CN111257497A

CN111257497A - 一种火焰温度场测量装置及方法

Info

Publication number: CN111257497A
Application number: CN202010096071.1A
Authority: CN
Inventors: 蔡伟伟; 刘何聪; 彭范
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2020-02-17
Filing date: 2020-02-17
Publication date: 2020-06-09

Abstract

本发明涉及火焰三维检测和重建技术领域，更具体地，提供了一种基于单相机内窥背景纹影层析成像技术的火焰温度场测量的装置及方法，采用一台高速相机和多合一内窥镜结合的成像系统，利用基于折射率梯度测量原理的背景纹影层析技术，通过拍摄在有无待测火焰时的两张图片，结合光流算法或者互相关算法来获得光线在经过待测气体后的偏折角度。然后通过代数迭代算法重建火焰的折射率场，结合Gladstone‑Dale公式，将折射率场推演到密度场，再根据理想气体状态方程，将密度场推演到温度场。该发明装置简单，测试成本低，只需要一台高速相机，即能够实现瞬态火焰三维温度场的重建。

Description

一种火焰温度场测量装置及方法

技术领域

本发明涉及计算成像和燃烧诊断领域，具体地，涉及一种火焰温度场测量的装置及方法。

背景技术

航空发动机燃烧室内的燃烧情况直接影响了其性能和寿命，燃烧诊断是获得火焰燃烧参数的重要方式，随着计算机、激光和传感器技术的突破，三维燃烧诊断技术得到了显著的发展。从技术路线上看，火焰三维成像技术主要有三种方式实现。第一种方式采用平面成像技术，通过旋转反射镜将激光束投射到火焰的不同高度，进行逐层扫描成像。由于该技术在扫描方向上只能对少量火焰切片进行成像，因此空间分辨率较低。另外，因为这些切片在不同时刻获得，所以该技术并不能捕捉瞬态的火焰结构。因此，对于高速动态变化的湍流火焰如超声速燃烧流，通过此方法所获得的三维火焰结构则会存在较大误差。第二种三维火焰成像技术则基于光场成像的概念。该方法通过使用微透镜阵列可实现一个相机对多个火焰投影的同时采集，可大大降低实验成本。该技术已被用于实现火焰三维温度场的重建。然而，由于视场和空间分辨率间存在的相互制约关系，在保证视场的情况下，该技术所能实现的空间分辨率较低。第三种基于层析成像的方法，即在多个角度同时捕捉火焰某种物理量场的二维投影并通过层析反演获得该物理量的三维分布。根据是否需要激发光源，三维层析成像技术又可分为主动式和被动式两种。被动式无需激发光源，而只需探测火焰的自发光如CH*和OH*的化学发光；而主动式则需要通过高功率脉冲激光器形成激光柱激发火焰中的特定组分，从而产生如激光诱导荧光、激光诱导白炽光、Mie散射等信号。最近几年，火焰三维层析成像技术取得了较大的进展，获得了广泛的应用，也有许多问题亟待解决，如测试装置成本过高，只能检测单一物理量或者组分。

背景纹影层析技术的测试装置简单，能够实现气体折射率场的检测，根据测得折射率场可以演算到密度场和温度场，在此基础上采用内窥镜头和高速相机组合系统，设计出一种低成本，高时空分辨率的火焰三维温度场测量的装置及方法。该测试系统能很好的解决目前火焰检测中存在的问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于单相机内窥背景纹影层析成像技术的火焰三维温度场的检测装置和方法，通过检测有无目标场时的两张图像，同时获得整个火焰区域的折射率场、密度场、温度场的瞬态分布情况，实现多物理场的同步连续测量。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种火焰温度场测量装置，包括

背景板，设置在待测火焰区域一侧，用于提供图像检测的背景；

光源，设置在所述背景板的斜侧方，光源朝向所述背景板区域；

内窥镜，设置在待测火焰区域相对于所述背景板的另一侧，内窥镜有多个入射端和一个出射端，每个入射端配备一个镜头并对焦至背景板，多个入射端分多个角度对准待测火焰，可以将多个入射端采集的多路图像汇聚到一个出射端上输出；

图像检测系统，与所述内窥镜出射端相连，可以采集与处理出射端输出的图像。

进一步的，所述图像检测系统包括相机、滤光片、图像处理装置。所述相机镜头朝向所述内窥镜出射端且对焦在内窥镜出射端面上。所述滤光片加装在所述相机镜头前，所述图像处理装置和所述相机相连，可以接收和处理所测得的火焰投影图像，重建火焰的三维场分布。

火焰测量和重建的方法包括以下步骤：

步骤a：打开光源，进行系统标定，获得系统坐标参数。

步骤b：用图像检测系统拍摄无待测火焰时背景板图片。然后将火焰产生装置放在待测火焰区域。

步骤c：用图像检测系统拍摄有待测火焰时的背景板图片，计算有无待测火焰时相机记录下的随机点偏移量。

步骤d：根据步骤c中记录下的随机点的偏移量，计算出光线的偏折角，并建立折射率分布场和偏折角之间的关系，即光线方程。将从多个角度测量追踪的背景板发出的光线对应的光线方程合并成方程组，建立起折射率场的反演模型。

步骤e：采用代数重建法对步骤d中的反演问题进行求解，设置合理的松弛因子进行迭代求解，重建待测区域的折射率场分布情况。

步骤f：将得到的折射率场结合Gladstone-Dale公式(格拉斯顿-代尔公式，描述了气体折射率和气体密度之间的关系)可以计算出重建火焰区域的密度场，再由理想气体状态方程，则可以根据得到的密度计算出目标火焰的温度分布。

进一步的，所述的光源为高功率LED灯，能实现较好的信噪比，且相对于激光光源更加安全，也不需要对光线进行扩束。

进一步的，所述的滤光片为窄带滤光片，可以过滤火焰的宽谱辐射。

进一步的，为了尽可能地使各个角度拍摄的投影不一样，增加重建时光线方程的独立性，多个内窥镜入射端采集角度布置原则是均匀地分布在以待测火焰区域为中心的平面180度范围内。

进一步的，通过重复执行步骤c至步骤f能够实现对三维火焰瞬态多物理场(折射率场、密度场、温度场)的三维连续测量。

进一步的，步骤a中的单相机内窥背景纹影系统标定包括如下步骤：

步骤S1：使用一张标定板(类似国际象棋棋盘)于待测区域中心附近。从多个(相当于内窥镜镜头个数)角度同时采集棋盘格的图像。

步骤S2：提取棋盘格中黑白格子的交点，获得这些交点在相机坐标系和世界坐标系的坐标。

步骤S3：通过棋盘格交点在两个坐标系的坐标，结合张正友标定算法获得所需的标定参数。

进一步的，步骤b中的背景板图片的背景噪点是采用代码生成的伪随机噪点，噪点密度控制在25％。

进一步的，步骤c中，计算图片中的位移采用的算法选择互相关算法或光流算法。

互相关算法的具体流程包括以下步骤：(1)选取诊断窗口，可以选用块状区域作为互相关诊断窗口，窗口尺寸根据实际测量情况确定。(2)采用快速傅里叶变换求解两幅图片中的窗口区域的灰度分布函数之间的互相关函数。(3)确定互相关的函数的峰值对应的位移即为随机点所对应的位移。

光流算法求解的过程如下：(1)光流算法中两次拍摄图片中亮度变化完全由物体运动引起，同一随机点两次拍摄的图片上对应的亮度保持不变，由此约束可以建立起亮度不变约束条件。(2)根据实际测试需要引入第二个约束条件，不同约束条件对应不同算法。(3)根据约束条件建立光流估计误差，根据误差最小求出光流矢量，即两次拍摄图片中物体位置变化的矢量，随机点的位移也就确定了。

进一步的，步骤d中反演计算模型是一个基于光线在非均匀介质中传播的光线方程组，其构建过程包括以下步骤：

步骤Q1：将待测火焰区域离散分为I×J×K个立方体体素(I、J、K分别为沿着x、y、z三个方向的体素数目)。

步骤Q2：假设每个体素内折射率一致，将光线偏折角即折射率梯度的积分对应的光线方程离散化成为线性方程，不同光线构成了一个方程组即为折射率场的反演计算模型。

进一步的，步骤e中采用的迭代松弛因子取值在0-2之间。

进一步的，步骤e中采用的迭代算法设置两个终止条件：迭代残差小于设定值与迭代次数大于设定值。

进一步的，步骤f中Gladstone-Dale常数采用充分燃烧假设，根据燃烧产物组分计算得到。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明采用单相机和内窥镜相结合的测试装置，和以往的多相机成像系统相比，消除了拍摄不同步的问题，并且大大降低了测试系统的成本，更具有工程应用的可能性。

2、本发明采用的基于单相机的背景纹影测试方法对应的测试系统简单，可应用的场景范围更为广泛。

3、本发明仅用一台相机进行测量，同时结合背景纹影层析技术和代数重建算法，能够实现对火焰温度场的高时空分辨率(时间分辨率可达1ms，空间分辨率可达5mm)的重建，可以实现对高速火焰的瞬态测量与连续测量。

4、本发明使用代数重建算法来重建火焰温度场，比起传统的滤波反投影算法，可以在较少的投影下重建出较完整的温度场，同时能够有效抑制伪影问题。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例的整体结构示意图。

图2为背景纹影层析模型的示意图。

图3为光线偏移量图。

图4为在不同时间正交方向上的温度重建情况。

其中，1高速相机，2一分多内窥镜，3背景板，4光源，5滤光片，6图像处理装置，7镜头，8火焰区域。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述的位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种火焰温度场的测量装置，包括相机1、内窥镜2、背景板3、光源4、滤光片5、图像处理装置6、镜头7。所述背景板3和内窥镜2布置在一定半径的圆周上，将内窥镜2的九个入射端面朝向背景板，每个入射端都配备一个镜头7并对焦至背景板3。相机1通过镜头对焦在内窥镜2出射端面上。滤光片5加装在相机1镜头前，图像处理装置6和相机1相连，用于接收和处理所测得的火焰投影，重建火焰的三维场分布。相机1、滤光片5、图像处理装置6、镜头7构成图像检测系统。本实施例的相机为基于CCD传感器的高速工业相机。光源为400W的LED灯。内窥镜为九合一的内窥镜，有九个入射端和一个出射端。图像处理装置6为设有纹影技术图像处理系统的工作站，可以通过接收相机拍摄的在有无待测火焰时从九个不同角度观测到的背景板图片来重建出火焰的三维温度场。待测火焰区域8位于圆心处，采用预混的湍流旋流火焰。

本实施例还提供了一种基于以上测量装置的火焰温度场的测量方法，测量过程包括但不限于以下步骤：

步骤a：在开始测量前，需要对测试装置进行标定，建立起世界坐标系和成像坐标系之间的关系。

标定采用的是张正友相机标定法。获得各个子成像系统(即内窥镜的每个接收端和其镜头的组合)的内部参数和外部参数。通过标定结果，可以建立起空间中任意一点与相机的对应关系。

步骤b：用高速相机拍摄无待测火焰时背景板图片。然后将火焰产生装置放在检测装置的圆心处，用于提供待测火焰。具体的，本实施例中采用的是预混湍流旋流火焰，背景板图片的背景噪点是采用代码生成的伪随机噪点，噪点密度控制在25％。

步骤c：利用高速相机和内窥镜系统拍摄在有待测火焰时的背景板图片，计算有无待测火焰前后相机记录下的随机点偏移量，如图3所示。

建立折射率场的反演模型的详细说明如下：

背景纹影层析成像技术是根据背景图片在有无待测火焰前后的光线偏折来重建待测区域的折射率场的。在步骤d中首先通过光流算法或者互相关算法能够获得光线的偏折角度。如图2所示，当背景板上发出的一束光经过火焰时，光线将发生偏折。在这里我们采用相机视角，即从相机出发反向追踪光线的传播过程至背景板。图中，P_i为入射点、P_o为出射点、P_m为重建区域中点、L_b为重建区域中点到背景板距离、L_d为重建区域中点到相机镜头中心距离、L_u为像距、ε为光线偏折角度。根据几何关系及相似三角形原理可得

其中

和

为相机坐标系下两个方向的偏折角，通过坐标变换可以转为世界坐标系下三个方向的偏折角

和

因此，当一条光线穿过火焰时，沿着各个方向的总偏折角为沿着路径的积分，可表示为：

如将重建区域划分为I×J×K个立方体体素(I、J、K分别为沿着x、y、z三个方向的体素数目)，则公式(2)离散化后可得：

其中，u∈(x,y,z)表示方向；Δs为该条光线在每个体素中穿过的长度，为一个变化的数值，

为一个行向量，其每一列元素代表某一条光线在所有体素中所穿过的长度，下标i表示第i条光线；D_u为差分矩阵。

在九个内窥镜接收端所处的角度进行测量并追踪所有光线,即得到一组类似公式(3)的方程，组合后可得一个线性方程组：

其中，S为系数矩阵，其每一行元素代表某一条光线在所有体素中穿过的长度。

在本实施例内，L_b＝680mm,L_d＝1095.6mm,L_u＝34.842mm。重建火焰范围为9×10×10cm³,共划分为54×60×60块体素。

重建算法采用代数重建法，可以在较少的投影下重建出较好的温度场，同时能够有效抑制伪影问题。每次迭代中，每个等式依次参与到信息更新中，矫正项以加和的形式反馈到解当中，逐步逼近方程的解，其迭代方式可以总结为：

其中

代表迭代过程中的求得的方程解，上标k代表第k次迭代，上标i代表第i个等式参与到更新当中。A_i代表系数矩阵A的第i行，p_i代表投影

的第i个元素。

代表向量2-范数的平方，即向量所有元素的平方和。矩阵上标T代表矩阵的转置。λ_ART是松弛因子，控制着迭代的收敛速度与收敛性，本实施例中取值0.07，设置两个终止条件(1)两次迭代结果的2-范数小于10^-6；(2)迭代次数大于200次。

步骤f：将得到的折射率场,结合Gladstone-Dale公式(描述了气体折射率和气体密度之间的关系)可以计算出重建火焰区域的密度场，再由理想气体状态方程，则可以根据得到的密度计算出目标火焰的温度分布。

根据Gladstone-Dale公式，气体折射率和密度之间的关系可描述为：

(n-1)/ρ＝K_G-D(λ)， (6)

其中，n为折射率；ρ[kg/m³]为气体密度；λ[m]为探测信号波长；K_G-D为Gladstone-Dale常数，不同气体所对应的数值可以通过查表获得。

根据理想气体状态方程，温度T可表示为：

其中，P[Pa]为压力；M[g/mol]为气体摩尔质量；R为理想气体常数，等于8.314J/(mol×K)。本实施例重建结果如图4。

由此可见，基于单相机内窥背景纹影层析成像技术的火焰温度场测量方法可行。

上述实施方式仅仅是为清楚地说明本发明所做的举例，而不应理解为对本发明保护范围的限制。对于本领域普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，在不脱离本发明的精神或原则的情况下，对本发明做出的任何形式的修改、等同替换和改进等均应归入本发明要求的保护范围之内。

Claims

1.一种火焰温度场测量装置，包括

内窥镜，设置在待测火焰区域相对于所述背景板的另一侧，内窥镜有多个入射端和一个出射端，每个入射端配备一个镜头，多个入射端分多个角度对准待测火焰，可以将多个入射端采集的多路图像汇聚到一个出射端上输出；

2.根据权利要求1所述的一种火焰温度场测量装置，其特征在于：所述图像检测系统包括相机、滤光片、图像处理装置。所述相机镜头朝向所述内窥镜出射端；所述滤光片加装在所述相机镜头前；所述图像处理装置和所述相机相连，可以接收和处理所测得的图像。

3.根据权利要求1所述的一种火焰温度场测量装置，其特征在于：所述的光源为高功率的LED灯。

4.根据权利要求2所述的一种火焰温度场测量装置，其特征在于：所述的滤光片为能过滤火焰宽谱辐射的窄带滤光片。

5.根据权利要求1所述的一种火焰温度场测量装置，其特征在于：多个内窥镜入射端采集角度是均匀地布置在以待测火焰区域为中心的平面180度范围内。

6.一种火焰温度场测量方法，结合权利要求1-5任一项所述的火焰温度场测量装置，其特征在于：火焰测量和重建的方法包括以下步骤：

步骤a：打开光源，进行系统标定，获得系统坐标参数。

步骤b：用图像监测系统采集无待测火焰时的背景板图片。然后将火焰产生装置放在待测火焰区域。

步骤c：用图像监测系统采集有待测火焰时的背景板图片，计算有无待测火焰时背景板图片上的随机点偏移量。

步骤d：根据步骤c中记录下的随机点的偏移量，计算出光线的偏折角，并建立折射率分布场和偏折角之间的关系，即光线方程。将从多个角度测量的背景板发出的光线对应的光线方程合并成方程组，建立起折射率场的反演模型。

步骤e：采用代数重建法对步骤d中的反演问题进行求解，重建待测火焰区域的折射率场分布情况。

步骤f：将得到的折射率场结合Gladstone-Dale公式描述的气体折射率和气体密度之间的关系计算出待测火焰区域的密度场，再由理想气体状态方程计算出待测火焰的温度分布。

7.根据权利要求6所述的一种火焰温度场测量方法，其特征在于：通过重复执行步骤c至步骤f以实现对火焰瞬态多物理场的三维连续测量。

8.根据权利要求6所述的一种火焰温度场测量方法，其特征在于：步骤a中的系统标定包括如下步骤：

步骤S1：使用一张标定板于待测区域中心附近。从多个角度同时采集标定板棋盘格的图像。

9.根据权利要求6所述的一种火焰温度场测量方法，其特征在于：步骤c中，计算图片中的位移采用的算法选择互相关算法。

10.根据权利要求6所述的一种火焰温度场测量方法，其特征在于：步骤c中，计算图片中的位移采用的算法选择光流算法。