一种基于化学发光的用于火焰三维重建的成像系统及方法技术方案

一种基于化学发光的用于火焰三维重建的成像系统，该成像系统包括n个前端透镜、n个机械定位装置、n条光纤传像束、后端透镜、波长选择模块、单台CCD相机、图像采集模块、数据处理模块，n是拍摄角度数，n≥1；每个前端透镜安装在一个机械定位装置上，各个机械定位转置控制着拍摄视角、拍摄距离；通过光纤传像束将平面燃烧炉产生的火焰的像传导到后端透镜，并成像到单台CCD相机，波长选择模块布置在单台CCD相机前并用于控制透射光的谱段，图像采集模块控制相机参数并保存拍摄图像，通过数据处理模块提取各拍摄视角的火焰图像，并利用数据处理模块获得火焰的三维重建图像。还提供使用方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于数字成像、光纤光学和计算重建术结合的
，具体地涉及一种基于化学发光的用于火焰三维重建的成像系统，以及该装置的使用方法。
技术介绍
火焰化学发光被认为是燃烧诊断与控制的重要指标，相对于激光诊断，化学发光成像属于被动光学诊断，结构简单，在恶劣的工业环境中极具吸引力。针对化学发光的测量，早期的只能通过某单个视角成像，仅能获得火焰的二维结构(视线叠加)。三维的化学发光诊断在方法上可分为两类：一种是通过快速扫描2D技术来实现3D测量，例如通过Cassegrain光学系统可实现非侵入的空间区域采集。这种方法需要较长的测量时间，对于稳定火焰测量具有一定价值，但是难以获取火焰的三维动态变化信息。另一种则是3D-CTC技术，利用多视角的2D成像，结合计算机层析技术，可实现高时间分辨率的3D空间火焰诊断，这对于评估和发展预测燃烧模型十分重要。然而高时空分辨率的3D-CTC技术的实现，需要足够的成像视角与精确的反演算法。由于多方面限制(多空间-时间尺度、硬件、软件设施等)，计算耗时长，内存占用量大，实现起来存在巨大困难。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于化学发光的用于火焰三维重建的成像系统，其无需激光源，结构较为简单，成本低且操作性强，适于工业现场和恶劣试验室环境应用，可以重构各种碳氢燃料燃烧的三维火焰结构，适用于火焰面位置诊断、释热率分布评估，是研究、诊断各种燃烧系统的有力工具。本专利技术的技术解决方案是：这种基于化学发光的用于火焰三维重建的成像系统，该成像系统包括n个前端透镜、n个机械定位装置、n条光纤传像束、后端透镜、波长选择模块、单台CCD相机、图像采集模块、数据处理模块，n是拍摄角度数，n≥1；每个前端透镜安装在一个机械定位装置上，各个机械定位转置控制着拍摄视角、拍摄距离；通过光纤传像束将平面燃烧炉产生的火焰的像传导到后端透镜，并成像到单台CCD相机，波长选择模块布置在单台CCD相机前并用于控制透射光的谱段，图像采集模块控制相机参数并保存拍摄图像，通过数据处理模块提取各拍摄视角的火焰图像，并利用数据处理模块获得火焰的三维重建图像。还提供了使用这种基于化学发光的用于火焰三维重建的成像系统的方法，包括以下步骤：(1)利用机械定位装置固定各光纤传像束的端部和前端成像透镜；(2)光纤传像束的尾部得到火焰像，经后端透镜成像到单台CCD相机，波长选择模块布置在单台CCD相机前并用于控制透射光的谱段；(3)图像采集模块控制CCD相机的曝光时间和增益，拍摄一幅图片就获得n个拍摄视角的图像；(4)数据处理模块提取各拍摄视角的图像，利用代数迭代算法来重建三维火焰结构。本专利技术通过单台CCD相机单次成像，即可获得n个不同视角的火焰2D图形，利用图像采集模块获得这些视角的火焰图像，通过数据处理模块对这些图像进行处理，获得火焰三维重建图像。因此，无需激光源，结构较为简单，成本低且操作性强，适于工业现场和恶劣试验室环境应用，可以重构各种碳氢燃料燃烧的三维火焰结构，适用于火焰面位置诊断、释热率分布评估，是研究、诊断各种燃烧系统的有力工具。附图说明图1示出了根据本专利技术的基于化学发光的用于火焰三维重建的成像系统的一个优选实施例的结构示意图。图2示出了图1的成像系统的拍摄过程。图3示出了3D-CTC的成像原理。图4示出了噪声和角度数目对反演结果的影响，其中以信噪比为3％的随机噪声模拟。图5示出了测得的三维火焰在高度方向的发光强度分布。图6示出了根据本专利技术的基于化学发光的用于火焰三维重建的成像系统的使用方法的一个优选实施例的流程图。图7示出了根据图1的成像系统的CCD芯片上，9个拍摄视角的2D成像分布图。具体实施方式从图1、2中可以看出，这种基于化学发光的用于火焰三维重建的成像系统，该成像系统包括n个前端透镜101-109、n个机械定位装置201-209、n条光纤传像束3、后端透镜4、波长选择模块5、单台CCD相机6、图像采集模块7、数据处理模块8，n是拍摄角度数，n≥1；每个前端透镜安装在一个机械定位装置上，各个机械定位转置控制着拍摄视角、拍摄距离；通过光纤传像束将平面燃烧炉产生的火焰的像传导到后端透镜，并成像到单台CCD相机，波长选择模块布置在单台CCD相机前并用于控制透射光的谱段，图像采集模块控制相机参数并保存拍摄图像，通过数据处理模块提取各拍摄视角的火焰图像，并利用数据处理模块获得火焰的三维重建图像。本专利技术通过单台CCD相机单次成像，即可获得n个不同视角的火焰2D图形，利用图像采集模块获得这些视角的火焰图像，通过数据处理模块对这些图像进行处理，获得火焰三维重建图像。因此，无需激光源，结构较为简单，成本低且操作性强，适于工业现场和恶劣试验室环境应用，可以重构各种碳氢燃料燃烧的三维火焰结构，适用于火焰面位置诊断、释热率分布评估，是研究、诊断各种燃烧系统的有力工具。另外，如图1所示，n＝9，即1*9光纤传像束，是一体的，9个头端，1个尾端。另外，所述火焰的化学发光组分包括OH自由基、CH自由基、C2自由基、或CO2自由基。或者，所述火焰的成分是1:1配比的甲烷和空气。另外，所述平面燃烧炉的直径为5cm，所述CCD相机为IMI-147FT，CCD像元尺寸为6.45*6.45um。另外，前端透镜包括若干套透镜，根据要调整成像的立体角和通光孔径来更换这些透镜。还提供了使用这种基于化学发光的用于火焰三维重建的成像系统的方法，包括以下步骤：(1)利用机械定位装置固定各光纤传像束的端部和前端成像透镜；(2)光纤传像束的尾部得到火焰像，经后端透镜成像到单台CCD相机，波长选择模块布置在单台CCD相机前并用于控制透射光的谱段；(3)图像采集模块控制CCD相机的曝光时间和增益，拍摄一幅图片就获得n个拍摄视角的图像；(4)数据处理模块提取各拍摄视角的图像，利用代数迭代算法来重建三维火焰结构。另外，所述步骤(4)中还包括对图像进行平滑处理。另外，所述步骤(2)中当需要改变成像的光谱谱段时，更换相应波长的波长选择模块。另外，所述步骤(4)中，将火焰目标区域离散为数万个微小物元，利用代数迭代算法进行反演重建，获得每一个微小物元中的发光亮度值，这些发光亮度值的整体为火焰化学发光的三维强度分布。如图6所示，给出了一个具体的实施方法，包括以下步骤：a)以平面燃烧炉中产生稳定的预混火焰为例；b)确定火焰目标区域的尺寸，将9个前端透镜和光纤前端安装在机械定位装置上；c)利用机械定位装置确定透镜与平面燃烧炉中心的距离和9个视角的拍摄角度；d)使用430nm(例子，对应CH*自由基发光)波长选择模块安装于后端透镜和CCD相机之间，控制拍摄光为CH*化学发光；e)使用图像采集模块控制CCD曝光时间和增益，并采集存储单幅拍摄照片；f)数据处理模块从拍摄的单幅图片中提取9个不同视角的拍摄照片，并进行平滑处理；g)输入控制参数，包括拍摄距离，各前端透镜的拍摄视角，程序基于代数迭代算法写成，可处理获得火焰的三维重建图像。以下更具体地说明本专利技术的实施例。图3为CTC问题中的成像原理，如图所示的长方体是被诊断的目标区域，其内包含燃烧反应自由基(例如CH*)。由于自由基跃迁发光呈各向同性，若能通过在不同方向成功捕获火焰投影，便可通过反演计算方法本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于化学发光的用于火焰三维重建的成像系统，其特征在于：该成像系统包括n个前端透镜(101‑109)、n个机械定位装置(201‑209)、n条光纤传像束(3)、后端透镜(4)、波长选择模块(5)、单台CCD相机(6)、图像采集模块(7)、数据处理模块(8)，n是拍摄角度数，n≥1；每个前端透镜安装在一个机械定位装置上，各个机械定位转置控制着拍摄视角、拍摄距离；通过光纤传像束将平面燃烧炉产生的火焰的像传导到后端透镜，并成像到单台CCD相机，波长选择模块布置在单台CCD相机前并用于控制透射光的谱段，图像采集模块控制相机参数并保存拍摄图像，通过数据处理模块提取各拍摄视角的火焰图像，并利用数据处理模块获得火焰的三维重建图像。

【技术特征摘要】
1.一种基于化学发光的用于火焰三维重建的成像系统，其特征在于：该成像系统包括n个前端透镜(101-109)、n个机械定位装置(201-209)、n条光纤传像束(3)、后端透镜(4)、波长选择模块(5)、单台CCD相机(6)、图像采集模块(7)、数据处理模块(8)，n是拍摄角度数，n≥1；每个前端透镜安装在一个机械定位装置上，各个机械定位转置控制着拍摄视角、拍摄距离；通过光纤传像束将平面燃烧炉产生的火焰的像传导到后端透镜，并成像到单台CCD相机，波长选择模块布置在单台CCD相机前并用于控制透射光的谱段，图像采集模块控制相机参数并保存拍摄图像，通过数据处理模块提取各拍摄视角的火焰图像，并利用数据处理模块获得火焰的三维重建图像。2.根据权利要求1所述的基于化学发光的用于火焰三维重建的成像系统，其特征在于：n＝9。3.根据权利要求2所述的基于化学发光的用于火焰三维重建的成像系统，其特征在于：所述火焰的化学发光组分包括OH自由基、CH自由基、C2自由基、或CO2自由基。4.根据权利要求2所述的基于化学发光的用于火焰三维重建的成像系统，其特征在于：所述火焰的成分是1:1配比的甲烷和空气。5.根据权利要求3或4所述的基于化学发光的用于火焰三维重建的成像系统，其特征在于：所述平面燃烧炉的直径为5c...

【专利技术属性】
技术研发人员：李飞，王宽亮，余西龙，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11