CN112082672B - 基于消光矫正时间解析的三维燃烧场温度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于消光矫正时间解析的三维燃烧场温度测量方法，包括步骤：S1：建立一基于内窥层析的双色辐射测温系统；基于内窥层析的双色辐射测温系统包括：待测燃烧器、一分多内窥镜、分光镜、第一信号探测系统、第二信号探测系统、以太网交换机和数据采集及处理装置；S2：第一信号探测系统和第二信号探测系统将采集的多角度信号发送给数据采集及处理装置；S3：数据采集及处理装置对多角度信号进行数据处理，获得消光矫正后的时间解析的三维燃烧场温度。本发明的一种基于消光矫正时间解析的三维燃烧场温度测量方法，能很好地解决目前燃烧场中温度检测中存在的问题，实现高时空分辨率的消光矫正后更精准的三维燃烧场温度测量。

Description

基于消光矫正时间解析的三维燃烧场温度测量方法

技术领域

本发明涉及计算成像、燃烧诊断和辐射测温技术领域，尤其涉及一种基于消光矫正时间解析的三维燃烧场温度测量方法。

背景技术

温度是燃烧诊断领域中一个十分重要的指标，它对燃烧过程效率、减少燃烧过程中的污染物排放等都存在影响。现有的测温方式按照是否与被测区域直接接触，可分为接触式测量(如热电偶测量)和非接触式测量(如光学测量法)。非接触的光学测量法由于其不与流场直接接触，不存在对流场存在干扰的情况，故测量误差较小，也是目前被广泛采用的测温方式。

在过去的几十年中，研究人员采用了多种光学测量法对燃烧场的温度进行测量：如相干反斯托克斯拉曼光谱法(Coherent anti-stokesRamanspectroscopy，CARS)、基于气体吸收的吸收光谱法(Tunable diode laser absorption spectroscopy，TDLAS)、基于诱导荧光的双线测温法(Two-line atomic fluorescence，TLAF)以及基于自发辐射光的双色测温法等。

在基于自发辐射光的双色测温法中，通过采集两个不同波段下的自发辐射信号，结合普朗克定律计算得到温度分布。然而，在对自发辐射光进行探测时，燃烧场中火焰基团以及燃烧过程中产生的碳烟粒子会对辐射光产生吸收作用而使得探测的辐射信号衰减。因此，有必要将自发辐射光测量中的消光作用进行矫正，从而实现更高精度的测量。

此外，受益于电子设备领域蓬勃的发展，高速相机等设备的性能已相当成熟，现如今的燃烧测试及诊断方法，已逐渐发展至三维测量，乃至时间解析的三维测量。在诸多三维测量技术中，层析成像技术被广泛采用，即通过多台相机同时对多个角度的信号进行探测，结合重建算法实现待测区域的三维测量。但是，在实际应用中，存在需要多台相机、设备成本高的缺点。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种基于消光矫正时间解析的三维燃烧场温度测量方法，通过采用一分多内窥镜、分光镜及配有不同中心波长滤光片的两台高速相机结合双色测温法可实现燃烧场时间解析的温度测量。同时，考虑燃烧场中介质(如火焰基团和碳烟颗粒)对辐射信号的消光作用，结合比尔-朗伯定律并采用交替迭代重建算法，分别进行两个波段下消光矫正的三维重建。通过标准光源标定得到的两台高速相机的光学敏感常数及两个波段下各自重建出的消光矫正的三维相对辐射场，基于普朗克辐射定律可获得消光矫正后更精准的时间解析的三维燃烧场温度。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于消光矫正时间解析的三维燃烧场温度测量方法，包括步骤：

S1：建立一基于内窥层析的双色辐射测温系统；所述基于内窥层析的双色辐射测温系统包括：一待测燃烧器、一一分多内窥镜、一分光镜、一第一信号探测系统、一第二信号探测系统、一以太网交换机和一数据采集及处理装置；所述一分多内窥镜包括多个第一入射端和一第一出射端，所述第一入射端均匀布设于所述待测燃烧器外的同一半径的圆周上；所述分光镜包括一第二入射端和两第二出射端，所述第一出射端对准所述第二入射端；所述第一信号探测系统和所述第二信号探测系统分别对准一第二出射端；所述第一信号探测系统和所述第二信号探测系统通过所述以太网交换机与所述数据采集及处理装置通信连接；

S2：所述第一信号探测系统和所述第二信号探测系统将采集的多角度信号发送给所述数据采集及处理装置；

S3：所述数据采集及处理装置对所述多角度信号进行数据处理，获得消光矫正后的时间解析的三维燃烧场温度。

优选地，所述第一信号探测系统包括依次连接的一第一波段滤光片、第一镜头和一第一高速相机；所述第二信号探测系统包括依次连接的一第二波段滤光片、第二镜头和一第二高速相机；每个所述第一入射端前设置有一第三镜头。

优选地，所述分光镜的分光比例为1：1。

优选地，所述第一波段滤光片采用中心波长为425nm的窄带滤光片；所述第二波段滤光片采用中心波长为600nm的窄带滤光片。

优选地，所述S3步骤进一步包括步骤：

S31：在所述待测燃烧器不产生待测火焰时，将带有黑白格子图像的一标定板置于所述待测燃烧器上方的中心位置，利用所述第一信号探测系统和所述第二信号探测系统分别采集所述标定板的图片，进行系统标定，获得所述待测燃烧器所在的一待测燃烧场区域分别与所述第一信号探测系统和所述第二信号探测系统的多个探测角度间的位置关系；

S32：控制所述待测燃烧器产生待测火焰，同时触发所述第一信号探测系统和所述第二信号探测系统同时采集所述待测火焰的火焰辐射信号并发送给所述数据采集及处理装置存储；所述第一高速相机和所述第二高速相机的工作频率为2kHz；

S33：采用蒙特卡洛光线追踪方法，结合所述多个探测角度间的位置关系，考虑燃烧场中介质对辐射信号的消光作用的消光矫正，结合比尔-朗伯定律建立一辐射信号场的反演模型；所述燃烧场中介质包括火焰基团和碳烟颗粒；

S34：结合所述辐射信号场的反演模型，采用交替迭代重建法对反演问题进行求解，重建所述待测燃烧场区域的两个不同波段下的消光矫正瞬态三维相对辐射信号分布场；

S35：在所述待测燃烧器不产生待测火焰时，将已知不同波长下绝对辐射强度的宽谱标准光源置于所述待测燃烧器上的中心位置，用所述第一信号探测系统和所述第二信号探测系统分别采集所述宽谱标准光源的辐射信号；

S36：结合所述第一信号探测系统和所述第二信号探测系统分别采集的所述火焰辐射信号和所述宽谱标准光源的辐射信号以及所述第一波段滤光片和所述第二波段滤光片的透射率曲线，分别计算所述第一高速相机和所述第二高速相机的光学敏感常数；

S37：通过所述光学敏感常数和所述消光矫正瞬态三维相对辐射信号分布场，基于普朗克辐射定律获得所述消光矫正后的时间解析的三维燃烧场温度。

优选地，所述S31步骤进一步包括步骤：

S311：将所述标定板置于未点火时的所述待测燃烧器的中心位置，通过所述一分多内窥镜、所述第一信号探测系统和所述第二信号探测系统同时从多个角度采集所述标定板上的所述黑白格子图像；

S312：提取同时摄得的不同角度采集的所述黑白格子图像中格子的交点，获得这些交点在一相机坐标系和一世界坐标系下的坐标；

S313：通过所述格子交点在所述相机坐标系和所述世界坐标系中的坐标，结合张正友标定算法获得所需的标定参数，根据所述标定参数确定所述第一信号探测系统和所述第二信号探测系统与所述待测燃烧场区域之间的位置关系。

优选地，所述步骤S34中所述采用交替迭代重建法对反演问题进行求解步骤进一步包括步骤：

S341：依据上一次迭代所计算出的辐射强度分布，更新消光系数分布；

S342：根据所述消光系数分布及上一次迭代所计算出的所述辐射强度分布，结合比尔-朗伯定律，计算反投影；

S343：根据所述反投影，结合所述火焰辐射信号的投影，计算矫正项；

S344：根据所述矫正项，更新上一次迭代所计算出的所述辐射强度分布，更新辐射强度分布；

S345：根据迭代终止条件或迭代次数判断是否中止迭代，若是，则交替迭代过程中止；若否，则返回所述步骤S341。

优选地，所述宽谱标准光源的出光波段涵盖所述第一波段滤光片和所述第二波段滤光片的带通范围。

本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：

本发明通过采用一分多内窥镜、分光镜及配有不同中心波长滤光片的两台高速相机结合双色测温法可实现燃烧场时间解析的温度测量。同时，考虑燃烧场中介质(如火焰基团和碳烟颗粒)对辐射信号的消光作用，结合比尔-朗伯定律并采用交替迭代重建算法，分别进行两个波段下消光矫正的三维重建。通过标准光源标定得到的两台高速相机的光学敏感常数及两个波段下各自重建出的消光矫正的三维相对辐射场，基于普朗克辐射定律可获得消光矫正后更精准的时间解析的三维燃烧场温度。能很好地解决目前燃烧场中温度检测中存在的问题，实现高时空分辨率的消光矫正后更精准的三维燃烧场温度测量。

附图说明

图1为本发明实施例的基于内窥层析的双色辐射测温系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的辐射场中发出的光线在像素(m，n)上投影过程俯视示意图。

具体实施方式

下面根据附图1和图2，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。

请参阅图1，本发明实施例的一种基于消光矫正时间解析的三维燃烧场温度测量方法，包括步骤：

S1：建立一基于内窥层析的双色辐射测温系统；基于内窥层析的双色辐射测温系统包括：一待测燃烧器1、一一分多内窥镜2、一分光镜3、一第一信号探测系统4、一第二信号探测系统5、一以太网交换机6和一数据采集及处理装置7；一分多内窥镜2包括多个第一入射端21和一第一出射端22，第一入射端21均匀布设于待测燃烧器1外的同一半径的圆周上；分光镜3包括一第二入射端和两第二出射端，第一出射端22对准第二入射端；第一信号探测系统4和第二信号探测系统5分别对准一第二出射端；第一信号探测系统4和第二信号探测系统5通过以太网交换机6与数据采集及处理装置7通信连接；

S2：第一信号探测系统4和第二信号探测系统5将采集的多角度信号发送给数据采集及处理装置7；

S3：数据采集及处理装置7对多角度信号进行数据处理，获得消光矫正后的时间解析的三维燃烧场温度。

具有多个第一入射端21及一个第一出射端22的一分多内窥镜2可以将多个第一入射端21采集的多路辐射信号汇聚到同一个出射端上输出，即能够同时探测待测燃烧场多个角度的辐射信息。

本实施例中，第一信号探测系统4包括依次连接的一第一波段滤光片41、第一镜头42和一第一高速相机43；第二信号探测系统5包括依次连接的一第二波段滤光片51、第二镜头52和一第二高速相机53；每个第一入射端21前设置有一第三镜头23。

分光镜3的分光比例为1∶1；可将一分多内窥镜2的光纤束的第一出射端22输出的辐射信号等比例分为两路。分光镜3分光之后的两束信号分别经第一信号探测系统4和第二信号探测系统5探测。

第一波段滤光片41采用中心波长为425nm的窄带滤光片；第二波段滤光片51采用中心波长为600nm的窄带滤光片。

第一高速相机43和第二高速相机53同时触发而采集信号，工作频率为2kHz。

本实施例中，S3步骤进一步包括步骤：

S31：在待测燃烧器1不产生待测火焰时，将带有黑白格子图像的一标定板置于待测燃烧器1上方的中心位置，利用第一信号探测系统4和第二信号探测系统5分别采集标定板的图片，进行系统标定，获得待测燃烧器1所在的一待测燃烧场区域分别与第一信号探测系统4和第二信号探测系统5的多个探测角度间的位置关系；

S32：控制待测燃烧器1产生待测火焰，同时触发第一信号探测系统4和第二信号探测系统5同时采集待测火焰的火焰辐射信号并发送给数据采集及处理装置7存储；第一高速相机43和第二高速相机53的工作频率为2kHz；

S33：采用蒙特卡洛光线追踪方法，结合多个探测角度间的位置关系，考虑燃烧场中介质对辐射信号的消光作用的消光矫正，结合比尔-朗伯定律建立一辐射信号场的反演模型；燃烧场中介质包括火焰基团和碳烟颗粒；

S34：结合辐射信号场的反演模型，采用交替迭代重建法对反演问题进行求解，重建待测燃烧场区域的两个不同波段下的消光矫正瞬态三维相对辐射信号分布场；

S35：在待测燃烧器1不产生待测火焰时，将已知不同波长下绝对辐射强度的宽谱标准光源置于待测燃烧器1上的中心位置，用第一信号探测系统4和第二信号探测系统5分别采集宽谱标准光源的辐射信号；

S36：结合第一信号探测系统4和第二信号探测系统5分别采集的火焰辐射信号和宽谱标准光源的辐射信号以及第一波段滤光片41和第二波段滤光片51的透射率曲线，分别计算第一高速相机43和第二高速相机53的光学敏感常数；

S37：通过光学敏感常数和消光矫正瞬态三维相对辐射信号分布场，基于普朗克辐射定律获得消光矫正后的时间解析的三维燃烧场温度。

本实施例中，S31步骤进一步包括步骤：

S311：将标定板置于未点火时的待测燃烧器1的中心位置，通过一分多内窥镜2、第一信号探测系统4和第二信号探测系统5同时从多个角度采集标定板上的黑白格子图像；

S312：提取同时摄得的不同角度采集的黑白格子图像中格子的交点，获得这些交点在一相机坐标系和一世界坐标系下的坐标；

S313：通过格子交点在相机坐标系和世界坐标系中的坐标，结合张正友标定算法获得所需的标定参数，根据标定参数确定第一信号探测系统4和第二信号探测系统5与待测燃烧场区域之间的位置关系。

本实施例中，步骤S33中建立辐射信号场的反演模型的步骤包括：

根据蒙特卡洛光线追踪方法，第一高速相机43和第二高速相机53的相机芯片8上某个像素点的光强数学表达式为：

p(x_p，y_p)＝∫∫∫f(x_w，y_w，z_w)·PSF(x_w，y_w，z_w，x_p，y_p)dV，(1)

其中p(x_p，y_p)是像素中心点(x_p，y_p)所测得的光强；f(x_w，y_w，z_w)是空间中某一点(x_w，y_w，z_w)的光强；PSF为点扩散函数(即具有单位辐射强度的点光源在相机芯片8上成像的强度分布)。(x_p，y_p)和(x_w，y_w，z_w)分别是相机芯片坐标系上和世界坐标系中的点。若将重建区域沿三个坐标轴方向离散划分为N_x、N_y、N_z个体素，则公式(1)可以表示为：

其中，N代表离散化后的总体素数；Δx，Δy，Δz分别为沿着三个坐标轴方向体素的尺寸。

所以，相机上每一像素实际提供了一个线性方程组，方程中的变量为重建区域内所有体素的辐射光光强。由于每一像素都能得到类似公式(2)的方程组，所以相机上所有像素提供了一系列线性方程组。同时拍摄不同角度火焰辐射信号则可获得多组线性方程组，用向量形式表示这个总线性方程组：

其中，

为向量，表示相机上所有像素所获得辐射光信号；矩阵W中每一列表示某个体素在相机上的点扩散函数；

则为空间中所有体素的辐射光强。

请参阅图1和图2，步骤S34中采用交替迭代重建法对反演问题进行求解步骤进一步包括步骤：

S341：依据上一次迭代所计算出的辐射强度分布，更新消光系数分布；

S342：根据消光系数分布及上一次迭代所计算出的辐射强度分布，结合比尔-朗伯定律，计算反投影；

S342步骤进一步包括步骤：

根据比尔-朗伯定律，当初始光强为I₀的光线穿过非均匀的介质，光强会由于介质的作用而衰减，当光线在介质中传播距离L后，其出射光强I_t可表示为：

其中，α_i为第i个体素中的消光系数，l_i为第i个体素中的传播距离。在扩散火焰中，燃烧会产生较多碳烟颗粒，但是与吸收作用相比，碳烟颗粒的散射作用可以忽略，此时消光系数可近似等于吸收系数。那么，由于燃烧场中介质(火焰基团、碳烟颗粒等)的吸收而对辐射光强产生消光作用时，反投影可表示为：

其中，α为消光系数矩阵，其中第i个体素中的消光系数α_i与局部辐射强度成比例。

S343：根据反投影，结合火焰辐射信号的投影，计算矫正项：

其中，p(m，n)代表测得的成像平面上像素(m，n)的信号强度，W_m，n为对应于像素(m，n)的系数，如图2为辐射场中发出的光线在像素(m，n)上投影过程俯视示意图(在体素(x_i，y_i，z_i)中传播距离为l_i)。实质上，矫正项代表实测的信号强度与计算的信号强度之间的差值。因此，在每一次迭代中，都会更新消光系数的值。

S344：根据矫正项，更新上一次迭代所计算出的辐射强度分布，更新辐射强度分布：

由于考虑了消光作用后的方程组包含了指数消光项，为了求解这种耦合消光项的非线性方程组，本发明采用一种交替迭代的重建算法，其数学表达形式如下：

其中，

代表迭代过程中的求得的体素(x_i，y_i，z_i)的辐射强度，上标k代表第k次迭代。λ_ART为松弛因子，控制着迭代的收敛速度与收敛性。W_m，n为对应于像素(m，n)的系数，c为上述步骤S343中的消光矫正项。

S345：根据迭代终止条件或迭代次数判断是否中止迭代，若是，则交替迭代过程中止；若否，则返回步骤S341。

优选地，宽谱标准光源的出光波段涵盖第一波段滤光片41和第二波段滤光片51的带通范围。

本实施例中，S37步骤中基于普朗克辐射定律获得消光矫正后的时间解析的三维燃烧场温度的步骤包括：

根据普朗克辐射定律，物体辐射强度I(λ，T)与波长λ、热力学温度T以及发射率ε(λ)有关，可由下式表示：

当采用瑞利近似时，发射率ε(λ)可由下式表示：

其中，d_p为粒子直径，E(m)为折射函数，m为复折射系数。

采用双色测温法，对两个不同波长下的辐射强度做比值，结合瑞利近似，可得到下式：

当不同波长下的折射函数取值确定以及绝对辐射强度可测得时，根据上式即可得到温度。其中，绝对辐射强度通过步骤S36中所述的两台高速相机的光学敏感常数与步骤S34中重建的待测燃烧区域的两个不同波段下的消光矫正瞬态三维相对辐射信号分布得到。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于消光矫正时间解析的三维燃烧场温度测量方法，包括步骤：

S1：建立一基于内窥层析的双色辐射测温系统；所述基于内窥层析的双色辐射测温系统包括：一待测燃烧器、一一分多内窥镜、一分光镜、一第一信号探测系统、一第二信号探测系统、一以太网交换机和一数据采集及处理装置；所述一分多内窥镜包括多个第一入射端和一第一出射端，所述第一入射端均匀布设于所述待测燃烧器外的同一半径的圆周上；所述分光镜包括一第二入射端和两第二出射端，所述第一出射端对准所述第二入射端；所述第一信号探测系统和所述第二信号探测系统分别对准一第二出射端；所述第一信号探测系统和所述第二信号探测系统通过所述以太网交换机与所述数据采集及处理装置通信连接；

S2：所述第一信号探测系统和所述第二信号探测系统将采集的多角度信号发送给所述数据采集及处理装置；

S3：所述数据采集及处理装置对所述多角度信号进行数据处理，获得消光矫正后的时间解析的三维燃烧场温度；

所述第一信号探测系统包括依次连接的一第一波段滤光片、第一镜头和一第一高速相机；所述第二信号探测系统包括依次连接的一第二波段滤光片、第二镜头和一第二高速相机；每个所述第一入射端前设置有一第三镜头；

所述分光镜的分光比例为1:1；

所述第一波段滤光片采用中心波长为425nm的窄带滤光片；所述第二波段滤光片采用中心波长为600nm的窄带滤光片；

所述S3步骤进一步包括步骤：

S31：在所述待测燃烧器不产生待测火焰时，将带有黑白格子图像的一标定板置于所述待测燃烧器上方的中心位置，利用所述第一信号探测系统和所述第二信号探测系统分别采集所述标定板的图片，进行系统标定，获得所述待测燃烧器所在的一待测燃烧场区域分别与所述第一信号探测系统和所述第二信号探测系统的多个探测角度间的位置关系；

S32：控制所述待测燃烧器产生待测火焰，同时触发所述第一信号探测系统和所述第二信号探测系统同时采集所述待测火焰的火焰辐射信号并发送给所述数据采集及处理装置存储；所述第一高速相机和所述第二高速相机的工作频率为2kHz；

S33：采用蒙特卡洛光线追踪方法，结合所述多个探测角度间的位置关系，考虑燃烧场中介质对辐射信号的消光作用的消光矫正，结合比尔-朗伯定律建立一辐射信号场的反演模型；所述燃烧场中介质包括火焰基团和碳烟颗粒；

S34：结合所述辐射信号场的反演模型，采用交替迭代重建法对反演问题进行求解，重建所述待测燃烧场区域的两个不同波段下的消光矫正瞬态三维相对辐射信号分布场；

S35：在所述待测燃烧器不产生待测火焰时，将已知不同波长下绝对辐射强度的宽谱标准光源置于所述待测燃烧器上的中心位置，用所述第一信号探测系统和所述第二信号探测系统分别采集所述宽谱标准光源的辐射信号；

S36：结合所述第一信号探测系统和所述第二信号探测系统分别采集的所述火焰辐射信号和所述宽谱标准光源的辐射信号以及所述第一波段滤光片和所述第二波段滤光片的透射率曲线，分别计算所述第一高速相机和所述第二高速相机的光学敏感常数；

S37：通过所述光学敏感常数和所述消光矫正瞬态三维相对辐射信号分布场，基于普朗克辐射定律获得所述消光矫正后的时间解析的三维燃烧场温度。

2.根据权利要求1所述的基于消光矫正时间解析的三维燃烧场温度测量方法，其特征在于，所述S31步骤进一步包括步骤：

S311：将所述标定板置于未点火时的所述待测燃烧器的中心位置，通过所述一分多内窥镜、所述第一信号探测系统和所述第二信号探测系统同时从多个角度采集所述标定板上的所述黑白格子图像；

S312：提取同时摄得的不同角度采集的所述黑白格子图像中格子的交点，获得这些交点在一相机坐标系和一世界坐标系下的坐标；

S313：通过所述格子交点在所述相机坐标系和所述世界坐标系中的坐标，结合张正友标定算法获得所需的标定参数，根据所述标定参数确定所述第一信号探测系统和所述第二信号探测系统与所述待测燃烧场区域之间的位置关系。

3.根据权利要求1所述的基于消光矫正时间解析的三维燃烧场温度测量方法，其特征在于，所述步骤S34中所述采用交替迭代重建法对反演问题进行求解步骤进一步包括步骤：

S341：依据上一次迭代所计算出的辐射强度分布，更新消光系数分布；

S342：根据所述消光系数分布及上一次迭代所计算出的所述辐射强度分布，结合比尔-朗伯定律，计算反投影；

S343：根据所述反投影，结合所述火焰辐射信号的投影，计算矫正项；

S344：根据所述矫正项，更新上一次迭代所计算出的所述辐射强度分布，更新辐射强度分布；

S345：根据迭代终止条件或迭代次数判断是否中止迭代，若是，则交替迭代过程中止；若否，则返回所述步骤S341。

4.根据权利要求1所述的基于消光矫正时间解析的三维燃烧场温度测量方法，其特征在于，所述宽谱标准光源的出光波段涵盖所述第一波段滤光片和所述第二波段滤光片的带通范围。

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