CN114754891B - 一种燃烧流场光学温度场测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃烧流场光学温度场测量装置及测量方法，涉及燃烧流场温度测量技术领域，装置包括：窄带脉冲激光器、匀光棒、扩束镜、空间光调制器、准直投影系统、反射镜、屏幕、成像系统和计算机；装置采用结构平行光投影方式代替传统固定的随机点阵图，可根据互相关窗口大小和测量区域需要对点阵密度进行实时调整，提高温度测量精度；采用非相干窄带脉冲激光光源和对应波长的滤光片，可以抑制火焰强自发光干扰，解决粒子图像信噪比低、无法有效提取相对位移的难题。

Description

一种燃烧流场光学温度场测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及燃烧流场温度测量技术领域，具体地，涉及一种燃烧流场光学温度场测量装置及测量方法。

背景技术

火焰燃烧是一种化学反应、流动与传热相互作用的多物理场耦合过程，该过程涉及温度、速度、组分浓度等关键参数的变化。温度作为反映燃烧状态的核心参数，对于燃烧预判、诊断、控制有着十分重要的意义。利用先进的光学诊断技术对燃烧场温度进行二维表征，不仅可以揭示燃烧反应机理，同时可为CFD（计算流体动力学）数值仿真提供校验数据。现有燃烧场非接触温度测量主要利用高温火焰的光谱辐射特性和热力学性质反演温度参数，具体包括红外辐射测温技术、相干反斯托克斯拉曼散射技术、可调谐二极管激光吸收光谱技术等。上述技术克服了传统热电偶在温度上限、使用寿命、分布表征方面的局限性，在发动机、燃机等高温燃烧场温度测量中得到广泛应用。

背景纹影技术（BOS）作为一种非接触光学测量方法，将流场速度测量的粒子图像测速技术（PIV）与传统纹影技术相结合。其利用光线通过流场后的偏折来反应流场内部折射率的变化，并通过带入理想气体状态方程最终解算得到温度场。该技术无需使用传统光谱与纹影测量系统中的大量光学仪器，如激光器、光谱仪、大口径光阑和透镜等设备，不仅降低系统的复杂性，而且消除了透镜或片光对测量场范围的限制。但是，针对受限空间强背景辐射燃烧流场的温度测量现有BOS技术尚存在以下问题：1）火焰自发光对背景斑点的提取影响较大；2）随机点阵图像分辨率固定，无法根据测量需求进行实时修正；3）点阵图像的图像信噪比受照明光源的影响，在高频采样下无法有效获取偏移量。

发明内容

为了克服上述BOS技术的相关问题，本发明提供了一种燃烧流场光学温度场测量装置。

其中，燃烧流场光学温度场测量装置包括窄带脉冲激光器、匀光棒、扩束镜、空间光调制器、准直投影系统、反射镜、屏幕、窄带滤光片、镜头、高速相机和计算机。工作原理为：窄带脉冲激光器发出单色激光，单色激光经匀光棒整形为平顶光，平顶光经扩束镜放大投射至空间光调制器上，空间光调制器通过加载随机点阵图将扩束激光调制为平行结构光，平行结构光经投影准直系统进一步实现扩束准直，然后经反射镜反射后通过燃烧流场并投影至屏幕上，高速相机与镜头、滤光片作为成像系统采集屏幕上单色激光所呈图像，最终经数据传输与计算机实现瞬态火焰温度场的可视化表征。其中，屏幕与反射镜之间为火焰区域，即温度场测量区域。

进一步地，成像系统包括：高速相机、镜头和滤光片，镜头安装在高速相机上，滤光片安装在镜头上。

进一步地，空间光调制器可以为DMD空间光调制器。

进一步地，滤光片的带通波长在窄带脉冲激光器的波长范围以内，这样设计的目的使得滤光片有效隔绝火焰自发光的干扰，只提取激光波长内的图像信号。

进一步地，计算机主要用于视频采集、视频裁剪、视频提取帧、点阵提取、背景扣除、图像增强、互相关粒子偏移量计算、折射率积分计算、密度与温度场反演等。视频采集主要用于高速相机采集燃烧流场前后的视频文件；视频裁剪用于提取采集图像中的有效区域；视频提取帧将视频文件转化为逐帧图像文件；点阵提取利用膨胀腐蚀等算法提取点阵边界；背景扣除用于扣除边界外阴影产生的明暗背景；图像增强利用灰度二值化等方式提高点阵图信噪比；互相关粒子偏移量计算利用互相关算法对流场通过前后的图像进行计算，得到相对位移；折射率计算利用位移量和几何光路计算偏折角，再通过Abel逆变换得到三维折射率分布；密度与温度场反演利用格拉斯通-戴尔公式和折射率分布，解算得到温度场和密度场。

进一步地，DMD空间光调制器加载的随机点阵图，可根据互相关窗口大小和测量反馈数据进行实时改变。

进一步地，窄带脉冲激光器的激光光强可根据成像系统采集图像信噪比调整，激光也可采用非相干激光降低衍射效应。对于瞬态测量需求，窄带脉冲激光器可采用高功率脉冲激光器。

进一步地，所述计算机具体采用以下方式实现燃烧流场的瞬态火焰温度场的可视化表征：

计算机选取成像系统采集的图像信息中的有效区域获得有效区域视频，将有效区域视频按照时间序列转化为逐帧图片，获得序列图像；

提取序列图像中随机点阵的边缘信息，基于所述边缘信息去除随机点阵以外的背景部分获得第一点阵图像序列；

对第一点阵图像序列进行图像增强处理获得第二点阵图像序列；

基于无燃烧流场时的初始图像和第二点阵图像序列，利用互相关算法计算获得靶面成像偏移量；

基于靶面成像偏移量计算获得轴对称燃烧流场偏折角；

基于轴对称燃烧流场偏折角计算获得折射率；

基于折射率，利用格拉斯通-戴尔公式和理想气体方程分别计算得到燃烧流场的温度场和密度场。

进一步地，轴对称燃烧流场偏折角的计算方式为：

其中，

为轴对称燃烧流场偏折角，

为靶面成像偏移量，

为无燃烧流场时的初始图像与有燃烧流场时的序列图像的真实偏移量，

为镜头到高速相机靶面的距离，

为镜头焦距，

为燃烧流场与屏幕间的距离。

进一步地，采用以下方式计算得到折射率：

其中，

为某个横截面上的折射率的径向分布函数，

为光线至燃烧流场中心位置的最小距离，

为燃烧流场最大半径，

为对应

位置光线的偏折角，

为燃烧流场的半径。

进一步地，燃烧流场的温度场和密度场的计算方式分别为：

；

；

其中，

为燃烧流场的密度，

为燃烧流场的折射率，

为比折射度，

为燃烧流场的温度，

为室温下的空气折射率，

为室温温度。

为实现上述发明目的，本发明还提供了一种燃烧流场光学温度场测量方法，所述方法包括以下步骤：

开启窄带脉冲激光器，调整窄带脉冲激光器调节架高度，令激光依次通过匀光棒和扩束镜，均匀辐照在DMD空间光调制器靶面上，该过程严格保证光路共轴；

利用计算机在DMD空间光调制器靶面加载随机点阵图像，激光经靶面调制后，通过准直投影系统形成平行结构光；

平行结构光入射至反射镜中心，通过调节反射镜角度，令平行结构光通过燃烧流场，并投影至屏幕上，屏幕与平行结构光光轴呈垂直角度；

在屏幕后选取合适位置，放置图像采集系统，摆放顺序依次为高速相机、镜头、滤光片，三者通过卡接的方式连接；通过调整镜头焦距，将点阵图案清晰成像至高速相机上；

高速相机工作时对屏幕上的点阵图案进行采集，形成视频文件，利用传输线传输至后处理计算机；

后处理计算机对采集到的视频文件，依次进行对比点阵图修正、画面裁剪、视频导出帧、点阵提取、背景扣除、图像增强、互相关粒子偏移量计算、折射率积分计算、密度与温度场反演等操作，最终实现燃烧温度场的可视化表征。

与现有BOS技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供了一种基于结构光投影式背景纹影技术的燃烧流场光学温度场测量装置，该装置采用结构平行光投影方式代替传统固定的随机点阵图，可根据互相关窗口大小和测量区域需要对点阵密度进行实时调整，提高温度测量精度；采用非相干窄带脉冲激光光源和对应波长的滤光片，可以抑制火焰强自发光干扰，解决粒子图像信噪比低、无法有效提取背景斑点相对位移的难题。本发明能够计算得出随机点阵的真实偏移量和在高速相机靶面成像偏移量。本发明可实现kHz级采样帧频的瞬态燃烧过程实时表征，有望应用于标准燃烧器、发动机燃烧室等受限空间条件下的燃烧流场测量，为基础科学研究和工程台架试验提供技术支持。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1为燃烧流场光学温度场测量装置的结构示意图

图2为本发明测量原理示意图；

图3为本发明后处理流程图；

其中，1-窄带脉冲激光器，2-匀光棒，3-扩束系统，4-DMD空间光调制器，5-投影准直系统，6-反射镜，7-屏幕，8-高速相机，9-镜头，10-窄带滤光片，11-计算机，12-待测燃烧流场，13-本生灯火焰。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例一

请参考图1，图1为燃烧流场光学温度场测量装置的结构示意图，本装置包括：

窄带脉冲激光器1、匀光棒2、扩束系统3、DMD空间光调制器4、投影准直系统5、反射镜6、屏幕7、高速相机8、镜头9、窄带滤光片10和计算机11，待测燃烧流场12位于反射镜6与屏幕7之间。窄带脉冲激光器1用于产生非相干单波长高斯激光，匀光棒2用于将高斯激光整形为平顶激光，扩束系统3用于改变激光光束直径和发散角，DMD空间光调制器4用于对平行光进行振幅调制形成结构光，投影准直系统5用于把结构光进一步扩束准直，反射镜6用于改变结构光投射方向，屏幕7用于接收结构光投影图像，高速相机8和镜头9用于实现投影图像采集，窄带滤光片10用于滤除大部分自发光提取固定波长信号，计算机11用于图像采集存储、后处理、相机控制、DMD控制等功能。

图2为本发明的测量原理示意图。其中，13为本生灯火焰，平行光入射燃烧流场后，由于流场折射率分布不均匀，光线发生

角度弯折。通过粒子图像测速技术的互相关算法和几何光学关系可以计算得出随机点阵的真实偏移量

和在高速相机靶面成像偏移量

，其和偏折角

的关系可以表示为：

其中，

为燃烧流场与屏幕间的距离，

为镜头焦距，

为镜头到高速相机靶面的距离。

本实例具体实施，燃烧流场光学温度场测量包括但不限于以下步骤：在测量开始前，将待测燃烧流场（如本生灯）12放置在基于结构光投影式背景纹影系统反射镜6与屏幕7之间。

开启窄带脉冲激光器1，令532nm激光依次通过匀光棒2和扩束系统3，均匀辐照在DMD空间光调制器4靶面上，该过程严格保证光路共轴；

利用计算机11控制DMD空间光调制器4，入射激光经DMD空间光调制器4反射后实现调制。调制激光经投影准直系统5形成平行结构光；

平行结构光入射至反射镜6中心，通过调节反射镜6角度，令平行结构光通过待测燃烧流场12，并投影至屏幕7上，屏幕7与平行结构光光轴呈垂直角度；

在屏幕7后选取合适位置，放置图像采集系统，摆放顺序依次为高速相机8、镜头9、窄带滤光片10，三者通过卡接的方式连接；通过调整镜头焦距，将点阵图案清晰成像至高速相机上；

高速相机工作时对屏幕上的点阵图案进行采集，形成视频文件，利用传输线传输至计算机11；

计算机11对采集到的视频文件，依次进行对比点阵图修正、画面裁剪、视频导出帧、点阵提取、背景扣除、图像增强、互相关粒子偏移量计算、折射率积分计算、密度与温度场反演等操作，最终实现燃烧温度场的可视化表征。

图3为后处理流程图，结合测量原理其具体步骤为：

将高速相机8采集到的视频图像导入到计算机11中，利用成熟视频软件（如Matlab软件）选取图像中有效区域，并按照时间序列转化为逐帧图片；

利用膨胀腐蚀算法、Sobel算子等方式提取序列图像中点阵的边缘信息，以此为基础扣除掉点阵以外背景部分；

对提取点阵进行二值化处理进一步提高图像信噪比，无燃烧流场时的初始图像为A，有燃烧流场时的序列图像为Bi，利用互相关算法将A与Bi进行计算，得到靶面成像偏移量

；

根据图2测量原理，可以计算得出随机点阵的真实偏移量

和在高速相机靶面成像偏移量

，其和偏折角

的关系可以表示为：

为燃烧流场与屏幕间的距离，

为镜头焦距，

为镜头到高速相机靶面的距离。

针对轴对称燃烧流场偏折角

与折射率

之间的关系可利用Abel逆变得到为：

其中，

为某个横截面上的折射率的径向分布函数，

为光线至燃烧场中心位置的最小距离，

为燃烧流场最大半径，

为对应

位置光线的偏折角。

利用格拉斯通-戴尔公式

和理想气体方程（定压条件），可以解算得到温度场

和密度场

。

；

；

其中，

为燃烧流场的密度，

为燃烧流场的折射率，

为比折射度，

为燃烧流场的温度，

为室温下的空气折射率，

为室温温度。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种燃烧流场光学温度场测量装置，其特征在于，所述装置包括：

窄带脉冲激光器、匀光棒、扩束镜、空间光调制器、准直投影系统、反射镜、屏幕、成像系统和计算机；其中，窄带脉冲激光器用于发出单色激光，单色激光经匀光棒整形为平顶光，平顶光经扩束镜放大获得扩束激光，并将扩束激光投射至空间光调制器，空间光调制器通过加载随机点阵图将扩束激光调制为平行结构光，平行结构光经投影准直系统扩束准直后传输至反射镜，经反射镜反射后通过燃烧流场并投影至屏幕，成像系统采集屏幕上所呈图像，并将采集的图像信息传输至计算机进行处理，所述计算机用于实现燃烧流场的瞬态火焰温度场的可视化表征；

所述计算机具体采用以下方式实现燃烧流场的瞬态火焰温度场的可视化表征：

计算机选取成像系统采集的图像信息中的有效区域获得有效区域视频，将有效区域视频按照时间序列转化为逐帧图片，获得序列图像；

提取序列图像中随机点阵的边缘信息，基于所述边缘信息去除随机点阵以外的背景部分获得第一点阵图像序列；

对第一点阵图像序列进行图像增强处理获得第二点阵图像序列；

基于无燃烧流场时的初始图像和第二点阵图像序列，利用互相关算法计算获得靶面成像偏移量；

基于靶面成像偏移量计算获得轴对称燃烧流场偏折角；

基于轴对称燃烧流场偏折角计算获得折射率；

基于折射率，利用格拉斯通-戴尔公式和理想气体方程分别计算得到燃烧流场的温度场和密度场；

轴对称燃烧流场偏折角的计算方式为：

其中，

为轴对称燃烧流场偏折角，

为靶面成像偏移量，

为无燃烧流场时的初始图像与有燃烧流场时的序列图像的真实偏移量，

为镜头到高速相机靶面的距离，

为镜头焦距，

为燃烧流场与屏幕间的距离；

采用以下方式计算得到折射率：

其中，

为某个横截面上的折射率的径向分布函数，

为光线至燃烧流场中心位置的最小距离，

为燃烧流场最大半径，

为对应

位置光线的偏折角，

为燃烧流场的半径；

燃烧流场的温度场和密度场的计算方式分别为：

；

；

其中，

为燃烧流场的密度，

为燃烧流场的折射率，

为比折射度，

为燃烧流场的温度，

为室温下的空气折射率，

为室温温度。

2.根据权利要求1所述的一种燃烧流场光学温度场测量装置，其特征在于，成像系统包括：高速相机、镜头和滤光片，镜头安装在高速相机上，滤光片安装在镜头上。

3.根据权利要求2所述的一种燃烧流场光学温度场测量装置，其特征在于，滤光片的带通波长在窄带脉冲激光器的波长范围以内。

4.根据权利要求1所述的一种燃烧流场光学温度场测量装置，其特征在于，计算机在获得有效区域视频之前还用于对成像系统采集的图像信息依次进行对比点阵图修正。

5.根据权利要求1所述的一种燃烧流场光学温度场测量装置，其特征在于，窄带脉冲激光器的激光光强能够根据成像系统采集图像的信噪比进行调整。

6.一种基于权利要求1-5中任意一个所述燃烧流场光学温度场测量装置的燃烧流场光学温度场测量方法，其特征在于，所述方法包括：

开启窄带脉冲激光器，调整窄带脉冲激光器调节架高度，使激光依次通过匀光棒和扩束镜，均匀辐照在空间光调制器靶面上；

利用计算机在空间光调制器靶面加载随机点阵图像，激光经靶面调制后，通过准直投影系统形成平行结构光；

平行结构光入射至反射镜中心，通过调节反射镜角度，使平行结构光通过燃烧流场，并投影至屏幕上，屏幕与平行结构光光轴呈垂直角度；

在屏幕后放置图像采集系统，通过调整镜头焦距，将点阵图案成像至高速相机上；

高速相机工作时对屏幕上的点阵图案进行采集形成视频文件，将视频文件传输至计算机；

计算机对采集到的视频文件进行处理实现燃烧温度场的可视化表征。

Images