CN113074946B - 一种三维跨界面测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三维跨界面测量系统，包括信号发生器、圆形轨道、透明缸套、支架以及两个以上的成像结构件，其中，所述成像结构件包括相机与多个镜头组件；本发明通过在光学信号发生器外部布置透明缸套实现光学信号，如火焰信号的跨界面传播，在圆形轨道上布置多个镜头组件，将光学信号从镜头组件传播到相机，从而获得光学信号在不同观测方向的二维投影；因此，本发明通过透明缸套来代替光学发动机的透明视窗，对内部光学信号起到折射作用，可以模拟光学信号在光学发动机内时的光路传播路径，进而能够模拟光学发动机内部信号在向外传递过程中在经过透明视窗内外壁时的折射情况，为解决跨界面测量问题提供了实验方法。

Description

一种三维跨界面测量系统

技术领域

本发明属于光学测量领域，尤其涉及一种三维跨界面测量系统。

背景技术

随着高速相机、激光、数值算法的飞速发展，具有时空分辨能力的三维光学诊断成为了可能。

当前，光学测量技术被广泛应用于流动及燃烧领域。目前普遍采用的研究方法如层析PIV法、激光诱导荧光法、相位多普勒法等都离不开成像传感器对研究区域的信号采集，但是目前的研究基本都是针对开放区域的研究，但实际情况下，一些燃烧过程是在受限空间下发生的，例如内燃机的喷雾和燃烧过程发生在气缸内部，普通传感器难以深入其内部。为了实现对受限空间内目标的测量，需要将装置的某些部分由透明材料制成，例如使用由石英玻璃制成的缸套，将其用作光学入口。在该条件下，由于石英玻璃的存在，光线在玻璃内外壁表面会产生连续折射，导致投影失真，给分析缸内的流动或燃烧现象带来了巨大挑战。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种三维跨界面测量系统，能够对透明材料内部的光学信号进行跨界面测量，为进一步的光路修正提供实验数据，有助于后期对内部光学信号的进一步研究。

一种三维跨界面测量系统，包括信号发生器1、圆形轨道3、透明缸套7、支架8以及两个以上的成像结构件，其中，所述成像结构件包括相机6与多个镜头组件4；

所述透明缸套7放置于圆形轨道3内，且两者共轴；所述信号发生器1位于透明缸套7的内部，同时所述支架8用于托起透明缸套7，使得信号发生器1的信号出射口与透明缸套7的下表面平齐；

各镜头组件4布置于圆形轨道3上，用于从不同角度方向上接收信号发生器1发出的、且经过透明缸套7折射的光学信号；各相机6按照各自对应的设定投影关系，获取由同属一个成像结构件的各镜头组件4传输过来的光学信号在不同观测角度方向的二维投影，实现三维跨界面测量，其中，所述设定投影关系由透明缸套7所围空间中各点在相机6的成像平面上的投影位置构成。

进一步地，所述信号发生器1为燃烧器，且所述光学信号为燃烧器喷射出的火焰信号，所述透明缸套7的尺寸参数与工业柴油内燃机气缸的尺寸参数相同。

进一步地，一种三维跨界面测量系统，还包括燃料控制系统2；

所述燃烧室的燃料进口通过一根至少一米长的管道与燃料控制系统2连接；所述燃料控制系统2用于改变预混燃料的组分、不同组分之间的比例以及燃料流量的大小，以此获取不同形状、不同湍流度的火焰信号。

进一步地，一种三维跨界面测量系统，还包括标定板9；

所述标定板9竖直放置于透明缸套7内部，并与透明缸套7的子午面重合；同时，所述标定板9还位于信号发生器1的正上方，且信号发生器1的信号出射口中轴线位于标定板9的所在平面上；

所述标定板9用于确定各镜头组件4相对于信号发生器1的信号出射口的角度是否为期望角度。

进一步地，一种三维跨界面测量系统，还包括十字滑轨；

所述信号发生器1的底部与十字滑轨形成滑动配合，同时，所述十字滑轨用于调节信号发生器1所发出的光学信号在透明缸套7所围空间中的位置。

进一步地，所述圆形轨道3上设置有用于初步调节各镜头组件4相对于信号发生器1的位置的角度刻度。

进一步地，所述镜头组件4包括可移动平台10、三维位移云台11、三维角度云台12以及镜头13；

所述三维位移云台11、三维角度云台12以及镜头13从下至上依次叠加安装于可移动平台10上后，再通过可移动平台10按照预选角度固定在圆形轨道3上；其中，所述三维位移云台11用于调整镜头13沿X-Y-Z三个坐标轴上的位移，三维角度云台12用于调整镜头13与X-Y-Z三个坐标轴所成角度，镜头13用于接收信号发生器1发出的、且经过透明缸套7折射的光学信号。

进一步地，各镜头组件4通过光纤5将自身接收到的光学信号传输给同属一个成像结构件的相机6，其中，所述光纤5的输出端固定在相机6前，输入端的个数与成像结构件中所包含的镜头组件4的个数相同，且每个输入端分别固定在一个镜头组件4的成像侧；

所述相机6的成像平面被划分为多个子平面，且自平面的个数成像结构件中所包含的镜头组件4的个数相同，其中，各子平面用于获取光学信号在同一时刻不同观测角度方向下的二维投影。

进一步地，一种三维跨界面测量系统，还包括处理模块，其中，所述处理模块用于根据各相机6得到二维投影对光学信号进行三维重构。

进一步地，将各相机6分别被简化为一个包含若干大小相同的像素块阵列的成像平面与一个凸透镜组成的成像系统，则各相机6对应的设定投影关系的获取方法为：

S1：将透明缸套7所围空间离散为两个以上的体素层，其中，各体素层与透明缸套7所围空间的子午面平行，且各体素层均被划分为多个大小相同的体素块；

S2：利用逆向光线追踪法获取成像平面上各像素中心点在各体素层上的对应点坐标；

S3：分别将各体素层作为当前体素层执行正向投影操作，得到各体素层上各点在成像平面上的投影点坐标，其中，所述正向投影操作为：

S31：分别将当前体素层上的各点作为测试点，并从各像素中心点构成的所有可能的像素四边形中选出一个作为投影四边形，使得投影四边形的四个顶点在当前体素层上的对应点坐标构成的逆向投影四边形能够包围测试点，且投影四边形中任意两个顶点之间的间距总合最小；

S32：获取所述投影四边形在当前体素层上对应的逆向投影四边形，并基于投影四边形与逆向投影四边形之间的投影相似性，进行线性拟合得到测试点在成像平面上的投影点坐标。

有益效果：

1、本发明提供一种三维跨界面测量系统，通过在光学信号发生器外部布置透明缸套实现光学信号，如火焰信号的跨界面传播，在圆形轨道上布置多个镜头组件，将光学信号从镜头组件传播到相机，从而获得光学信号在不同观测方向的二维投影；因此，本发明通过透明缸套来代替光学发动机的透明视窗，对内部光学信号起到折射作用，可以模拟光学信号在光学发动机内时的光路传播路径，进而能够模拟光学发动机内部信号在向外传递过程中在经过透明视窗内外壁时的折射情况，为解决跨界面测量问题提供了实验方法。

2、本发明提供一种三维跨界面测量系统，燃烧室的燃料进口通过一根至少一米长的管道与燃料控制系统连接，使得在足够长的传输距离下，燃料具有充分的时间进行充分混合和整流，从而能够使燃料混合充分并且具有相对稳定的流动状态，从而产生稳定的火焰。

3、本发明提供一种三维跨界面测量系统，将多个镜头组件分别固定到圆形轨道上，从而使不同镜头组件与研究对象之间的距离相等，此外圆形轨道上表面具有均匀精确的角度刻度，方便对镜头组件的角度布置，能够大大缩短实验前期镜头布置调整的时间。

附图说明

图1为本发明提供的三维跨界面成像系统的总体结构示意图；

图2为本发明提供的三维跨界面成像系统标定板及光学气缸的结构示意图；

图3为本发明提供的投影关系追踪示意图；

1-光学信号发生器，2-燃料控制系统，3-圆形轨道，4-镜头组件，5-光纤，6-相机，7-透明缸套，8-支架，9-标定板，10-可移动平台，11-三维位移云台，12-三维角度云台，13-镜头。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本实施例以信号发生器1为燃烧器为例，模拟光学发动机内部信号向外传递的过程，对本发明提供的三维跨界面测量系统进行详细说明。

参见图1，为本发明一个实施例的三维跨界面测量系统的总体结构示意图，本发明一个实施例三维跨界面测量系统，包括圆形轨道3、镜头组件4、光纤5、高速相机6、透明缸套7、四脚支架8、标定板9、燃烧器、燃料控制系统2；镜头组件4包括可移动平台10、三维位移云台11、三维角度云台12以及镜头13；其中，透明缸套7为与实验用光学发动机透明视窗具有相同尺寸的石英缸套，对穿过的光线具有折射作用，固定在火焰的外围，使燃烧器喷射的火焰信号的传播光路发生偏折。

其中，燃烧器用于产生火焰信号；燃料控制系统2用于调节燃烧器的燃料组成；圆形轨道3用于布置镜头组件4并且可以初步控制各个镜头组件4到燃烧器1喷口的角度；镜头组件4布置在圆形轨道3上，用于调整镜头13相对于燃烧器1喷口的空间距离及角度，并从不同角度方向上接收燃烧器发出的、且经过透明缸套7折射的光学火焰信号；光纤5用于传递镜头13接收到的光学信号；相机6用于按照各自对应的设定投影关系，获取由同属一个成像结构件的各镜头组件4传输过来的光学信号在不同观测角度方向的二维投影，实现三维跨界面测量，其中，所述设定投影关系由透明缸套7所围空间中各点在相机6的成像平面上的投影位置构成；石英玻璃制作得到的透明缸套7用于代替光学发动机的气缸，模拟实际的光线折射情况；四脚支架8用于固定石英玻璃7，其上表面与光学平台平行，保证透明缸套7在Z轴方向上与轴线平行；标定板9用于确定镜头13相对于燃烧器1喷口的相对位置是否为期望角度。

进一步地，燃烧器固定在光学平台的中心位置，燃烧器下部具有十字形滑轨，通过调节十字滑轨与螺钉之间的相对位置实现对火焰位置的精确调节，以便于在后续的火焰重构实验中，可以将调节得到火焰位置作为重构实验计算正确与否的重要验证条件；燃烧器的燃气入口端通过一个具有足够长度，如1～2米长的金属直管与燃料控制系统2相连，能够使燃料混合充分并且具有相对稳定的流动状态，从而产生稳定的火焰。此外，可以通过燃料控制系统2改变预混燃料的组分、不同组分的比例以及燃料流量的大小，从而可以得到不同形状、不同形态以及不同湍流度的目标火焰以供后续研究。

圆形轨道3被固定在光学平台上，应保证圆形轨道3的圆心在透明缸套7的中心轴线上。具有角度刻度的圆形轨道3可以辅助快速的进行镜头组件4的角度布置，并且初步调节了镜头相对于火焰的距离，能够大大缩短镜头布置的时间。

标定板9竖直固定在燃烧器1上方且应保证燃烧器的火焰喷射口中轴线位于标定板9的所在平面上，此外标定板9还应位于透明缸套7的子午面上。标定板9具有由黑白网格组成的棋盘图案，属于方形有机玻璃板。网格的数量分布为28(水平)×17(竖直)。每个网格的大小为3.0mm×3.0mm。标定板9的尺寸为88mm长、55mm宽、3mm厚，由于标定板9的长度非常接近透明缸套7的内径，所以标定板9能够模拟透明缸套7包围空间内大多数位置的光信号分布。标定板9用于确定镜头13相对于燃烧器喷口中心的具体位置以及空间角度。

透明缸套7固定在燃烧器上方且要保证透明缸套7的圆心与圆形轨道3的中心重合，为保证燃烧器产生的火焰全部位于透明材料内部，须先在燃烧器外固定一个四脚支架8，四角支架8能够确保透明缸套7的轴向与铅垂方向平行，支架上表面的高度应该和燃烧器喷口高度相同，也即燃烧器的火焰喷射口与透明缸套7的下表面平齐；然后将透明缸套7固定在四脚支架8上。透明缸套7由石英材料制成，内径为92mm、外径为132mm、高度为42mm，具有与工业柴油内燃机气缸相同的尺寸参数。透明缸套7内部的研究对象发出的光学信号在经过透明缸套7的内外壁时将发生两次折射，具有和实际光学发动机透明视窗效果一致。

镜头组件4包括一个只能沿圆形导轨3移动的可移动平台10、一个三维位移云台11，一个三维角度云台12和一个镜头13。所述三维位移云台11、三维角度云台12以及镜头13从下至上依次叠加安装于可移动平台10上后，再通过可移动平台10按照预选角度固定在圆形轨道3上；具体组装步骤为：首先将可移动平台10按照预选角度固定在圆形轨道3上，然后将三维位移云台11固定在可移动平台10上；再将三维角度云台12固定在三维位移云台11上，最后将镜头13固定到三维角度云台12上。可移动平台10用来大范围调整镜头组件4在水平面内相对于研究对象的角度；三维位移云台11用于微量调整镜头13沿X-Y-Z三个方向的位移，三维角度云台12用于微量调整镜头13与X-Y-Z三个坐标轴所成角度，镜头13用于接收研究对象发出的光学信号，由此可见，通过镜头组件4即可对镜头13进行空间位置和空间角度的快速精确调整。

可选的，各镜头组件4通过光纤5将自身接收到的光学信号传输给同属一个成像结构件的相机6，其中，光纤5为由多根光纤集合成束的光学信号传输器件，且所述光纤5的输出端固定在相机6前，输入端的个数与成像结构件中所包含的镜头组件4的个数相同，且每个输入端分别固定在一个镜头组件4的成像侧，从而将镜头组件4接收到的火焰信号传播到高速相机6内；同时，所述相机6的成像平面被划分为多个子平面，且自平面的个数成像结构件中所包含的镜头组件4的个数相同，其中，各子平面用于获取光学信号在同一时刻不同观测角度方向下的二维投影。

例如，如图1所示，本实施例采用具有四个输入端和一个输出端的光纤5传递通过镜头13的光学信号，具体的，将光纤5的四个输入端分别固定到四个镜头13成像侧，将光纤5的输出端固定到相机6前，由此减少相机6的使用，节约实验成本。

相机6固定在光纤5的输出端，采用CMOS或者CCD高速相机6记录标定板9和研究对象在不同角度的投影，将光纤5传递的光学信号转化为电信号。

在三维跨界面测量系统全部固定完成后，首先对各镜头组件4的信号采集角度以及成像质量进行标定，具体可以根据光纤5输出端的实际情况调整镜头13的光圈大小和焦距，使镜头13焦平面聚焦到标定板9上；然后旋转光纤5的输入端，直到在输出端观察到一个水平清晰的图像为止；随后调整镜头组件4的三维位移云台11和三维角度云台12，使标定板9的中心位于图像的中心；最后，调整相机镜头，使相机镜头聚焦到光纤5的输出端，保证相机6能够获得清晰的图像。

所有试验装置调整完毕后，对标定板9在有无透明材料两种情况下进行图像采集，之后取下标定板9，使用燃烧器1产生想要的火焰并采集图像。使用计算机将相机6采集到的标定板9内网格的投影与标定板9网格真实数据参数做对比，从而可以确定镜头13相对于标定板9基准点的准确参数，如距离、方位角、俯仰角等。处理模块获得具体信息后即可使用计算机对燃烧器1生成的火焰进行重构计算。

进一步地，如图3所示，各相机6对应的设定投影关系的获取方法为：将各相机6分别被简化为一个包含若干大小相同的像素块阵列的成像平面与一个凸透镜组成的成像系统后，再执行以下步骤：

S1：将透明缸套7所围空间离散为两个以上的体素层，其中，各体素层与透明缸套7所围空间的子午面平行，且各体素层均被划分为多个大小相同的体素块；

S2：利用逆向光线追踪法获取成像平面上各像素中心点在各体素层上的对应点坐标；

S3：分别将各体素层作为当前体素层执行正向投影操作，得到各体素层上各点在成像平面上的投影点坐标，其中，所述正向投影操作为：

S31：分别将当前体素层上的各点作为测试点，并从各像素中心点构成的所有可能的像素四边形中选出一个作为投影四边形，使得投影四边形的四个顶点在当前体素层上的对应点坐标构成的逆向投影四边形能够包围测试点，且投影四边形中任意两个顶点之间的间距总合最小；

例如，如图3所示，选取了四个像素中心点G′、H′、I′、J′，用逆向光线追踪法，计算得到它们在目标坐标系中的对应点分别为G、H、I、J。将这种方法应用于所有的像素中心点，即可生成从相机坐标到当前体素层坐标的映射关系。

此外，石英缸套所围空间离散为多个X-Z平面，每个平面被离散成若干个大小相同的方形体素块。由于折射，体素中心点的在相机平面上的投影点一般不是像素中心点，因此无法直接通过所有像素中心点在体素空间内的逆向投影来确定体素中心在像素平面的正向投影点位置。因此，本发明中在相机平面中建立了一个由临近像素中心点组合而成的最小像素四边形，采用步骤S2中生成的相机坐标到标定板坐标的映射关系，可以找到最小像素四边形在当前体素层上的逆向投影对应点坐标，而这些对应点坐标同样构成了一个四边形。

S32：获取所述投影四边形在当前体素层上对应的逆向投影四边形，并基于投影四边形与逆向投影四边形之间的投影相似性，进行线性拟合得到测试点在成像平面上的投影点坐标。

再次参见图3，采用步骤S2得到的投影关系，对于相机平面的任意像素中心点(如G′、H′、I′、J′)都能找到在当前体素层上的对应点位置(G、H、I、J)。通过扫描所有像素点的组合四边形在当前体素层上的对应四边形，可以确定一个四边形GHIJ将点Q包围，四边形在相机平面的投影为G′H′I′J′。根据投影相似性，点Q到四边形GHIJ四条边的距离与投影点Q′到四边形G′H′I′J′四条边的距离应该满足以下关系：

其中，l₁、l₂、l₃、l₄分别是测试点Q到四边形GHIJ四条边IH,HG,GJ,JI的距离，l′₁、l′₂、l′₃、l′₄分别是投影点Q′到四边形G′H′I′J′四条边I′H′,H′G′,G′J′,J′I′的距离；最后，根据所述比例关系得到测试点Q在CCD平面上的投影点坐标；也就是说，本发明通过这个线性插值过程可以确定投影点Q′的位置，建立了从体素中心Q到其投影Q′的正向光线追踪关系。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种三维跨界面测量系统，其特征在于，包括信号发生器(1)、圆形轨道(3)、透明缸套(7)、支架(8)以及两个以上的成像结构件，其中，所述成像结构件包括相机(6)与多个镜头组件(4)；

所述透明缸套(7)放置于圆形轨道(3)内，且两者共轴；所述信号发生器(1)位于透明缸套(7)的内部，同时所述支架(8)用于托起透明缸套(7)，使得信号发生器(1)的信号出射口与透明缸套(7)的下表面平齐；

各镜头组件(4)布置于圆形轨道(3)上，用于从不同角度方向上接收信号发生器(1)发出的、且经过透明缸套(7)折射的光学信号；各相机(6)按照各自对应的设定投影关系，获取由同属一个成像结构件的各镜头组件(4)传输过来的光学信号在不同观测角度方向的二维投影，实现三维跨界面测量，其中，所述设定投影关系由透明缸套(7)所围空间中各点在相机(6)的成像平面上的投影位置构成；

同时，将各相机(6)分别简化为一个包含若干大小相同的像素块阵列的成像平面与一个凸透镜组成的成像系统，则各相机(6)对应的设定投影关系的获取方法为：

S1：将透明缸套(7)所围空间离散为两个以上的体素层，其中，各体素层与透明缸套(7)所围空间的子午面平行，且各体素层均被划分为多个大小相同的体素块；

S2：利用逆向光线追踪法获取成像平面上各像素中心点在各体素层上的对应点坐标；

S3：分别将各体素层作为当前体素层执行正向投影操作，得到各体素层上各点在成像平面上的投影点坐标，其中，所述正向投影操作为：

S31：分别将当前体素层上的各点作为测试点，并从各像素中心点构成的所有可能的像素四边形中选出一个作为投影四边形，使得投影四边形的四个顶点在当前体素层上的对应点坐标构成的逆向投影四边形能够包围测试点，且投影四边形中任意两个顶点之间的间距总合最小；

S32：获取所述投影四边形在当前体素层上对应的逆向投影四边形，并基于投影四边形与逆向投影四边形之间的投影相似性，进行线性拟合得到测试点在成像平面上的投影点坐标。

2.如权利要求1所述的一种三维跨界面测量系统，其特征在于，所述信号发生器(1)为燃烧器，且所述光学信号为燃烧器喷射出的火焰信号，所述透明缸套(7)的尺寸参数与工业柴油内燃机气缸的尺寸参数相同。

3.如权利要求2所述的一种三维跨界面测量系统，其特征在于，还包括燃料控制系统(2)；

所述燃烧器的燃料进口通过一根至少一米长的管道与燃料控制系统(2)连接；所述燃料控制系统(2)用于改变预混燃料的组分、不同组分之间的比例以及燃料流量的大小，以此获取不同形状、不同湍流度的火焰信号。

4.如权利要求1所述的一种三维跨界面测量系统，其特征在于，还包括标定板(9)；

所述标定板(9)竖直放置于透明缸套(7)内部，并与透明缸套(7)的子午面重合；同时，所述标定板(9)还位于信号发生器(1)的正上方，且信号发生器(1)的信号出射口中轴线位于标定板(9)的所在平面上；

所述标定板(9)用于确定各镜头组件(4)相对于信号发生器(1)的信号出射口的角度是否为期望角度。

5.如权利要求1所述的一种三维跨界面测量系统，其特征在于，还包括十字滑轨；

所述信号发生器(1)的底部与十字滑轨形成滑动配合，同时，所述十字滑轨用于调节信号发生器(1)所发出的光学信号在透明缸套(7)所围空间中的位置。

6.如权利要求1所述的一种三维跨界面测量系统，其特征在于，所述圆形轨道(3)上设置有用于初步调节各镜头组件(4)相对于信号发生器(1)的位置的角度刻度。

7.如权利要求1所述的一种三维跨界面测量系统，其特征在于，所述镜头组件(4)包括可移动平台(10)、三维位移云台(11)、三维角度云台(12)以及镜头(13)；

所述三维位移云台(11)、三维角度云台(12)以及镜头(13)从下至上依次叠加安装于可移动平台(10)上后，再通过可移动平台(10)按照预选角度固定在圆形轨道(3)上；其中，所述三维位移云台(11)用于调整镜头(13)沿X-Y-Z三个坐标轴上的位移，三维角度云台(12)用于调整镜头(13)与X-Y-Z三个坐标轴所成角度，镜头(13)用于接收信号发生器(1)发出的、且经过透明缸套(7)折射的光学信号。

8.如权利要求1所述的一种三维跨界面测量系统，其特征在于，各镜头组件(4)通过光纤(5)将自身接收到的光学信号传输给同属一个成像结构件的相机(6)，其中，所述光纤(5)的输出端固定在相机(6)前，输入端的个数与成像结构件中所包含的镜头组件(4)的个数相同，且每个输入端分别固定在一个镜头组件(4)的成像侧；

所述相机(6)的成像平面被划分为多个子平面，且自平面的个数成像结构件中所包含的镜头组件(4)的个数相同，其中，各子平面用于获取光学信号在同一时刻不同观测角度方向下的二维投影。

9.如权利要求1所述的一种三维跨界面测量系统，其特征在于，还包括处理模块，其中，所述处理模块用于根据各相机(6)得到二维投影对光学信号进行三维重构。

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