收到的辐射强度组成的矩阵[I1，I2，...，Im，...，IM]，A是系数矩阵，[A1 1，A1 2，...，A1 V；A2 1，A2 2，...，A2 V；...；AM 1，AM 2，...，AM V]，S是火焰微元体的广义源项组成的矩阵[S1，S2，...，Sv，...SV]。
步骤四中，统计每个微元体内全部采样光线的耗散系数Am，v之和，此和值表征了多相机系统对第v个火焰微元体的探测灵敏程度所占权重，定义和值为权重系数Sen(v)，其表达式如式(6)，所有微元体的权重系数组成权重矩阵Sen。
因此，对系统采样特性的均匀化可等价于对探测权重场的均匀化，用权重矩阵的系数的标准差进行表征，用σ表示，是评价光线性能特性的一项重要指标。
步骤五中，量子微粒群算法对多光场相机的光场采样特性进行均匀化分析，需要设置系统控制参数包括粒子总数、问题维数、最大迭代步数、目标函数最大容忍度。量子微粒群算法计算流程图如图1所示。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明针对弥散介质的半透明特性，提出探测权重矩阵均匀度这一性能指标，来评价多光场相机火焰温度场测量系统相机数量和机位布置的优化方法，据此分析了火焰微元体划分数量、火焰的物理性质和多相机系统配置参数对光场采样特性的影响，并通过量子微粒群算法实现多光场相机系统的配置方案寻优，从而实现火焰辐射采样的均匀性。本发明可为研究多光场相机火焰温度场测量系统相机数量和机位布置的优化作了配置方案寻优，为多光场相机测温系统的研制提供设计依据。
附图说明
图1为改进的量子微粒群算法计算流程图。
图2为火焰辐射光场成像的采样模型图。
图3为2种不同的衰减系数分布图，其中a为第一种设置，b为第二种设置。
图4不同采样角度下火焰辐射采样的权重矩阵标准差。
图5两个机位位置寻优后相机布置以及正交布置图。
图6相同衰减系数分布下，火焰辐射采样权重分布及光场相机布置，其中a为机位位置寻优后最佳角度的权重矩阵标准差，b为两相机正交下的权重矩阵标准差。
具体实施方式
下面结合附图和具体施例，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。
火焰温度场测量系统光场相机数量和机位布置的优化方法，包括如下步骤：
步骤1、设置光场相机参数；
主透镜和微透镜的焦距分别为50mm和567μm，主透镜-微透镜距离为57mm，微透镜-CCD距离为794μm，物距为548.3mm，微透镜阵列中的微透镜个数为60个，微透镜直径为54.2μm，取CCD探测面的像素个数为500个，各像素的尺寸为5.5μm×5.5μm。
步骤二、设置火焰参数；
为了在在贴近燃烧诊断实际情况的同时考虑到研究效率，采用火焰的二维横截面作为模型进行研究，此时微透镜阵列与CCD探测面均为线阵。首先设置火焰横截面为边长22mm的正方形，以火焰中心为原点，探测面法向量方向为x轴方向，沿线阵向上为y轴方向建立全局坐标系，如图2所示。将火焰沿长度与宽度方向划分为18×18个微元体，设置2种不同的衰减系数β的分布如图3所示，其中两种设置的背景区域的衰减系数均为大小为6m-1，第一种设置中：矩形、圆形、三角形区域的衰减系数依次为9m-1、12m-1、15m-1，如图3(a)所示，第二种设置中：矩形、圆形、三角形区域的衰减系数依次为9m-1、15m-1、12m-1，如图3(b)所示。
步骤三、逆向追迹成像光线；
假设火焰满足各向同性散射，可定义广义源项S(r)如下：
式中，ω是散射反射率，ω＝σs/β。将火焰划分成V个微元体并编号(1，2，v，...，V)，光场相机探测面共有M个像素并编号(1，2，m，...，M)，将rm处像素的辐射光线穿过的火焰微元体个数记为n，此时该路径上各微元体的编号依次记为v1，v2，vi，(vj)，...，vn，火焰热辐射传输方程的离散方程如下：
式中I(r，Ω)是火焰在r位置处Ω方向上的辐射强度，W/(m2·sr)]，Ib(r)是火焰在r位置处的自身辐射强度，W/(m2·sr)，可认为是黑体辐射强度，β(r)是衰减系数，m-1，κ(r)是吸收系数，m-1，σs(r)是散射系数，m-1，Φ(Ω′，Ω)是由Ω′方向入射向Ω方向散射的散射相函数。
根据离散方程得到某成像光线的出射辐射强度值如下：
式中，Δs是该成像光线穿过当前火焰微元体所经过的路径长度。可以看出，成像光线的出射辐射强度与每个火焰微元体的广义源项线性相关，联立M个像素成像光线的火焰辐射强度计算式，得到线性方程组式
I＝A·S (4)
式中，I是光场相机探测面上各像素接收到的辐射强度组成的矩阵[I1，I2，...，Im，...，IM]，A是系数矩阵，[A1 1，A1 2，...，A1 V；A2 1，A2 2，...，A2 V；...；AM 1，AM 2，...，AM V]，S是火焰微元体的广义源项组成的矩阵[S1，S2，...，Sv，...SV]。
步骤四、计算权重矩阵Sen和标准差σ，作为采样特性优化的目标值；
步骤五、利用量子微粒群算法对测量系统的相机数量和机位布置角度进行优化，获得最佳的采样布置。需要设置的系统控制参数包括粒子总数、问题维数、最大迭代步数、目标函数最大容忍度，量子微粒群算法计算流程图如图1所示。
在本实施例中，设置量子微粒群算法的初始参数具体为：粒子总数为20、问题维数为5、最大迭代步数为200、目标函数最大容忍度为1。用量子微粒群算法对图3(a)处理，得到不同采样角度下火焰辐射采样的权重矩阵标准差如图4所示。图4中一个相机布置角度为107.9°是为最优解。相同衰减系数分布下，对图(3)b进行两个机位位置的寻优，得到两个机位最佳角度为40.1°与98.7°，如图5所示。图6为相同衰减系数分布下，火焰辐射采样权重分布及光场相机布置，其中a为机位位置寻优后最佳角度的权重矩阵标准差，b为两相机正交下(图5中的0°和90°)的权重矩阵标准差。
Claims (3)
1.一种火焰温度场测量系统光场相机数量和机位布置的优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、对实际成像相机进行标定，获得成像相机参数；
步骤二、设定测量区域形状尺寸及火焰的衰减系数分布，根据分辨率要求进行网格划分；
步骤三、进行采样光线逆向追迹，获得火焰温度场测量的重建系数矩阵A；
步骤四、计算权重矩阵Sen及其标准差σ，将其作为采样特性寻优算法的目标值；
步骤五、利用量子微粒群算法对测量系统的相机数量和机位布置角度进行优化，获得最佳的采样布置；
步骤三中重建系数矩阵A的各项元素值为：
式中，m是有效光线的序号，v代表微元体的编号，j代表光线沿传输方向穿过的第j个火焰微元体，N代表每根光线穿过的火焰微元体的个数，βvj是光线沿传输方向穿过的第j个火焰微元体所对应的第v个微元体的衰减系数，Δsvj是成像光线穿过沿传输方向第j个火焰微元体所对应的第v个微元体所经过的路径长度；
步骤四中的权重矩阵Sen定义为：
式中，M表示光线总数。
2.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，所述相机参数包括主透镜与微透镜焦距、主透镜-微透镜距离、微透镜-CCD距离、物距、微透镜个数与直径。
3.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，步骤五中相机的数量需要遍历有限多个，根据量子微粒群算法的对每个数量下相机的布置角度进行优化，然后对比获得最优相机个数及其对应的机位布置。
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