CN115290521A - 用于检测震荡火焰的物理性质的实验系统及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种用于检测震荡火焰的物理性质的实验系统，包括：发光部，被配置为发射光束；成像装置，被配置为获取光束的光信息；火焰生成装置，设置在发光部和成像装置之间，被配置为生成震荡火焰，光束经过震荡火焰吸收后被成像装置接收；控制部，与发光部和成像装置连接，被配置为控制成像装置和发光部打开或关闭，其中，控制部控制发光部的第一控制信号和控制成像装置的第二控制信号的频率均大于震荡火焰的震荡频率；以及处理部，与成像装置连接，被配置为基于成像装置多次获取的光信息获得震荡火焰的物理性质。
Description
技术领域
本公开涉及火焰物理性质的检测技术领域，尤其涉及一种用于检测非稳态周期震荡火焰的碳烟颗粒物体积分数二维场和温度二维场的实验系统及检测方法。
背景技术
碳烟是由于碳氢化石燃料不完全燃烧产生的固体颗粒物。碳烟颗粒是大气气溶胶的重要组成部分，大气中碳烟颗粒能通过直接辐射力和二次效应产生显著的温室效应。大气中碳烟颗粒的时空分布特征及散射特性会影响无线通信质量，是准确探测和定量化遥感必须克服的障碍。碳烟还能够与大气中的NO2、SO2和O3等发生反应，从而造成空气污染并能引起雾霾等灾害性气象。
此外，在燃烧室中碳烟的生成也会导致燃烧效率降低，燃烧损失和辐射热损失增加，影响动力装置和工业设备的性能和寿命。并且在燃烧过程中产生的碳烟颗粒大部分是当量直径小于2.5μm的细颗粒物，可直接被人吸入呼吸道并粘附，严重影响人的心血管健康和肺部健康。
因此，发展碳烟诊断技术，准确测出碳烟颗粒温度场和浓度分布对于燃烧过程中碳烟生成机理和抑制理论的研究非常重要。
发明内容
为至少部分地克服上述提及的至少一种或者其它发明的技术缺陷，本公开的至少一种实施例提供一种用于检测震荡火焰的物理性质的实验系统及检测方法，通过控制部控制发光部和火焰生成装置的开关状态，获取不同的光信息，实现检测震荡火焰的物理性质的目的。
有鉴于此，本公开实施例提供了一种用于检测震荡火焰的物理性质的实验系统及检测方法。
根据本公开实施例，一种用于检测震荡火焰的物理性质的实验系统，包括：发光部，被配置为发射光束；成像装置，被配置为获取所述光束的光信息；火焰生成装置，设置在所述发光部和所述成像装置之间，被配置为生成震荡火焰，所述光束经过所述震荡火焰吸收后被所述成像装置接收；控制部，与所述发光部和所述成像装置连接，被配置为控制所述成像装置和所述发光部打开或关闭，其中，所述控制部控制所述发光部的第一控制信号和控制所述成像装置的第二控制信号的频率均大于所述震荡火焰的震荡频率；以及处理部，与所述成像装置连接，被配置为基于所述成像装置多次获取的所述光信息获得所述震荡火焰的物理性质。
根据本公开实施例，所述物理性质包括：震荡火焰中碳烟颗粒物的体积分数二维场和温度二维场中的至少一个。
根据本公开实施例，所述成像装置获取的光信息包括：所述震荡火焰的光信息、所述发光部发射的光束的光信息、所述发光部发射的光束被所述震荡火焰吸收后的光信息和无震荡火焰并且无发光部发射的光束的光信息中的至少一个。
根据本公开实施例，还包括：第一传输部，所述第一传输部包括：玻璃片，包括主体部，所述主体部至少一面上包括凹凸不平的纹理，所述玻璃片设置在所述发光部和所述火焰生成装置之间，被配置为使所述发光部发射的光束均匀化；以及曲面透镜，设置在所述玻璃片和所述火焰生成装置之间，被配置为使所述均匀化后的光束以与所述发光部的发射方向平行的方向射出。
根据本公开实施例，所述玻璃片与所述曲面透镜的距离为所述曲面透镜的焦距。
根据本公开实施例，还包括：第二传输部，所述第二传输部包括：平凸透镜，设置在所述火焰生成装置和所述处理部之间，被配置为使得所述被震荡火焰吸收后光束收缩；以及滤波片，设置在所述平凸透镜和所述处理部之间，被配置对所述收缩后的光束滤波。
根据本公开实施例，所述平凸透镜与所述滤波片的距离为所述平凸透镜的焦距。
根据本公开实施例，所述成像装置为棱镜相机，所述棱镜相机红光和绿光的曝光时间分别为35～45s和60～70s。
根据本公开实施例，一种利用上述的实验系统检测震荡火焰的物理性质的检测方法，包括：设置第一控制信号和第二控制信号的频率大于震荡火焰的震荡频率；控制发光部打开并且火焰生成装置关闭，使得所述发光部发射第一光束；控制成像装置获取所述第一光束的第一光信息；控制所述发光部关闭并且所述火焰生成装置关闭；控制所述成像装置获取第二光信息；控制所述发光部关闭并且所述火焰生成装置打开；控制所述成像装置获取第三光信息；控制所述发光部打开并且所述火焰生成装置打开；控制所述成像装置获取第四光信息；以及基于所述第一光信息、第二光信息、第三光信息及第四光信息计算得到震荡火焰中碳烟颗粒物的体积分数二维场和温度二维场。
根据本公开实施例，在所述基于所述第一光信息、第二光信息、第三光信息及第四光信息计算得到震荡火焰中碳烟颗粒物的体积分数二维场和温度二维场之前还包括：将所述第一光信息、第二光信息、第三光信息及第四光信息分别处理得到对应的第一光强信号、第二光强信号、第三光强信号及第四光强信号。
根据本公开实施例，通过设置发光部发射光束，火焰生成装置生成震荡火焰，再通过设置控制部控制发光部和成像装置的打开或关闭，成像装置可以多次获取光信息，处理部可以基于成像装置多次获取的光信息得到震荡火焰的物理性质。
附图说明
图1是根据本公开示意性实施例的用于检测震荡火焰的物理性质的实验系统的原理性示意图；
图2是根据本公开示意性实施例的火焰生成装置的俯视图；
图3是根据本公开示意性实施例的控制部控制的第一控制信号和第二控制信号的工作时序图；
图4是根据本公开示意性实施例的实验系统检测震荡火焰的物理性质的检测方法的原理图；以及
图5是根据本公开示意性实施例的实验系统检测震荡火焰的物理性质的检测方法的流程图。
附图标记说明
1：发光部；
2：成像装置；
3：火焰生成装置；
311：环形外壳；
312：燃烧器筒；
313：旋转叶片；
4：控制部；
5：处理部；
6：第一传输部；
61：玻璃片；
62：曲面透镜；
7：第二传输部；
71：平凸透镜；
72：滤波片；
8：光源控制部。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。但是，本公开能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本公开的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大，自始至终相同附图标记表示相同元件。
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
为便于本领域技术人员理解本公开技术方案，现对如下技术术语进行解释说明。
在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。
图1是根据本公开示意性实施例的用于检测震荡火焰的物理性质的实验系统的原理性示意图；图2是根据本公开示意性实施例的火焰生成装置3的俯视图。
如图1，本公开的实施例提供了一种用于检测震荡火焰的物理性质的实验系统包括：发光部1、成像装置2、火焰生成装置3、控制部4和处理部5。
具体地，发光部1被配置为发射光束。成像装置2被配置为获取光束的光信息。火焰生成装置3设置在发光部1和成像装置2之间，被配置为生成震荡火焰，光束经过震荡火焰吸收后被成像装置2接收。控制部4与发光部1和成像装置2连接，被配置为控制成像装置2和发光部1打开或关闭。控制部4控制发光部1的第一控制信号和控制成像装置2的第二控制信号的频率均大于震荡火焰的震荡频率。处理部5与成像装置2连接，被配置为基于成像装置2多次获取的光信息获得震荡火焰的物理性质。
详细地，发光部1可以用于发射光束。发光部1可以是LED点光源，也可以是其它可以发射光束的元件，例如LED射灯、LED光纤灯等。
在一些实施例中，成像装置2可以用于获取光束信息。成像装置2可以是照相装置，例如，线阵相机。照相装置还可以选用棱镜相机。成像装置2获取的光信息可以是发光部1发射的光束的光信息，也可以是发光部1发射的光束经过震荡火焰吸收后的光信息，可以通过控制发光部1打开或者关闭和火焰生成装置3生成或者不生成震荡火焰来控制成像装置2获取的光信息。
在一些实施例中，火焰生成装置3可以用于生成震荡火焰。火焰生成装置3可以包括燃烧装置、点火装置和燃气与空气的气路。燃烧装置可以用于提供非稳态周期震荡火焰的燃烧温度场和碳烟浓度场。燃气可以选用乙烯燃气。燃烧装置可以选用非稳态震荡式火焰燃烧装置，非稳态震荡式火焰燃烧装置可以选用高频震荡燃烧器，例如，震荡频率为270Hz的震荡燃烧器。如图2所示，震荡燃烧器可以包括：环形外壳311、燃烧器筒312和多个旋转叶片313。燃烧器筒312可以设置在环形外壳311的中心位置，燃烧器筒312外周和环形外壳311之间可以均匀设置多个旋转叶片313，在每个旋转叶片313的两面可以分别设置与旋转叶片313连接的振荡翅，在有流体作用的情况下，振荡翅可以发生振动，从而产生高频周期震荡火焰。震荡火焰的中心可以设置在发光部1发射光束方向的延长线上，以便震荡火焰中的碳烟颗粒物更好的吸收发光部1发射的光束。震荡火焰中的碳烟颗粒物对发光部1发射的光束吸收后，光束携带着震荡火焰的光信息被成像装置2接收。
在一些实施例中，控制部4可以用于控制成像装置2和发光部1打开或关闭。控制部4可以选用数字延时脉冲发生器，进一步地，可以选用DG535数字延时脉冲发生器控制发光部1和成像装置2打开或关闭。DG535数字延时脉冲发生器，可以提供四路独立的延时通道和2路完整的脉冲输出。延时分辨率高达5ps，通道之间的抖动小于50ps。具有高精度、低抖动、宽的延时范围，外部触发频率可调范围大等优点。
控制部4可以控制成像装置2和发光部1同时打开或者同时关闭，控制部4也可以控制成像装置2和发光部1交替地打开。控制部4控制发光部1的控制信号可以为第一控制信号，控制部4控制成像装置2的控制信号可以为第二控制信号，第一控制信号和第二控制信号的频率均可以设置为大于震荡火焰的震荡频率。在设置第一控制信号和第二控制信号的频率均大于震荡火焰的震荡频率的情况下，成像装置2可以获取至少一个周期的震荡火焰吸收发光部1发射的光束后的光信息。可以实现在一个震荡火焰的震荡周期内控制发光部1和成像装置2的多次开闭，以得到震荡火焰同一震荡周期内有火焰有光源和有火焰无光源的光信息。在控制部4控制发光部1关闭的情况下，设置第二控制信号的频率大于震荡火焰的震荡频率，成像装置2可以获取至少一个周期的震荡火焰的光信息。
在一些实施例中，处理部5可以用于基于成像装置2多次获取的光信息获得震荡火焰的物理性质。可以通过多次控制发光部1打开或关闭和控制火焰生成装置3生成或不生成震荡火焰，发光部1发射或不发射光束的状态和火焰生成装置3生成或不生成震荡火焰的状态可以有多种组合方式，成像装置2可以对应的多次获取光信息。处理部5可以基于多次获取的光信息通过计算、分析、建模和检验等过程获得震荡火焰的物理性质。物理性质可以包括震荡火焰中碳烟颗粒物的体积分数二维场和温度二维场中的至少一个。
根据本公开的实施例，通过设置发光部1发射光束，火焰生成装置3生成震荡火焰，再通过设置控制部4控制发光部1和成像装置2的打开或关闭，成像装置2可以多次获取光信息，处理部5可以基于成像装置2多次获取的光信息得到震荡火焰的物理性质。
在一些实施例中，成像装置2获取的光信息包括：震荡火焰的光信息、发光部1发射的光束的光信息、发光部1发射的光束被震荡火焰吸收后的光信息和无震荡火焰并且无发光部1发射的光束的光信息中的至少一个。
具体地，成像装置2获取的光信息为震荡火焰的光信息的情况可以是：在控制部4控制发光部1关闭且火焰生成装置3生成震荡火焰的情况下，成像装置2获取的光信号不带有发光部1发射光束的光信号，成像装置2获取的光信号包括震荡火焰本身的光信号和外界干扰的光信号。
在一些实施例中，成像装置2获取的光信息为发光部1发射的光束的光信息的情况可以是：在控制部4控制发光部1打开且火焰生成装置3不生成震荡火焰的情况下，成像装置2获取的光信号不带有震荡火焰的光信号，成像装置2获取的光信号包括发光部1发射光束的光信号和外界干扰的光信号。
进一步地，成像装置2获取的光信息为发光部1发射的光束被震荡火焰吸收后的光信息的情况可以是：在控制部4控制发光部1打开且火焰生成装置3生成震荡火焰的情况下，成像装置2获取的光信号包括发光部1发射光束被震荡火焰吸收后的光信号、震荡火焰本身的光信号和外界干扰的光信号。
更进一步地，成像装置2获取的光信息为无震荡火焰并且无发光部1发射的光束的光信息的情况可以是：在控制部4控制发光部1关闭且火焰生成装置3不生成震荡火焰的情况下，成像装置2获取的光信号不带有发光部1发射光束的光信号和震荡火焰的光信号，成像装置2获取的光信号包括外界干扰的光信号。
在一些实施例中，还包括：第一传输部6。第一传输部6包括：玻璃片61和曲面透镜62。
具体地，玻璃片61包括主体部，主体部至少一面上包括凹凸不平的纹理，玻璃片61设置在发光部1和火焰生成装置3之间，被配置为使发光部1发射的光束均匀化。曲面透镜62设置在玻璃片61和火焰生成装置3之间，被配置为使均匀化后的光束以与发光部1的发射方向平行的方向射出。
详细地，玻璃片61的主体部上凹凸不平的纹理可以设置在靠近发光部1的一侧，也可以分别设置在主体部的两侧。玻璃片61可以选用毛玻璃片61。发光部1发射的光束经由玻璃片61时，可以通过主体部上凹凸不平的纹理将光束均匀化并使光束扩散发射。扩散后的光束可以通过曲面透镜62将光束整形为平行准直的光束，在火焰生成装置3生成震荡火焰的情况下，准直后的光束可以再通过整个火焰区域。曲面透镜62可以选用自由曲面透镜62。
在一些实施例中，还包括：第二传输部7。第二传输部7包括：平凸透镜71和滤波片72。具体地，平凸透镜71设置在火焰生成装置3和处理部5之间，被配置为使得被震荡火焰吸收后光束收缩。滤波片72设置在平凸透镜71和处理部5之间，被配置对收缩后的光束滤波。
详细地，在火焰生成装置3生成震荡火焰的情况下，平凸透镜71可以将通过震荡火焰后的光束收缩。收缩后的光束通过滤波片72后可以被成像装置2接收。在火焰生成装置3不生成震荡火焰的情况下，平凸透镜71可以将平行准直的光束收缩，收缩后的光束通过滤波片72后可以被成像装置2接收。滤波片72可以选用中性密度滤波片72。进一步地，发光部1、玻璃片61、曲面透镜62、平凸透镜71、滤波片72和成像装置2的中心可以设置为和震荡火焰中心处于同一高度，以便提高检测的准确性。本公开可以通过只采用上述的光路元件实现光路布设，成本较低。
在一些实施例中，玻璃片61与曲面透镜62的距离为曲面透镜62的焦距。
在一些实施例中，平凸透镜71与滤波片72的距离为平凸透镜71的焦距。具体地，玻璃片61与曲面透镜62的距离可以为曲面透镜62的焦距。曲面透镜62与平凸透镜71之间可以为平行光束，安装距离可根据需要进行调整；平凸透镜71与滤波片72的安装距离为可以为平凸透镜71焦距；安装距离也可以根据还需进行微调，调整原则保证成像装置2获取的光信息清楚，比如以成像装置2为棱镜相机为例，可以设置棱镜相机中的火焰成像位于发光部1发射光束的光圈中心处，以及确保成像清晰度。
采用毛玻璃片61与中性密度滤波片72的搭配使用，可使发光部1打出的光斑均匀，可以采用特制自由曲面透镜62，以使均匀光束有效的被整形为准直平行，使测量和操作更加简化和准确。在发光部1采用LED面光源的情况下，可以去掉毛玻璃片61和自由曲面透镜62，同样实现对于震荡火焰的物理性质检测。
在一些实施例中，成像装置2为棱镜相机，棱镜相机红光和绿光的曝光时间分别为35～45s和60～70s。具体地，成像装置2可以为棱镜相机。棱镜相机可以包括红光和绿光。红光和绿光的曝光时间可以分别为35～45s和60～70s。红光和绿光的曝光时间也可以分别为38～42s和64～68s。相机可以采用16bit记录存储。通过设置红光、绿光的曝光时间，可以在相机不过曝的前提下测得红光、绿光较好的信号强度，可以得到信噪比较高的双色比值，有利于提高温度测量的精度。实验系统还可以设置计算机设备，棱镜相机可以在计算机设备的控制下拍摄记录图片，然后计算机设备可以对拍摄得到的图片进行处理和数据计算。
如图1所示，上述实验系统还可以包括光源控制部8，控制部4可以通过控制光源控制部8控制发光部1打开或关闭。在发光部1是LED点光源的情况下，光源控制部8可以是LED光源控制器。控制部4可以通过发光部1和成像装置2的打开或关闭，使得发光部1和成像装置2在震荡火焰的一个火焰震荡周期内实现多次开闭，以使成像装置2可以在一个火焰震荡周期内获取有火焰无光源、有火焰有光源的光信息。处理部5基于成像装置2获取的光信息获得震荡火焰的物理性质。
图3是根据本公开示意性实施例的控制部控制的第一控制信号和第二控制信号的信号示意工作时序图；图4是根据本公开示意性实施例的实验系统检测震荡火焰的物理性质的检测方法的原理图。
例如，如图3和图4所示，以发光部1为LED点光源，成像装置2为棱镜相机，控制部4为DG535数字延时脉冲发生器，光源控制部8为LED光源控制器，通过DG535数字延时脉冲发生器的两个互相独立的通道同时分别控制LED光源控制器和棱镜相机的开闭，使LED点光源和棱镜相机在一个火焰震荡周期内实现多次开闭，分别在有火焰无光源、有火焰有光源、无火焰有光源、无火焰无光源状况下拍摄四组图片，基于这四组图片利用消光法结合双色法计算碳烟颗粒物体积分数的二维场，然后基于有火焰无光源图片利用双色法计算碳烟颗粒物温度，实现同时测量非稳态周期震荡火焰的碳烟颗粒物体积分数二维场和温度二维场。双色法可以是在两个波长下对震荡火焰进行拍摄，分别获得两波长下对应的光信息，进而对两光信息进行处理、计算和分析等步骤得到震荡火焰中碳烟颗粒物的温度二维场的方法。消光法可以是基于不被火焰吸收的光信息和被火焰吸收后的光信息的差异，通过处理、计算和分析而获得震荡火焰中碳烟颗粒物的体积分数二维场的方法。通过结合使用消光法和双色法，并搭配控制部4，使得实验系统的光路简单，耗费成本较低并且精度高。当震荡火焰中的碳烟颗粒处于热平衡的情况下，根据基尔霍夫定律可知发射系数与吸收系数相等，双色法中发射系数为消光法测量中测得的吸收系数，同时消光法中考虑背景光的影响，有利于实验精度的提高。
图5是根据本公开示意性实施例的实验系统检测震荡火焰的物理性质的检测方法的流程图。
如图5所示，本公开还提供了一种利用上述的实验系统检测震荡火焰的物理性质的检测方法，该方法100包括执行操作S110～S160。
在操作S110中，设置第一控制信号和第二控制信号的频率大于震荡火焰的震荡频率。
在操作S120中，控制发光部1打开并且火焰生成装置3关闭，使得发光部1发射第一光束，控制成像装置2获取第一光束的第一光信息。
在操作S130中，控制发光部1关闭并且火焰生成装置3关闭，控制成像装置2获取第二光信息。
在操作S140中，控制发光部1关闭并且火焰生成装置3打开，控制成像装置2获取第三光信息。
在操作S150中，控制发光部1打开并且火焰生成装置3打开，控制成像装置2获取第四光信息。
在操作S160中，基于第一光信息、第二光信息、第三光信息及第四光信息计算得到震荡火焰中碳烟颗粒物的体积分数二维场和温度二维场。
具体地，上述操作S120～S150的顺序可以调换，例如，可以先执行操作S140和S150再执行S120和S130。例如，可以先执行S150再执行操作S140。例如，可以先执行S130再执行操作S120。
进一步地，在执行操作S160之前还可以包括：将第一光信息、第二光信息、第三光信息及第四光信息分别处理得到对应的第一光强信号、第二光强信号、第三光强信号及第四光强信号。
第一光信息可以为上述的发光部1发射的光束的光信息；第二光信息可以为上述的无震荡火焰并且无发光部1发射的光束的光信息；第三光信息可以为上述的震荡火焰的光信息；第四光信息可以为上述的发光部1发射的光束被震荡火焰吸收后的光信息。
可以利用计算机编写的Matlab程序对上述的第一光信息、第二光信息、第三光信息及第四光信息分别处理得到对应的第一光强信号、第二光强信号、第三光强信号及第四光强信号，再基于消光法处理得到震荡火焰中碳烟颗粒物的体积分数二维场和温度二维场。光信息可以是拍摄的图片，光强信号可以是利用MATLAB程序对拍摄的图片进行提取得到的光强分布信息，光强分布信息可以是在以拍摄的图片为二维场的坐标系中的坐标表示。
第一光强信号可以为上述的发光部1发射的光束的光强信号即无火焰有光源的光强信号，可以表示为IL(x，y)；第二光强信号可以为上述的无震荡火焰并且无发光部1发射的光束的光强信号即无火焰无光源的光强信号，可以表示为Ib(x，y)；第三光强信号可以为上述的震荡火焰的光强信号即有火焰无光源的光强信号，可以表示为If(x，y)；第四光强信号可以为上述的发光部1发射的光束被震荡火焰吸收后的光强信号即有火焰有光源的光强信号，可以表示为IL+f(x，，y)。其中，x表示二维场坐标系中的横坐标，y表示二维场坐标系中的纵坐标。
具体地，得到碳烟颗粒物的体积分数二维场的步骤可以为：
步骤11：将四组光强信号代入公式(1)计算得到透射率τλ(x，y)。
τλ(x，y)为透射率，IL+f(x，y)为有火焰有光源的光强信号，If(x，y)为有火焰无光源的光强信号，IL(x，y)为无火焰有光源的光强信号，Ib(x，y)为无火焰无光源的光强信号。
步骤12：运用公式(2)，并结合吉洪诺夫正则化的剥洋葱式反卷积方法进行处理后，可以计算得到波长为λ的吸收系数(消光系数)Kλ(x，y)。吸收系数(消光系数)Kλ(x，y)与透射率τλ(x，y)的关系为：
其中，s为光通过的距离。
步骤13：根据瑞利-德拜-甘斯多分散分形团聚体(RDG-PFA)散射理论及火焰中碳烟颗粒物近似为球形粒子且粒径都在瑞利粒径的范围内的假设，忽略粒子对光的散射作用，碳烟颗粒物的体积分数fv(x，y)与消光系数Kλ(x，y)的关系为：
Kλ(x，y)为吸收系数或消光系数，E(m)为折射率函数。
基于公式(3)计算得出碳烟颗粒物的体积分数二维场fv(x，y)，单位为ppm。
具体地，得到碳烟颗粒物的温度的二维场的步骤可以为：
步骤21：提取棱镜相机红(R)、绿(G)、蓝(B)三通道波长范围，基于公式(4)、(5)、(6)，进行理论计算可得到黑体辐射强度之比ratio，建立查找表(look-up table)数据库。辐射强度可以是点辐射源辐射在单位时间内在给定方向上单位立体角内辐射出的能量。
Ibb为黑体辐射强度，h为普朗克常数，c为光速，k为玻尔兹曼常数，T为温度，λ为波长且为大于0的任意值，λi为对应色光(i代指色光类别)的波长区间，
为对应波长下的黑体辐射强度，
为波长为绿光波长范围的黑体辐射强度，
为波长为红光范围的黑体辐射强度，ratio为黑体辐射强度之比。
步骤22：使用黑体炉标定光路中元件的响应效率，由公式(7)计算得到双色法下两波段光谱响应之比，ηG/ηR；
上式中：ηG为波长为绿光波长范围的光谱响应，ηR为波长为红光范围的光谱响应，
为发光部1发射的光束中波长为绿光的光谱辐射强度，
为发光部1发射的光束中波长为红光的光谱辐射强度。
步骤23：基于有火焰无光源的光强信号即第三光强信号，利用计算机编写的Matlab程序提取棱镜相机红(R)、绿(G)两通道值，通过吉洪诺夫正则化的剥洋葱式反卷积方法，得到震荡火焰中双色光谱辐射强度比：
SG(x，y)为震荡火焰中波长为绿光波长范围的光谱辐射强度，SR(x，y)为震荡火焰中波长为红光范围的光谱辐射强度，IG(x，y)为波长为绿光波长范围的震荡火焰中碳烟等效黑体光谱辐射强度，IR(x，y)为波长为红光范围的震荡火焰中碳烟等效黑体光谱辐射强度，εG(x，y)为波长为绿光波长范围的发射系数，εR(x，y)为波长为红光范围的发射系数，x、y分别为光源介质的x轴、y轴方向。
步骤24：根据基尔霍夫定律，在碳烟颗粒处于热平衡条件下，发射系数与吸收系数相等的关系，即
上式中：KG(x，y)，KR(x，y)分别代表波长为绿光波长范围的与波长为红光波长范围的吸收系数。将公式(9)代入(8)，并整理可得：
其中，ηR/ηG由前述公式(7)可得，KR(x，y)/KG(x，y)由公式(2)得到；故在此基础上，基于公式(10)，可计算得到碳烟等效黑体光谱辐射强度之比，利用上述建立的look-uptable查表，可得对应的碳烟颗粒物温度二维场T(x，y)。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造，并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
以上的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于检测震荡火焰的物理性质的实验系统，其特征在于，包括：
发光部，被配置为发射光束；
成像装置，被配置为获取所述光束的光信息；
火焰生成装置，设置在所述发光部和所述成像装置之间，被配置为生成震荡火焰，所述光束经过所述震荡火焰吸收后被所述成像装置接收；
控制部，与所述发光部和所述成像装置连接，被配置为控制所述成像装置和所述发光部打开或关闭，其中，所述控制部控制所述发光部的第一控制信号和控制所述成像装置的第二控制信号的频率均大于所述震荡火焰的震荡频率；以及
处理部，与所述成像装置连接，被配置为基于所述成像装置多次获取的所述光信息获得所述震荡火焰的物理性质。
2.根据权利要求1所述的实验系统，其特征在于，所述物理性质包括：震荡火焰中碳烟颗粒物的体积分数二维场和温度二维场中的至少一个。
3.根据权利要求1所述的实验系统，其特征在于，所述成像装置获取的光信息包括：所述震荡火焰的光信息、所述发光部发射的光束的光信息、所述发光部发射的光束被所述震荡火焰吸收后的光信息和无震荡火焰并且无发光部发射的光束的光信息中的至少一个。
4.根据权利要求2所述的实验系统，其特征在于，还包括：第一传输部，所述第一传输部包括：
玻璃片，包括主体部，所述主体部至少一面上包括凹凸不平的纹理，所述玻璃片设置在所述发光部和所述火焰生成装置之间，被配置为使所述发光部发射的光束均匀化；以及
曲面透镜，设置在所述玻璃片和所述火焰生成装置之间，被配置为使所述均匀化后的光束以与所述发光部的发射方向平行的方向射出。
5.根据权利要求4所述的实验系统，其特征在于，所述玻璃片与所述曲面透镜的距离为所述曲面透镜的焦距。
6.根据权利要求2所述的实验系统，其特征在于，还包括：第二传输部，所述第二传输部包括：
平凸透镜，设置在所述火焰生成装置和所述处理部之间，被配置为使得所述被震荡火焰吸收后光束收缩；以及
滤波片，设置在所述平凸透镜和所述处理部之间，被配置对所述收缩后的光束滤波。
7.根据权利要求6所述的实验系统，其特征在于，所述平凸透镜与所述滤波片的距离为所述平凸透镜的焦距。
8.根据权利要求1所述的实验系统，其特征在于，所述成像装置为棱镜相机，所述棱镜相机红光和绿光的曝光时间分别为35～45s和60～70s。
9.一种利用上述权利要求1-8中的任一项所述的实验系统检测震荡火焰的物理性质的检测方法，包括：
设置第一控制信号和第二控制信号的频率大于震荡火焰的震荡频率；
控制发光部打开并且火焰生成装置关闭，使得所述发光部发射第一光束；
控制成像装置获取所述第一光束的第一光信息；
控制所述发光部关闭并且所述火焰生成装置关闭；
控制所述成像装置获取第二光信息；
控制所述发光部关闭并且所述火焰生成装置打开；
控制所述成像装置获取第三光信息；
控制所述发光部打开并且所述火焰生成装置打开；
控制所述成像装置获取第四光信息；以及
基于所述第一光信息、第二光信息、第三光信息及第四光信息计算得到震荡火焰中碳烟颗粒物的体积分数二维场和温度二维场。
10.根据权利要求9所述的检测方法，其特征在于，在所述基于所述第一光信息、第二光信息、第三光信息及第四光信息计算得到震荡火焰中碳烟颗粒物的体积分数二维场和温度二维场之前还包括：
将所述第一光信息、第二光信息、第三光信息及第四光信息分别处理得到对应的第一光强信号、第二光强信号、第三光强信号及第四光强信号。
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