一种火焰三维温度场的测量装置及测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种火焰三维温度场测量的成像装置、测量装置及测量方法，其中成像装置包括主透镜及相机探测器面，其特征在于：在所述主透镜与相机探测器面之间还设置有一微透镜阵列，所述微透镜阵列的虚拟焦平面与所述主透镜的虚拟像面共面，所述微透镜阵列将进入所述主透镜的光线成像于所述相机探测器面上不同像素上。相比于传统相机，本发明专利技术成像装置能够分辨光线方向，进一步建立辐射传递模型，通过反演算法获得火焰三维温度场，更加准确地记录火焰各方向的辐射信息，测量结果更加精确；相比于基于多台相机的层析成像技术，只需单成像装置，不需要使用多台相机，无需对各台相机进行复杂同步控制，测量系统简单，易于实现。

A measuring device and measuring method for three dimensional temperature field of flame

The invention discloses an imaging device, a measuring device and a measuring method for measuring a three dimensional temperature field of a flame, in which the imaging device includes a main lens and a camera detector. The virtual image plane coplanar of the main lens is described, and the micro lens array imaging the light entering the main lens on different pixels of the camera detector surface. Compared with the traditional camera, the imaging device can distinguish the direction of the light, further establish the radiation transfer model, obtain the three-dimensional temperature field of the flame through the inversion algorithm, more accurately record the radiation information in all directions of the flame, and the result is more accurate. Compared to the tomography based on multiple cameras, it only needs to be single. The imaging device does not need to use multiple cameras without complex synchronization control of the cameras. The measuring system is simple and easy to implement.

【技术实现步骤摘要】
一种火焰三维温度场的测量装置及测量方法
本专利技术属于燃烧火焰温度场测量
，具体涉及一种用于燃烧火焰三维温度场测量的成像装置、测量装置及测量方法。
技术介绍
温度是表征燃烧火焰一个主要的参数。火焰三维温度场的测量，对全面研析火焰的燃烧反应速度、三维结构、组分生成、整体特性等有决定性作用，有助于揭示燃烧现象的本质和燃烧过程的规律，也有助于燃烧设备的工程设计改进和运行优化，最终对能源的高效利用和低污染排放产生重大意义。因此，火焰三维温度场的测量是燃烧火焰研究中的重要主题之一。火焰温度的测量方法可分为接触法和非接触法两大类。接触法以热电偶的应用最为广泛，热电偶将火焰中某点的温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表(二次仪表)转换成被测介质的温度。但将热电偶应用于测量火焰三维温度场，需要在火焰中布置大量热电偶来获得三维信息，因此存在着结构复杂、对火焰产生干扰等缺点。此外，由于和火焰直接接触，还存在着热电偶由于腐蚀等原因导致的寿命缩减的问题。非接触法又可分为主动式和被动式两大类。主动式测量方法是外界施加测量信号(如激光、声波等)，激光光谱法最为常见，包括基于干涉原理的激光全息干涉法、激光散斑成像法、纹影法、激光径向剪切干涉法，以及基于对激光光谱信号强度与Boltzmann公式相结合的拉曼散射光谱法、瑞丽散射光谱法、CARS光谱法、LIF、TDLAS等，这些测量技术不仅可以获得火焰温度，同时还能测量燃烧过程的中间组分，具有较高的时间分辨率和空间分辨率，此类测量技术是目前研究的一个热点。但基于激光的测温技术存在设备使用环境要求高、价格昂贵、操作复杂等缺点，目前还极少用于工业现场的温度测量，主要用于实验室内燃烧火焰诊断。被动式测量方法以被测对象自身辐射信息作为测量信号。随着图像传感器技术的发展，相机配置参数逐渐提高，可以利用火焰辐射图像开展温度和辐射特性测量，同光谱法相比，可得到二维或三维场检测结果。现阶段主要有两种方法，一种是利用多台相机拍摄火焰图像，结合层析成像法，反演出火焰内部各层的截面图像，根据标定的图像灰度与温度关系，得到火焰各层的截面温度分布。该方法以较高的空间分辨率测得火焰的三维温度场，目前已有应用于工业火焰的监测的实例。然而该方法所测得的温度是根据图像灰度直接标定出来的温度，与火焰的真实温度还有一定差异，同时对各台相机之间空间位置的耦合，时间上的同步具有严格的要求，系统以及装置较为复杂，对于大型火焰如航天发动机的尾焰适用性较低。另一种是利用若干台相机拍摄火焰图像，根据黑体炉标定结果将火焰图像转化成辐射强度分布，建立火焰内部各部分辐射强度至相机探测面辐射强度的辐射传递模型，通过反演算法对其求解得到各部分辐射强度，进而利用Planck公式计算出火焰内部各部分的温度。该方法能够较为精确地测得火焰三维温度场，但是该方法使用的是传统相机，拍摄火焰，记录火焰各方向辐射量时，由于传统相机无法分辨光线方向，将投射到相机探测面同一像素的不同方向的一束光线，近似成通过成像系统光心的一条光线，即连接火焰，光心和对应像素的光线(针孔模型)。这种近似要求火焰和相机距离足够远，每束成像光线的孔径角足够小，否则会导致近似误差较大。然而，如果火焰离相机较远时，相机拍摄的火焰图像位置分辨率必然降低，即探测面每个像素对应的该部分火焰尺寸增大，针孔模型近似的误差也会增大。因此该方法在火焰各方向辐射量的记录上存在明显的不足。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提出了一种可记录光线强度和方向的用于火焰三维温度场测量的成像装置及采用该成像装置测量火焰三维温度场的方法。一种火焰三维温度场测量的成像装置，包括主透镜及相机探测器面，其特征在于：在所述主透镜与相机探测器面之间还设置有一微透镜阵列，所述微透镜阵列的虚拟焦平面与所述主透镜的虚拟像面共面，所述微透镜阵列将进入所述主透镜的光线成像于所述相机探测器面上不同像素上。所述主镜头是由多片镜片组成的镜头组。所述探测器面被所述微透镜阵列划分为M×N个子图像，各子图像包含的像素为P×Q。其中，M，N，P，Q都大于等于2。一种火焰三维温度场测量装置，包括成像装置以及图像处理单元，其特征在于，所述成像装置用于获取记录有光线强度信息和方向信息的光场图像，该成像装置包括主透镜及相机探测器面，在所述主透镜与相机探测器面之间还设置有一微透镜阵列，所述微透镜阵列的焦平面与所述主透镜的虚拟像面共面，所述微透镜阵列将进入所述主透镜的光线成像于所述相机探测器面上不同像素上；所述图像处理单元，根据光场图像记录的光线方向信息得到虚拟光源点的坐标；根据虚拟光源点的坐标和探测器面上像素的坐标，计算虚拟光源点辐射到探测器面上像素点的光程；根据光场图像记录的光线强度信息和光程，计算虚拟光源点的辐射强度；根据虚拟光源点的辐射强度得到火焰三维温度场的火焰温度。一种火焰三维温度场测量方法，其特征在于，步骤如下：步骤一、对成像装置的辐射强度进行标定：曲线拟合图像灰度均值与对应辐射强度值的关系；步骤二、对成像装置的光学参数进行标定：确定微透镜阵列的虚拟焦平面与相机探测器面之间的距离、虚拟焦平面与主透镜等效面之间的距离以及主透镜等效面与主镜头虚拟像面之间的距离；步骤三、使用成像装置拍摄火焰图像，根据火焰图像的灰度信息，使用步骤一拟合得到的灰度值与对应辐射强度的关系式，计算火焰图像各像素的灰度值对应的辐射强度值；步骤四、从相机探测器面上每个像素点开始逆向追踪像素对应光线，确定对应的虚拟光源点的坐标；根据对应的虚拟光源点的坐标和机探测器面上每个像素点的坐标计算对应虚拟光源点辐射到探测器面上每个像素点的光程；根据得到的光程及火焰图像中像素点对应的辐射强度值，采用基于像素对应光线强度的辐射传输方程，计算虚拟光源点的辐射强度值；步骤五、根据虚拟光源点的辐射强度值计算虚拟光源点的温度值从而得到火焰的三维温度场。所述步骤四虚拟光源点的坐标(Ox，Oy)采用如下公式确定：式中，f是主镜头的焦距，β是主镜头的横向放大率，so是虚拟焦平面到主镜头等效面的距离，l为主透镜等效面到虚拟像面的距离，sv是虚拟像面到微透镜阵列的距离，(X，Y)是主透镜等效面中心点的坐标，(Vx，Vy)为虚拟像点的坐标；式中，βm是微透镜阵列的横向放大率，fm为微透镜阵列上微透镜的焦距，lm为相机探测器面到微透镜阵列的距离，(Px，Py)为相机探测器面上像素点的坐标。所述步骤四虚拟光源点的辐射强度值的计算方法为：将火焰按径向r，轴向z和周向ψ划分成m个控制体，建立基于像素对应光线强度的辐射传输方程：式中，I±L为火焰光线沿L方向的辐射强度,τL为虚拟光源点发出的光线沿相应方向，通过每个控制体的光程，其涉及到的火焰衰减系数，可以使用已有的研究数据作为近似值。Ib为每个控制体的黑体辐射强度；将上述辐射传输方程离散化，各像素对应光线的辐射传输方程组成线性方程组如下式所示：式中，In为探测面探测到的光线强度；Ibi和τi分别为光线穿过的第i(1～n)个控制体的黑体辐射强度和光程，同理，Ibn和τn分别为光线穿过的最后一个控制体的黑体辐射强度和光程，I为相机探测面上所有能够探测到光线的像素的光强值组成的向量：I＝A·IBIB为火焰所有控制体的黑体辐射强度组成的向本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种火焰三维温度场测量装置，包括成像装置以及图像处理单元，其特征在于：所述成像装置，用于获取记录有光线强度信息和方向信息的光场图像，该成像装置包括主透镜及相机探测器面，在所述主透镜与相机探测器面之间还设置有一微透镜阵列，所述微透镜阵列的焦平面与所述主透镜的虚拟像面共面，所述微透镜阵列将进入所述主透镜的光线成像于所述相机探测器面上不同像素上；所述图像处理单元，根据光场图像记录的光线方向信息得到虚拟光源点的坐标；根据虚拟光源点的坐标和探测器面上像素的坐标，计算虚拟光源点辐射到探测器面上像素点的光程；根据光场图像记录的光线强度信息和光程，计算虚拟光源点的辐射强度；根据虚拟光源点的辐射强度得到火焰三维温度场的火焰温度。

【技术特征摘要】
1.一种火焰三维温度场测量装置，包括成像装置以及图像处理单元，其特征在于：所述成像装置，用于获取记录有光线强度信息和方向信息的光场图像，该成像装置包括主透镜及相机探测器面，在所述主透镜与相机探测器面之间还设置有一微透镜阵列，所述微透镜阵列的焦平面与所述主透镜的虚拟像面共面，所述微透镜阵列将进入所述主透镜的光线成像于所述相机探测器面上不同像素上；所述图像处理单元，根据光场图像记录的光线方向信息得到虚拟光源点的坐标；根据虚拟光源点的坐标和探测器面上像素的坐标，计算虚拟光源点辐射到探测器面上像素点的光程；根据光场图像记录的光线强度信息和光程，计算虚拟光源点的辐射强度；根据虚拟光源点的辐射强度得到火焰三维温度场的火焰温度。2.一种采用权利要求1所述测量装置测量火焰三维温度场的方法，其特征在于，步骤如下：步骤一、对成像装置的辐射强度进行标定：曲线拟合图像灰度均值与对应辐射强度值的关系；步骤二、对成像装置的光学参数进行标定：确定微透镜阵列的虚拟焦平面与相机探测器面之间的距离、虚拟焦平面与主透镜等效面之间的距离以及主透镜等效面与主镜头虚拟像面之间的距离；步骤三、使用成像装置拍摄火焰图像，根据火焰图像的灰度信息，使用步骤一拟合得到的灰度值与对应辐射强度的关系式，计算火焰图像各像素的灰度值对应的辐射强度值；步骤四、从相机探测器面上每个像素点开始逆向追踪像素对应光线，确定对应的虚拟光源点的坐标；根据对应的虚拟光源点的坐标和机探测器面上每个像素点的坐标计算对应虚拟光源点辐射到探测器面上每个像素点的光程；根据得到的光程及火焰图像中像素点对应的辐射强度值，采用基于像素对应光线强度的辐射传输方程，计算虚拟光源点的辐射强度值；步骤五、根据虚拟...

【专利技术属性】
技术研发人员：许传龙，孙俊，张彪，王式民，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32