多光谱辐射层析重建三维火焰温度场

提出一种基于多光谱辐射测温理论及光学层析技术的三维温度场重建方法。建立了基于参考温度的多光谱测温法数学模型，提出了一种基于模拟退火理论的变松弛因子的光学层析技术新算法，通过计算机数值模拟，详细考察了该算法对非对称温度场分布的重建效果并与传统的代数迭代重建算法及滤波反投影算法进行比较。计算结果表明，变弛豫因子重建算法重建精度最高。作为一个应用实例，用多光谱辐射变弛豫因子重建层析方法重建了四峰蜡烛火焰某一截面的温度分布。     

半透明介质场参数的非接触测量算法研究

本文在考虑半透明介质吸收、发射以及散射衰减作用的情况下采用视在光线法计算某探测方向上介质边界出射辐射强度分布作为逆问题的输入数据,采用LSQR方法在介质辐射特性参数已知情况下重建介质三维温度分布,重建结果显示,无论有无测量误差存在,利用LSQR方法都可以在已知辐射特性参数的条件下很好地重建出介质的三维温度场。在此基础上提出LSQR-SPSO混合算法,并应用于同时重建三维温度场及辐射特性参数(吸收系数、散射系数)。计算结果显示,无论有无测量误差存在,利用LSQR-SPSO混合算法都可以很好地同时重建出介质的吸收系数、散射系数及三维温度场,相比较而言,介质的温度场更容易被重建出来。     

多焦距微透镜阵列光场成像火焰三维温度场测量

多焦距微透镜阵列可提高聚焦光场相机的深度分辨率。为了研究多焦距微透镜阵列对光场成像火焰三维温度场测量的影响,本文在火焰辐射光场成像模型的基础上,分析了单焦距微透镜阵列和多焦距微透镜阵列的火焰辐射光场成像特征,计算了两种不同微透镜阵列下的火焰辐射图像,根据火焰光场图像重建了火焰的三维温度场。开展了多焦距微透镜阵列聚焦光场相机火焰三维温度场重建的实验研究,并对数值计算和实验结果进行了分析。     

蜡烛火焰三维温度场重建实验研究

本文在实验室中以蜡烛火焰为研究对象,研究采用辐射图像处理技术重建蜡烛三维温度场。并采用细丝热电偶实测火焰局部温度,对蜡烛火焰三维温度场可视化的结果进行了比较。结果表明,火焰高温区的重建温度是合理的,此方法能够很好地重建单峰、双峰三维温度分布。进一步证实了基于火焰图像处理技术实现三维温度场可视化的可行性。     

炉膛三维温度场重建中Tikhonov正则化和截断奇异值分解算法比较

在煤粉锅炉诊断中火焰辐射能图像扮演着越来越重要的角色, 通过电荷耦合器件(CCD)获得的辐射能图像可以重建出炉内火焰三维温度场, CCD 用于获取视场角内的辐射能图像. 温度场重建的矩阵方程是一个严重病态的方程, 本文使用两种算法(Tikhonov正则化算法和截断奇异值分解(TSVD)算法)来重建温度场. 应用广义交叉检验算法来选取正确的正则化参数. 数值模拟的环境为一个10 m×10 m×10 m的三维炉膛, 系统被划分为10×10×10的1000个网格, 每个网格单元都是边长为1 m的立方体. 在正问题求解所得到的CCD接受信号基础上加上不同随机误差以模拟测量时的CCD接受信号. 研究两种算法重建后的温度重建误差、两者的重建时间, 以及最高温度的重建效果. 初步的研究结果显示, 一般情况下基于Tikhonov算法重建的温度场比基于TSVD算法重建的温度场误差要小, 计算所需时间短, 最高温度重建更准确.     

基于单光场相机的火焰三维温度场测量

相比于传统相机,光场相机不仅可记录投射到相机探测器上光线的强度,而且能分辨光线的方向。本文在光场成像技术基础上,提出一种基于单光场相机的火焰三维温度场测量新方法。建立了基于光场成像的火焰辐射正向计算模型,追迹了燃烧火焰投射到光场相机探测器上每个像素对应的辐射光线,并用源项六流法(SSF)计算了对应光线的辐射强度,获得了光场相机探测面强度分布。建立了基于QR分解的最小二乘算法温度场反演模型,获得了火焰的三维温度场,并对温度场反演结果进行了分析。计算结果证明了该方法测量火焰三维温度场的可行性。     

三维复杂温度场高精度声学测量方法

声学温度场检测技术通过多路径声波传播时间数据,反演被测区域的温度分布。提供了一种高精度的三维复杂温度场的声学测量方法。首先从射线声学角度给出了三维非均匀温度场中声波传播路径的数学模型。在此基础上,将三维温度场的重建问题转化为声波传播路径的求解和温度场的反演问题,建立了基于多项式修正径向基函数(RBF-PR)和改进的Tikhonov正则化三维温度场重建算法。采用两种典型的炉膛三维温度场模型,在信噪比SNR=35 dB下进行了数值模拟,分析了声波传播路径在非均匀温度场中的弯曲特性、算法的重建质量和抗噪性,同时进行了实际炉膛内二维温度场的重建。结果表明了提出的考虑声线弯曲的温度场重建算法具有精度高,抗噪性强、适用性好的特点,为实现高精度的复杂温度场的声学测量提供了有效方法。      

非对称碳氢扩散火焰内烟黑浓度与温度联合重建模型研究

基于烟黑热辐射传递过程,提出了非对称碳氢扩散火焰断面内烟黑浓度和温度分布的联合层析重建模型.应用最小二乘QR矩阵分解算法模拟分析了传感器数量和布置方式对重建结果的影响以及模型的抗噪能力.计算结果表明,当4个320像素线阵电荷耦合辐射投影传感器(CCD)成非正对布置时,浓度场重建结果最大误差小于2.5%,温度场重建结果最大误差小于0.2%.此外CCD正对布置将导致重建误差向中心聚集.从对含噪声数据的重建结果看,应用联合层析重建模型,辐射能传感器的信噪比不应低于60dB. 关键词： 非对称火焰 层析重建 最小二乘QR矩阵分解算法 联合重建     

发射率限定辐射测温原理

辐射测温技术随着辐射测量传感器技术的进步而不断进步,已经由单波长测温发展到多波长和多波段测温,由点温测量发展到二维甚至三维温度场测量。但是在辐射测温更精确反演方面,却很难克服因发射率未知性而引起的模型构建误差。发射率行为难以确定并极大地影响了测温精度,急需发展一种具有通用性,不受发射率具体行为限制,具有较高稳定性的辐射测温方法。双波长测温适用于发射率具有灰体行为的物体温度测量,一系列的发射率补偿算法和波长选择方法均未能很好地实现通用性测量,往往直接单色测量可能误差比比色法更小。多波长测温得到广泛应用,但并不是波长越多越好,发射率模型仍然具有较大局限性。提出了发射率直接限定算法和发射率松驰限定算法来反演温度。在发射率限定条件相同时,这两种方法是等价的。发射率松驰限定算法基于最小二乘算法和松驰因子进行真温求解。推导了松驰限定法的误差传递公式,发现在保证测量信号强度的前提下,λT越小温度误差越小;发射率行为对温度相对误差具有重要影响,在相同的λT条件下,发射率随波长变化越大,在限定区间上覆盖越均匀,测量误差越小。但从直接限定算法可以看出所测波长数越多,测量误差越小。两种方法均可以看出,减少限定区间长度也可以显著地提高测量精度。     

火焰烟黑三维温度场和浓度场同时重建实验研究

利用电荷耦合器件摄像机采用烟黑温度场和浓度场同时重建模型对自由火焰烟黑的三维温度场和浓度场进行了同时重建实验研究,所利用的重建模型是基于区域重建的方法.将重建的烟黑温度场和浓度场与文献结果进行了对比,而且还将重建温度场与热电偶所测量的温度场进行了对比.结果表明,重建的烟黑温度场和浓度场与文献结果趋势相一致,重建温度值与热电偶测量值符合较好.因此,同时重建模型可以较好地重建出火焰烟黑的三维温度场和浓度场. 关键词： 火焰烟黑 温度场 浓度场 三维同时重建     

Investigation and optimization of sampling characteristics of light field camera for flame temperature measurement

It is essential to investigate the light field camera parameters for the accurate flame temperature measurement because the sampling characteristics of the flame radiation can be varied with them. In this study, novel indices of the light field camera were proposed to investigate the directional and spatial sampling characteristics of the flame radiation. Effects of light field camera parameters such as focal length and magnification of the main lens, focal length and magnification of the microlens were investigated. It was observed that the sampling characteristics of the flame are varied with the different parameters of the light field camera. The optimized parameters of the light field camera were then proposed for the flame radiation sampling. The larger sampling angle(23 times larger) is achieved by the optimized parameters compared to the commercial light field camera parameters. A non-negative least square(NNLS) algorithm was used to reconstruct the flame temperature. The reconstruction accuracy was also evaluated by the optimized parameters. The results suggested that the optimized parameters can provide higher reconstruction accuracy for axisymmetric and non-symmetric flame conditions in comparison to the commercial light field camera.     

Reconstruction model for temperature and concentration profiles of soot and metal-oxide nanoparticles in a nanofluid fuel flame by using a CCD camera

This paper presents a numerical study on the simultaneous reconstruction of temperature and volume fraction fields of soot and metal-oxide nanoparticles in an axisymmetric nanofluid fuel sooting flame based on the radiative energy images captured by a charge-coupled device(CCD) camera. The least squares QR decomposition method was introduced to deal with the reconstruction inverse problem. The effects of ray numbers and measurement errors on the reconstruction accuracy were investigated. It was found that the reconstruction accuracies for volume fraction fields of soot and metaloxide nanoparticles were easily affected by the measurement errors for radiation intensity, whereas only the metal-oxide volume fraction field reconstruction was more sensitive to the measurement error for the volume fraction ratio of metaloxide nanoparticles to soot. The results show that the temperature, soot volume fraction, and metal-oxide nanoparticles volume fraction fields can be simultaneously and accurately retrieved for exact and noisy data using a single CCD camera.     

基于代数迭代算法的燃烧火焰温度场和气体浓度场重建研究

基于TDLAS(tunable diode laser absorption spectroscopy)技术,以水汽作为目标气体,采用直接吸收的测量方式,探测了甲烷空气预混平焰炉燃烧区域水汽的吸收光谱信号,通过ART(algebraic reconstruction technique)代数迭代算法对燃烧场温度和水汽浓度分布进行了模拟重建和实验研究,模拟重建采取5×5共25个网格的正方形重建区域,假定25个网格的一个温度浓度二维分布,模拟28条激光束从不同的角度方位穿越重建区域,得到模拟射线下的投影值,经ART算法重建,结果显示温度场和水汽浓度场的重建偏差均在1%以内。实验采用分布反馈式激光器作为光源,选取H₂O的7 153.722,7 153.748和7 154.354 cm-1三条吸收线作为测温谱线,其中前两条线不区分作为一条吸收线来处理。使用平移台多方位平行扫描,共获取30路光谱吸收信号,经数据处理、算法重建和双线比值法测温原理得到了圆形平焰炉16个不同区域的温度浓度值,且炉面偏向中心区域温度浓度值较高,边缘较小,结果表明代数迭代算法能够很好地实现燃烧区域温度场和水汽浓度场的反演。     

一种少投影光学层析新算法及其应用

研究少投影数情况下等离子体温度场重建问题。结合光学层析重建算法及等离子体光谱诊断中的谱线绝对强度法进行自由电弧等离子体温度场重建实验。理论上，详细讨论了一种基于最大熵准则及最优化原理的光学层析图像重建新算法。通过计算机数值模拟，考察了该算法对非对称温度场分布的重建效果。详细分析了投影噪声、投影方向数、场分布性质对重建精度的影响，并与代数迭代重建算法结果进行对比．结果表明，该算法以两个正交方向投影数据重建单峰余弦模拟场平均误差仅为0.3％，而代数迭代重建算法为3．81％；该算法以四个均匀角度间隔投影数据重建三峰随机高斯模拟场平均误差为1．77％，而代数迭代重建算法为2．02％。实验中，运用该算法结合谱线绝对强度法重建了自由电弧等离子体的温度分布。     

基于离轴积分腔输出光谱的燃烧场CO浓度测量研究

CO是碳氢燃料不完全燃烧的重要产物,常常被作为反应燃烧效率的标志物,燃烧场CO组分浓度的精确测量对提高燃烧效率、减少污染物排放具有重要意义。离轴积分腔输出光谱（OA-ICOS）是一种利用物质对激光的特异性吸收,实现对该物质分析和测量的技术,具有非接触、稳定和高灵敏度等优点。针对燃烧场CO浓度低,背景信号干扰强等特点,采用分布反馈式（DFB）激光器搭建基于离轴积分腔输出光谱的CO浓度测量系统,通过直接吸收光谱的测量方法实现对高温燃烧场CO浓度测量。利用仿真模拟的方法,在所用激光器中心波长的附近选出了常温下谱线强度较为突出,高温下不受其他燃烧产物干扰的第一泛频带R(10)吸收谱线。通过固定光程池对比吸光度的方法标定了OA-ICOS系统的有效光程;通过比较不同扫描频率下吸收谱线的信噪比和线型拟合残差标准差,得到最佳波长扫描频率;通过测量不同浓度CO混合气体的吸收信号分析了系统误差。探究了不同燃烧情况下CH₄/Air预混平焰炉上CO的产生情况,根据燃烧场测量区域温度分布情况描述了温度分布不确定度对CO测量结果的影响。当量比为1.0时,在10 ms的测量时间分辨率下,噪声等效灵敏度（NEAS）为3.67×10-7 cm-1·Hz-1,系统测量误差小于4.5%,燃烧场测量区域温度分布不确定度带来的CO浓度测量不确定度为5.6%。改变当量比从0.8到1.2时,得到平均温度变化范围为1 275~1 368 K,CO浓度变化范围为0.041%~1.57%。研究发现随着当量比的提高,燃烧场温度和CO浓度均呈上升趋势。实验结果表明将离轴积分腔输出光谱技术应用于燃烧场气体参数测量具有信噪比高、检测灵敏度高等优点,可以实现痕量气体组分浓度的精确测量。     

Simulation study on reconstruction model of three-dimensional temperature distribution within visible range in furnace

This paper presents a reconstruction model of three-dimensional temperature distribution in furnace based on radiative energy images captured by charge-coupled device （CCD） cameras within the visible wavelength range. Numerical simulation case was used in this study and a zigzag eccentric temperature distribution was assumed to verify the model. Least square QR-factorization （LSQR） method was introduced to deal with reconstruction equation. It is found that the reconstructed temperature distributions in low-temperature areas had some fluctuations and high-temperature areas were reconstructed well. The whole reconstruction relative error was mainly due to errors in low-temperature areas and the relative error for highest-temperature reconstruction was quite small.     

基于光学参考棒的立体视觉测量系统现场标定技术

为实现大空间复杂工件的准确测量,精确标定立体视觉系统变得越来越重要。为了克服传统立体摄像机标定过程繁复、户外实现困难的弱点,提出了一种基于光学参考棒的灵活、有效的立体视觉测量系统标定技术。参考棒水平和深度方向各有三个距离已知的红外LED作为特征点。通过在测量范围内的不同位置和方位移动光学参考棒,两像机同时捕获参考棒上特征点的图像。基于匹配的特征像点以及对极线约束,利用线性算法和Levenberg-Marquardt(LM)迭代算法快速地标定立体视觉测量系统。两像机之间平移量的比例因子由参考棒上特征点间的已知距离确定。参量标定过程中,自动地控制光强,优化曝光时间,使不同位置处光点图像的强度均一致,可以获得高的信噪比,提高标定精度。实验结果表明,该方法灵活、有效,在线标定能达到很高的精度,将现场标定过程应用到实际的大空间三维测量系统中,测量最大误差为0.18 mm。     

Three-dimensional visualization of diffusion flame shapes under acoustic excitation using stereoscopic imaging and reconstruction technique

Stereoscopic imaging and reconstruction technique is introduced to reconstruct the flame structures that are subject to acoustic excitation. The laminar diffusion flame under investigation was created in a cylindrical tube and excited by a loudspeaker. Stereo images were taken at a shutter speed of 1/10000^th second using a ‘stereo camera’ and the depth cue of the flame structures along the camera viewing direction were then computed using machine vision methodology. By visualizing the computed three-dimensional flame models, as well as judging the corresponding attribute such as surface gradient, the understanding of the flame and acoustic wave interaction could be improved.