一种火焰温度场测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及火焰三维检测和重建技术领域，更具体地，提供了一种基于单相机内窥背景纹影层析成像技术的火焰温度场测量的装置及方法，采用一台高速相机和多合一内窥镜结合的成像系统，利用基于折射率梯度测量原理的背景纹影层析技术，通过拍摄在有无待测火焰时的两张图片，结合光流算法或者互相关算法来获得光线在经过待测气体后的偏折角度。然后通过代数迭代算法重建火焰的折射率场，结合Gladstone‑Dale公式，将折射率场推演到密度场，再根据理想气体状态方程，将密度场推演到温度场。该发明专利技术装置简单，测试成本低，只需要一台高速相机，即能够实现瞬态火焰三维温度场的重建。

A measuring device and method of flame temperature field

【技术实现步骤摘要】
一种火焰温度场测量装置及方法
本专利技术涉及计算成像和燃烧诊断领域，具体地，涉及一种火焰温度场测量的装置及方法。
技术介绍
航空发动机燃烧室内的燃烧情况直接影响了其性能和寿命，燃烧诊断是获得火焰燃烧参数的重要方式，随着计算机、激光和传感器技术的突破，三维燃烧诊断技术得到了显著的发展。从技术路线上看，火焰三维成像技术主要有三种方式实现。第一种方式采用平面成像技术，通过旋转反射镜将激光束投射到火焰的不同高度，进行逐层扫描成像。由于该技术在扫描方向上只能对少量火焰切片进行成像，因此空间分辨率较低。另外，因为这些切片在不同时刻获得，所以该技术并不能捕捉瞬态的火焰结构。因此，对于高速动态变化的湍流火焰如超声速燃烧流，通过此方法所获得的三维火焰结构则会存在较大误差。第二种三维火焰成像技术则基于光场成像的概念。该方法通过使用微透镜阵列可实现一个相机对多个火焰投影的同时采集，可大大降低实验成本。该技术已被用于实现火焰三维温度场的重建。然而，由于视场和空间分辨率间存在的相互制约关系，在保证视场的情况下，该技术所能实现的空间分辨率较低。第三种基于层析成像的方法，即在多个角度同时捕捉火焰某种物理量场的二维投影并通过层析反演获得该物理量的三维分布。根据是否需要激发光源，三维层析成像技术又可分为主动式和被动式两种。被动式无需激发光源，而只需探测火焰的自发光如CH*和OH*的化学发光；而主动式则需要通过高功率脉冲激光器形成激光柱激发火焰中的特定组分，从而产生如激光诱导荧光、激光诱导白炽光、Mie散射等信号。最近几年，火焰三维层析成像技术取得了较大的进展，获得了广泛的应用，也有许多问题亟待解决，如测试装置成本过高，只能检测单一物理量或者组分。背景纹影层析技术的测试装置简单，能够实现气体折射率场的检测，根据测得折射率场可以演算到密度场和温度场，在此基础上采用内窥镜头和高速相机组合系统，设计出一种低成本，高时空分辨率的火焰三维温度场测量的装置及方法。该测试系统能很好的解决目前火焰检测中存在的问题。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于单相机内窥背景纹影层析成像技术的火焰三维温度场的检测装置和方法，通过检测有无目标场时的两张图像，同时获得整个火焰区域的折射率场、密度场、温度场的瞬态分布情况，实现多物理场的同步连续测量。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案如下：一种火焰温度场测量装置，包括背景板，设置在待测火焰区域一侧，用于提供图像检测的背景；光源，设置在所述背景板的斜侧方，光源朝向所述背景板区域；内窥镜，设置在待测火焰区域相对于所述背景板的另一侧，内窥镜有多个入射端和一个出射端，每个入射端配备一个镜头并对焦至背景板，多个入射端分多个角度对准待测火焰，可以将多个入射端采集的多路图像汇聚到一个出射端上输出；图像检测系统，与所述内窥镜出射端相连，可以采集与处理出射端输出的图像。进一步的，所述图像检测系统包括相机、滤光片、图像处理装置。所述相机镜头朝向所述内窥镜出射端且对焦在内窥镜出射端面上。所述滤光片加装在所述相机镜头前，所述图像处理装置和所述相机相连，可以接收和处理所测得的火焰投影图像，重建火焰的三维场分布。火焰测量和重建的方法包括以下步骤：步骤a：打开光源，进行系统标定，获得系统坐标参数。步骤b：用图像检测系统拍摄无待测火焰时背景板图片。然后将火焰产生装置放在待测火焰区域。步骤c：用图像检测系统拍摄有待测火焰时的背景板图片，计算有无待测火焰时相机记录下的随机点偏移量。步骤d：根据步骤c中记录下的随机点的偏移量，计算出光线的偏折角，并建立折射率分布场和偏折角之间的关系，即光线方程。将从多个角度测量追踪的背景板发出的光线对应的光线方程合并成方程组，建立起折射率场的反演模型。步骤e：采用代数重建法对步骤d中的反演问题进行求解，设置合理的松弛因子进行迭代求解，重建待测区域的折射率场分布情况。步骤f：将得到的折射率场结合Gladstone-Dale公式(格拉斯顿-代尔公式，描述了气体折射率和气体密度之间的关系)可以计算出重建火焰区域的密度场，再由理想气体状态方程，则可以根据得到的密度计算出目标火焰的温度分布。进一步的，所述的光源为高功率LED灯，能实现较好的信噪比，且相对于激光光源更加安全，也不需要对光线进行扩束。进一步的，所述的滤光片为窄带滤光片，可以过滤火焰的宽谱辐射。进一步的，为了尽可能地使各个角度拍摄的投影不一样，增加重建时光线方程的独立性，多个内窥镜入射端采集角度布置原则是均匀地分布在以待测火焰区域为中心的平面180度范围内。进一步的，通过重复执行步骤c至步骤f能够实现对三维火焰瞬态多物理场(折射率场、密度场、温度场)的三维连续测量。进一步的，步骤a中的单相机内窥背景纹影系统标定包括如下步骤：步骤S1：使用一张标定板(类似国际象棋棋盘)于待测区域中心附近。从多个(相当于内窥镜镜头个数)角度同时采集棋盘格的图像。步骤S2：提取棋盘格中黑白格子的交点，获得这些交点在相机坐标系和世界坐标系的坐标。步骤S3：通过棋盘格交点在两个坐标系的坐标，结合张正友标定算法获得所需的标定参数。进一步的，步骤b中的背景板图片的背景噪点是采用代码生成的伪随机噪点，噪点密度控制在25％。进一步的，步骤c中，计算图片中的位移采用的算法选择互相关算法或光流算法。互相关算法的具体流程包括以下步骤：(1)选取诊断窗口，可以选用块状区域作为互相关诊断窗口，窗口尺寸根据实际测量情况确定。(2)采用快速傅里叶变换求解两幅图片中的窗口区域的灰度分布函数之间的互相关函数。(3)确定互相关的函数的峰值对应的位移即为随机点所对应的位移。光流算法求解的过程如下：(1)光流算法中两次拍摄图片中亮度变化完全由物体运动引起，同一随机点两次拍摄的图片上对应的亮度保持不变，由此约束可以建立起亮度不变约束条件。(2)根据实际测试需要引入第二个约束条件，不同约束条件对应不同算法。(3)根据约束条件建立光流估计误差，根据误差最小求出光流矢量，即两次拍摄图片中物体位置变化的矢量，随机点的位移也就确定了。进一步的，步骤d中反演计算模型是一个基于光线在非均匀介质中传播的光线方程组，其构建过程包括以下步骤：步骤Q1：将待测火焰区域离散分为I×J×K个立方体体素(I、J、K分别为沿着x、y、z三个方向的体素数目)。步骤Q2：假设每个体素内折射率一致，将光线偏折角即折射率梯度的积分对应的光线方程离散化成为线性方程，不同光线构成了一个方程组即为折射率场的反演计算模型。进一步的，步骤e中采用的迭代松弛因子取值在0-2之间。进一步的，步骤e中采用的迭代算法设置两个终止条件：迭代残差小于设定值与迭代次数大于设定值。进一步的，步骤f中Gladstone-Dale常数采用充分燃烧假设，根据燃烧产物组分计算得到。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：1、本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种火焰温度场测量装置，包括/n背景板，设置在待测火焰区域一侧，用于提供图像检测的背景；/n光源，设置在所述背景板的斜侧方，光源朝向所述背景板区域；/n内窥镜，设置在待测火焰区域相对于所述背景板的另一侧，内窥镜有多个入射端和一个出射端，每个入射端配备一个镜头，多个入射端分多个角度对准待测火焰，可以将多个入射端采集的多路图像汇聚到一个出射端上输出；/n图像检测系统，与所述内窥镜出射端相连，可以采集与处理出射端输出的图像。/n

【技术特征摘要】
1.一种火焰温度场测量装置，包括
背景板，设置在待测火焰区域一侧，用于提供图像检测的背景；
光源，设置在所述背景板的斜侧方，光源朝向所述背景板区域；
内窥镜，设置在待测火焰区域相对于所述背景板的另一侧，内窥镜有多个入射端和一个出射端，每个入射端配备一个镜头，多个入射端分多个角度对准待测火焰，可以将多个入射端采集的多路图像汇聚到一个出射端上输出；
图像检测系统，与所述内窥镜出射端相连，可以采集与处理出射端输出的图像。


2.根据权利要求1所述的一种火焰温度场测量装置，其特征在于：所述图像检测系统包括相机、滤光片、图像处理装置。所述相机镜头朝向所述内窥镜出射端；所述滤光片加装在所述相机镜头前；所述图像处理装置和所述相机相连，可以接收和处理所测得的图像。


3.根据权利要求1所述的一种火焰温度场测量装置，其特征在于：所述的光源为高功率的LED灯。


4.根据权利要求2所述的一种火焰温度场测量装置，其特征在于：所述的滤光片为能过滤火焰宽谱辐射的窄带滤光片。


5.根据权利要求1所述的一种火焰温度场测量装置，其特征在于：多个内窥镜入射端采集角度是均匀地布置在以待测火焰区域为中心的平面180度范围内。


6.一种火焰温度场测量方法，结合权利要求1-5任一项所述的火焰温度场测量装置，其特征在于：火焰测量和重建的方法包括以下步骤：
步骤a：打开光源，进行系统标定，获得系统坐标参数。
步骤b：用图像监测系统采集无待测火焰时的背景板图片。然后将火焰产生装置放在待测火焰...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡伟伟，刘何聪，彭范，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31