CN116045304A - 一种湍流火焰动态三维结构测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种湍流火焰动态三维结构测量装置及方法。测量装置包括：多紫外相机成像系统，用于捕获湍流火焰OH*自由基辐射发光在不同方向上的投影图像；光学固定系统，用于固定相机并调整视角的高度和角度；一台同步控制器，用于实现瞬态火焰图像同步采集；一台计算机，用于储存图像和计算分析。测量方法包括：多紫外相机成像系统标定；拍摄并校正湍流火焰瞬态图像；根据校正后的火焰图像，采用体素预处理技术计算目标空间离散体素的权重系数；最后采用层析重建算法，反演重建目标空间的湍流火焰三维结构分布。本发明构建了基于多紫外相机的化学发光层析成像系统，实现了低成本、高准确度的湍流火焰瞬态锋面化学发光信息获取；在重建过程中采用体素预处理技术减小了权重系数的计算量，提高了测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种湍流火焰动态三维结构测量装置及方法，属于湍流火焰光学测量技术领域。
背景技术
贫燃预混湍流燃烧技术通过降低火焰中心反应区温度，可有效减少氮氧化物的排放，目前已广泛应用于航空发动机、燃气轮机等领域。然而，由于湍流火焰流场复杂且燃烧脉动频繁，该技术在实际工况中存在由热声耦合振荡引起的动态不稳定性问题，严重时可能造成设备损坏。相关研究表明，湍流火焰锋面在燃烧传热传质过程中具有重要作用，其三维结构反映了火焰宏观结构与燃烧稳定性。实现湍流火焰锋面动态三维结构的测量与表征，对湍流燃烧机理研究以及湍流燃烧器优化设计具有重要实际意义。
近年来，针对火焰锋面结构测量技术已经开展了大量研究。其中，光学测量技术具有非侵入、灵敏度高、速度快等特点，逐渐成为表征火焰精细结构的有效方法之一。目前较为成熟的光学测量技术主要有激光诱导荧光技术(Laser Induced Fluorescence，LIF)和火焰化学发光层析成像技术(Computed Tomography of Chemiluminescence，CTC)，二者都是利用化学反应自由基来表征火焰锋面结构。LIF采用特定波长的激光激发火焰燃烧化学反应自由基(如OH、CH)，通过增强型相机(ICCD)捕捉激发态自由基能级跃迁产生的荧光信号，获取火焰瞬态、定量的自由基分布信息，具有实时原位测量、图像信噪比高、灵敏度高等优点。但LIF通常需要高频或高能量激光器、高速相机和像增强器，以捕获纳秒级曝光时间尺度下的瞬时荧光信号，光学设备昂贵且系统复杂。火焰化学发光是锋面中激发态自由基发生辐射跃迁并释放光子的现象，CTC技术通过多视角的光学系统，实现特定自由基发光信号采集，获取火焰锋面不同方向上的结构信息，并进行高分辨率三维层析重建。相较于LIF，CTC无需高能量激光器作为外部激励信号，因此在硬件系统成本方面具有较大的优势。大量研究表明，CTC是一种极具潜力的光学测量技术，在火焰锋面三维结构重建领域已得到了广泛关注。
然而，目前针对动态湍流火焰锋面的CTC测量技术仍存在一些挑战。主要挑战之一是湍流火焰锋面信息采集不足。火焰化学发光激发态自由基主要包括OH*(308nm)、CH*(431nm)、C2*(470～550nm)，其中OH*在燃烧反应区发光效率高，分布范围大，发光波段窄且处于紫外区域，不受火焰背景辐射干扰，更适用于湍流火焰锋面瞬态表征。但受限于紫外波段量子效率较低，普通相机需要借助像增强器来获取OH*辐射发光高质量图像，然而同时布置多台耦合了像增强器的相机成本高昂。为降低硬件成本，有学者在光学成像系统中，采用光纤束与ICCD相机耦合，捕获多个视角的化学发光投影图像。然而光纤束在传输时会造成严重的信号损失，同时多光纤束集成也导致提供给每一个视角的视场区域降低，极大地影响了图像的采集信噪比。近年来，随着紫外成像技术的高速发展，高灵敏度的紫外分辨电子传感器已应用于工业相机，实现了低成本、高信噪比的OH*辐射发光成像，为构建基于紫外成像的CTC系统和实现高精度的湍流火焰动态三维结构测量提供了可能。
另一个挑战是旋流火焰锋面高分辨率层析重建存在计算量大、伪影明显等问题。代数重建技术(Algebraic Reconstruction Technique，ART)通过误差迭代逐步修正未知数，在火焰锋面三维结构重建领域已得到了大量应用。联合代数重建算法(SimultaneousAlgebraic Reconstruction Technique，SART)由ART发展而来，具有较高的迭代效率和抗噪能力，获得了广泛的关注。然而，SART算法重建过程中将火焰测量空间离散为体素，其权重系数计算耗时极长，在百万级的空间分辨率下通常需要数十个小时。同时，由于SART算法根据投影强度的计算误差，对测量空间的离散体素进行修正，成像误差导致重建结果沿投影方向存在严重的线状伪影。相关研究表明，旋流火焰在喷嘴出口处发生扩张，整体结构通常呈碗型，因此喷嘴出口附近的测量空间中存在大量对图像强度没有贡献的零强度体素，如在重建时，预先对这部分体素进行识别和排除，不仅有利于减少权重系数计算量，同时也将减少由零强度体素生成的部分伪影，提升火焰结构重建质量。
发明内容
技术问题：
本发明所要解决的技术问题是针对上述光学测量技术存在成本高昂、湍流火焰锋面信息采集不足等缺点，以及现有重建算法存在计算量大、伪影明显等问题，而提出一种低成本、高精度的湍流火焰动态三维结构测量装置及方法。其基本思路是：采用多紫外相机成像系统获取湍流火焰OH*自由基辐射发光在不同方向上的投影图像，利用体素预处理技术对零强度体素进行识别和排除，进而结合层析重建算法实现湍流火焰三维结构重建。
技术方案：
一种湍流火焰动态三维结构测量装置，其特征在于，包括：
多紫外相机成像系统，用于捕获湍流火焰OH*自由基辐射发光在不同方向上的投影图像，包括紫外相机、紫外镜头和窄带滤光片；
光学固定系统，用于固定所述紫外相机并调整视角的高度和角度，包括光学平台和光学支架；
一台同步控制器，用于控制拍摄时多紫外相机成像系统同步，实现瞬时火焰图像采集，通过外触发线与所述紫外相机连接；
一台计算机，用于软件控制所述紫外相机，存储所述多紫外相机成像系统捕获的瞬态火焰图像，利用层析重建算法，计算获得目标空间湍流火焰锋面三维结构分布。
所述的测量装置，其特征在于，所述紫外相机在308nm波段量子效率大于50％，所述紫外镜头在308nm波段透过率大于66％，所述窄带滤光片带宽为10nm，在308nm波段透过率大于81％，所述多紫外相机成像系统适用于捕获OH*自由基在308nm波段的辐射发光信号。
所述的测量装置，其特征在于，所述光学平台由多条圆形导轨组成，可实现相机在燃烧器周向的自由移动。
所述的测量装置，其特征在于，所述光学支架由滑动底座、旋转杆架、升降杆架、接杆组成，可实现高度和角度的灵活调整。
一种湍流火焰动态三维结构测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、测量装置标定：布置多紫外相机成像系统，调整光学支架使得每台相机的传感器中心位于同一平面并对准燃烧器中轴线；通过三维空间与二维投影的映射关系，采用连续的双目相机标定获取多台相机之间旋转角度与位移距离的三维信息，同时获取每台相机的畸变参数用于图像校正；
步骤二、使用标定后的测量装置，根据测量工况调整相机参数，拍摄并记录目标空间的瞬态火焰图像和一组含底噪的背景图像；
步骤三、采用步骤一获取的畸变参数对火焰图像进行畸变矫正，采用步骤二拍摄的背景图像对火焰图像进行降噪处理；
步骤四、根据校正后的火焰图像，计算目标空间离散体素的权重系数，权重系数为离散体素对相机传感器像素强度的贡献程度；采用体素预处理技术，通过光线追踪预先识别零强度体素并将其排除，从而减少权重系数计算量；
步骤五、采用层析重建算法，反演重建目标空间的湍流火焰锋面三维结构分布。
所述步骤四中，假设光是带辐射能量的几何线束，由于单个像素的接收孔径角很小，因此可将相机镜头等效为针孔，用小孔成像模型等效相机成像过程。将目标空间离散为均匀的立方体(体素)，并假设每个体素内的化学发光强度为恒定的值，相机传感器上每个像素强度为投影方向上体素强度的积分。假设某一像素点P1的投影方向上，光线穿过的体素分别为V1、V2…Vn，辐射传输计算公式为：
式中，
为体素Vi对像素P1的权重系数，即光线穿过体素长度与火焰散射、吸收系数的耦合项，
为体素Vi的强度值，
为像素P1的强度值。
考虑所有体素和像素，辐射传输计算公式可表达为：
AM×N×XN×1＝BM×1
式中，M为像素个数，N为测量空间体素个数，A为权重系数矩阵，X为体素强度矩阵，B为像素强度矩阵。
有益效果：
与现有的湍流火焰三维结构光学测量技术相比，本发明有如下优点：
(1)采用多紫外相机成像系统，在紫外波段具有较高的量子效率，实现了低成本、高准确度的湍流火焰瞬态化学发光信息获取，进而通过层析重建算法获取高精度湍流火焰动态三维结构分布。
(2)充分考虑到湍流火焰在喷嘴出口处发生扩张，目标空间中存在大量对图像强度没有贡献的零强度体素，采用体素预处理技术对这部分体素进行识别和排除，有效减少了权重系数计算量，提高了火焰结构三维重建效率。
(3)测量系统在结构上对湍流火焰测量无影响，属于非接触式测量方法，具有实验装置简单、可靠、实用的特点。
附图说明
图1测量装置结构图；
图2光学固定装置结构图；
图3测量装置标定图；
图4基于体素预处理技术的重建算法流程图
图5湍流火焰锋面结构重建结果三维视图；
图6湍流火焰锋面结构重建结果水平切片；
其中：1—紫外相机、2—紫外镜头、3—窄带滤光片、4—预混湍流燃烧器、5—气路阀门、6—质量流量计、7—同步控制器、8—计算机、9—光学平台、10—圆形导轨、11—滑动底座、12—旋转杆架、13—接杆、14—升降杆架。
具体实施方式
下面结合附图和实例，进一步说明本发明。以下所述实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对于本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本实施例提供一种火焰三维结构红测量装置结构如图1，包括：
多紫外相机成像系统，用于捕获湍流火焰OH*自由基辐射发光在不同方向上的投影图像，包括紫外相机1、紫外镜头2和窄带滤光片3。本实例中，共采用八台紫外相机，以预混湍流燃烧器为中心，在等半径的圆形导轨上水平布置，相机间隔角度为40°。
湍流燃烧火焰发生装置，包括预混湍流燃烧器4、阀门5、质量流量计6。本实例中，采用甲烷和空气混合，预混湍流燃烧器4的几何湍流数为0.55。
一台同步控制器7，用于控制拍摄时多紫外相机成像系统同步，实现瞬时火焰图像采集，通过外触发线与紫外相机1连接。本实例中，同步控制器帧速率设置为20Hz。
一台计算机8，用于控制紫外相机1，存储多紫外相机成像系统捕获的瞬态火焰图像，利用层析重建算法，计算获得目标空间湍流火焰锋面三维结构分布。本实例中，采用基于体素预处理技术的SART算法。
光学固定系统，用于固定紫外相机并调整视角的高度和角度，详见图2，包括光学平台9(其上布有多条圆形导轨10)、滑动底座11、旋转杆架12、接杆13、升降杆架14。
测量装置标定的具体操作如下，其中对于紫外相机1和紫外镜头2的操作默认为应用于所有八台紫外相机和紫外镜头：
1)首先，将紫外镜头2的光圈设置为3.8，设置紫外相机1为连续采集-实时显示模式，同时确定紫外相机1传感器中心像素位置；
2)使用滑动底座11将紫外相机1间隔40°布置，使用旋转杆架12和升降杆架14调整紫外相机1视角，使紫外相机1传感器中心像素点与湍流燃烧器喷嘴出口中心重合；
3)通过棋盘格标定法分别标定每一台紫外相机，获取紫外相机内部参数，包括内参矩阵M1和径向畸变矩阵D；
4)进行双目相机标定，获取紫外相机之间的外部参数。采用相邻两台紫外相机同时拍摄黑白棋盘格，通过角点识别获取每两台紫外相机之间的旋转位移矩阵
图3为相邻两台紫外相机同时拍摄的黑白棋盘格图像。本实例中，将紫外相机沿逆时针分别编号为1、2、3、……、8，则标定顺序为1-2、2-3、3-4、…、7-8、8-1，将每次标定的相对旋转位移矩阵记为P1，P2……，P8；
5)对标定参数进行集成校准，定义Q＝P8P7P6P5P4P3P2P1，理想情况下Q为单位矩阵，但由于标定误差客观存在且在计算中不断积累，Q的结果往往存在一定偏离。通过Q与单位矩阵的差值计算得到标定结果在角度和位移上的累计偏差。
本实施例提供一种低成本高精度的湍流火焰动态三维结构测量方法，测量方法基于实施例中的湍流火焰动态三维结构测量，测量方法步骤如下：
步骤一、测量装置标定。标定的目的是获取多台相机之间旋转角度与位移距离的三维信息用于光线追踪计算，同时获取每台相机的畸变参数用于图像校正。
步骤二、湍流火焰图像采集与处理：采集湍流火焰瞬时图像与背景图像，对图像进行畸变矫正和降噪处理。
具体操作如下：
1)将紫外相机1通过外触发线连接到同步控制器7，使用同步控制器7设置帧速率为20Hz，使用计算机8设置紫外相机1为硬件触发模式，曝光时长为200μs；
2)打开气路阀门5，使用计算机8设置质量流量计6的实时流量，点燃湍流火焰。本实例中，甲烷流量设置为15L/min，空气流量设置为175L/min，当量比为0.59；
3)使用计算机8控制同步控制器7，使8台紫外相机1同时获取湍流火焰在八个视角的瞬态投影图像；
4)使用计算机8将质量流量计6的实时流量设置为0，等火焰自然熄灭后，拍摄一组黑色背景图像，关闭气路阀门5，检查装置气密性；
5)使用计算机8整理拍摄图像，使用步骤一标定得到的径向畸变系数校正火焰图像与背景图像，将火焰图像减去背景图像得到真实的OH*辐射发光投影。
步骤三、湍流火焰动态结构三维重建：采用体素预处理技术优化目标空间离散体素的权重系数计算(流程图如图4)，采用层析重建算法反演重建目标空间湍流火焰锋面三维结构分布。
具体操作如下：
1)根据系统标定结果与火焰图像选取目标空间并划分体素。本实例中，火焰重建空间大小为50×50×45mm(X轴×Y轴×Z轴)，均匀划分为250×250×225的体素，空间分辨率为0.2×0.2×0.2mm。考虑所有体素和像素，辐射传输计算公式可表达为：
AM×N×XN×1＝BM×1
式中，M为像素个数，N为测量空间体素个数，A为权重系数矩阵，X为体素强度矩阵，B为像素强度矩阵。
2)将火焰图像的像素依次编号并计算每一个像素点的空间位置，从像素点出发反向追踪光线，得到光线穿过的体素；
3)读取像素强度，若像素点强度为0，则光线穿过体素的强度积分为0，记录并排除这部分零强度体素；
4)计算剩余体素的权重系数；
5)已知权重系数矩阵A和像素强度矩阵B，采用SART算法反演重建体素强度矩阵X，SART计算公式为：
式中，xj为矩阵X中的元素；xj(k)和xj(k+1)分别表示第k与第k+1次迭代后的第j个体素的强度值；bi表示第i条光线的实际投影强度值；
表示第i条光线的计算投影强度值；
表示第i条光线所穿过的体素对其贡献累计值；λ表示松弛因子；Iθ表示投影角度θ下所有光线集合；Aij表示第i条光线上第j个体素的权重系数；
表示第k次迭代后第n个体素的强度值；Ain表示第i条光线上第n个体素的权重系数。
设置松弛因子与初始迭代次数，计算获得每次迭代后实际投影强度值与计算投影强度的均方根误差，确定最优迭代次数，随后重新设置迭代次数获得最优计算结果。本实例中，设置松弛因子λ为1.5，初始迭代次数为1000次，在第410次时均方根误差达到最小值0.126。
6)得到体素强度矩阵X后，将目标空间中缺失的体素赋值为0，使得目标空间结构完整。本实例中，湍流火焰锋面结构重建结果三维视图如图5所示，重建结果水平切片如图6所示。
Claims (10)
1.一种湍流火焰动态三维结构测量装置，其特征在于，包括：
多紫外相机成像系统，用于捕获湍流火焰OH*自由基辐射发光在不同方向上的投影图像，包括紫外相机、紫外镜头和窄带滤光片，所述紫外相机在308nm波段量子效率大于50％，所述紫外镜头在308nm波段透过率大于66％，所述窄带滤光片在308nm波段透过率大于81％；
光学固定系统，用于固定所述紫外相机并调整视角的高度和角度，包括光学平台和光学支架；
一台同步控制器，用于控制拍摄时多紫外相机成像系统同步，实现瞬时火焰图像采集，通过外触发线与所述紫外相机连接；
一台计算机，根据所述多紫外相机成像系统捕获的瞬态火焰图像，利用层析重建算法，计算获得目标空间湍流火焰三维结构分布。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述计算机利用体素预处理技术与层析重建算法计算获得目标空间湍流火焰三维结构分布，包括：
1)根据多紫外相机成像系统标定结果与火焰图像选取目标空间并划分体素；
2)将火焰图像的像素依次编号并计算每一个像素点的空间位置，从像素点出发反向追踪光线，得到光线穿过的体素；
3)读取像素强度，若像素点强度为0，记录并排除与该像素点相关的零强度体素；
4)根据光线追踪结果和火焰吸收散射系数，计算剩余体素的权重系数，得到权重系数矩阵A；
5)根据得到的权重系数权重系数矩阵A，采用层析重建算法反演重建体素强度矩阵X；
6)根据重建体素强度矩阵X，将目标空间中缺失的体素赋值为0，得到结构完整的目标空间。
3.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，步骤5)中，采用SART算法反演重建体素强度矩阵X，SART计算公式为：
式中，xj为矩阵X中的元素；xj(k)和xj(k+1)分别表示第k与第k+1次迭代后的第j个体素的强度值；bi表示第i条光线的实际投影强度值；
表示第i条光线的计算投影强度值；
表示第i条光线所穿过的体素对其贡献累计值；λ表示松弛因子；Iθ表示投影角度θ下所有光线集合；Aij表示第i条光线上第j个体素的权重系数；
表示第k次迭代后第n个体素的强度值；Ain表示第i条光线上第n个体素的权重系数。
4.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，步骤5)中，采用每次迭代后实际投影强度值与计算投影强度的均方根误差作为重建精度判断标准，以此得到最优迭代次数。
5.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述窄带滤光片带宽为10nm。
6.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述光学平台由多条圆形导轨组成，实现相机在燃烧器周向的自由移动。
7.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述光学支架由滑动底座、旋转杆架、升降杆架、接杆组成，实现高度和角度的灵活调整。
8.一种基于权利要求1-7任一所述测量装置的湍流火焰动态三维结构测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、测量装置标定：布置多紫外相机成像系统，调整光学支架使得每台相机的传感器中心位于同一平面并对准燃烧器中轴线；通过三维空间与二维投影的映射关系，采用连续的双目相机标定获取多台相机之间旋转角度与位移距离的三维信息，同时获取每台相机的畸变参数用于图像校正；
步骤二、湍流火焰图像采集与处理：使用标定后的测量装置，拍摄并记录目标空间瞬态火焰图像和一组含底噪的背景图像；采用步骤一获取的畸变参数对火焰图像进行畸变矫正，采用背景图像对火焰图像进行降噪处理；
步骤三、湍流火焰动态结构三维重建：根据校正后的火焰图像，采用体素预处理技术优化目标空间离散体素的权重系数计算；采用层析重建算法，反演重建目标空间的湍流火焰三维结构分布。
9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，步骤一采用12×9方格的黑白棋盘格标定板，方格边长为3mm。
10.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，步骤一采用双目相机标定方法对多紫外相机成像系统进行标定，定义校准矩阵对标定结果进行评估。
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2023
- 2023-01-04 CN CN202310015484.6A patent/CN116045304A/zh active Pending
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| CN116824068A (zh) * | 2023-08-30 | 2023-09-29 | 深圳大学 | 面向复杂动态场景中点云流的实时重建方法、装置及设备 |
| CN116824068B (zh) * | 2023-08-30 | 2024-01-09 | 深圳大学 | 面向复杂动态场景中点云流的实时重建方法、装置及设备 |
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