基于微透鏡陣列與連續激光的火焰溫度泛尺度光場探測方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于高溫熱輻射測量技術領域，尤其涉及一種基于微透鏡陣列與連續激光 的火焰溫度泛尺度光場探測方法。
【背景技術】
[0002] 高溫燃燒現象廣泛存在于航空航天、能源動力、鋼鐵冶金、化工等領域，如火箭發 動機、燃氣輪機、內燃機、電站鍋爐、煤氣化反應器等高溫設備中。火焰溫度場的測量對于燃 燒診斷具有十分重要的意義。常用的溫度場測量方法主要包括接觸式測溫和非接觸式測溫 兩類，其中非接觸式測溫方法因為其不干擾流場、測量精度高、實時連續測量等優點而得到 了越來越廣泛的應用。光場成像技術是一種典型的非接觸式測溫技術，可通過一次成像獲 取三維全場輻射數字化信息。
[0003] 對于非接觸式測溫技術，其關鍵問題在于建立高效、準確、穩定的介質溫度場重建 算法。參與性介質溫度場反演屬于典型的不適定問題，尤其是當介質的輻射特性參數未知 時，需要同時反演介質的溫度場和輻射特性參數，這給問題求解帶來了很大困難。
[0004] 利用反演的方法測量半透明介質的輻射物性，通常需要利用半透明材料表面的擴 散光信號，目前對擴散光信號的測量主要有三種方法:時域測量、頻域測量和穩態測量。
[0005] 火焰光場探測中的熱輻射傳輸過程，會涉及到空間、時間、角度、頻率四個變量的 多個數量級變化，如:對于采用微透鏡陣列技術的光場相機而言，由于被探測火焰與相機鏡 頭之間巨大的幾何尺度差異，通過微透鏡進行探測角度離散后的探測像元所代表的探測角 度范圍與相機自身的探測角度范圍又存在著兩個數量級以上的差距，此時的泛尺度分析就 十分必要，然而現有技術中對于泛尺度分析領域卻缺乏研究。
【發明內容】
[0006] 本發明是為了適應火焰光場探測中對于泛尺度分析的需求，現提供基于微透鏡陣 列與連續激光的火焰溫度泛尺度光場探測方法。
[0007] 基于微透鏡陣列與連續激光的火焰溫度泛尺度光場探測方法，該方法是基于下述 裝置實現的，所屬裝置包括:激光控制器1、激光頭2、光電探測器4、數據采集處理系統5和微 透鏡陣列光場相機6;
[0008]激光控制器1的激光控制信號輸出端連接激光頭2的激光控制信號輸出端，光電探 測器4均勻分布在火焰3周圍，光電探測器4的光電探測信號輸出端連接數據采集處理系統5 的光電探測信號輸入端，微透鏡陣列光場相機6的斷層三維輻射場信號輸出端連接數據采 集處理系統5的斷層三維輻射場信號輸入端；
[0009] 所述方法包括以下步驟：
[0010] 步驟一:開啟激光控制器1，使激光頭2發射出的連續激光入射到火焰3上，然后使 激光頭2順時針旋轉，且每次旋轉的角度均為30°，直至激光頭2旋轉回初始位置，激光頭2每 旋轉一次則利用光電探測器4采集一次火焰3透射或反射出的激光，然后將光電探測器4獲 得的所有光電探測信號發送至數據采集處理系統5中，數據采集處理系統5分別對其獲得的 光電探測信號進行處理，獲得火焰3邊界的出射光譜輻射強度值Imi，i為激光頭2旋轉次數，i =1，2, · · ·，12;
[0011] 步驟二:關閉激光控制器1，保持火焰3穩定，利用微透鏡陣列光場相機6從單角度 成像獲取完整的火焰3斷層三維輻射場信號，然后將該火焰3斷層三維輻射場信號發送至數 據采集處理系統5,數據采集處理系統5對火焰3斷層三維輻射場信號進行處理，獲得火焰3 自身的出射光譜輻射強度測量值In;
[0012] 步驟三:將步驟一獲得的火焰3邊界的出射光譜輻射強度值Imi分別與步驟二獲得 的火焰3自身的出射光譜輻射強度測量值U乍差，獲得消除了自輻射的光譜輻射強度測量 值Mi;
[0013] 步驟四：根據逆問題算法假設火焰光譜輻射物性參數為k，將該火焰光譜輻射物性 參數k代入穩態輻射傳輸方程，并對該穩態輻射傳輸方程求解獲得消除了自輻射的光譜輻 射強度估計值Ei;
[0014] 步驟五：以步驟三獲得的光譜輻射強度測量值1與步驟四獲得的光譜輻射強度估 計值Ei的最小二乘作為火焰光譜輻射物性參數目標函數方程，并求解該火焰光譜輻射物性 參數目標函數方程的目標函數值，然后將該目標函數值與火焰光譜輻射物性參數的給定目 標函數閾值進行比較，判斷目標函數值是否小于給定目標函數閾值，是則步驟四中假設的 火焰光譜輻射物性參數k為真實的火焰光譜輻射物性參數，然后執行步驟六，否則返回步驟 四；
[0015] 步驟六:利用真實的火焰光譜輻射物性參數和逆問題算法假設火焰溫度場為T，將 假設火焰溫度場T代入火焰3的溫度場福射傳輸方程，并對火焰3的溫度場福射傳輸方程求 解獲得火焰3自身的出射輻射強度估計值Γ η;
[0016] 步驟七:利用步驟二獲得的出射光譜輻射強度測量值Ιη和步驟六獲得的出射輻射 強度估計值Γη構造溫度場目標函數方程，并求解該溫度場目標函數方程的溫度場目標函 數值，然后將該溫度場目標函數值與溫度場給定目標函數閾值進行比較，判斷該溫度場目 標函數值是否小于溫度場給定目標函數閾值，是則步驟六中假設的火焰溫度場Τ為火焰3的 真實溫度場，完成火焰溫度泛尺度光場探測，否則返回步驟六。
[0017] 本發明所述的基于微透鏡陣列與連續激光的火焰溫度泛尺度光場探測方法，主要 包括:高溫火焰輻射測量、高溫火焰輻射特性參數計算、溫度場重建等環節。利用具有微透 鏡陣列的光場相機獲取高溫火焰不同方向上的輻射強度信息，通過將連續激光照射到火焰 上，由探測器接收到的介質邊界上的出射光譜輻射強度通過逆問題求解得到介質的光譜輻 射特性參數，結合火焰自身的出射輻射強度重建出高溫火焰的三維溫度場。通過本發明的 仿真計算，可實現對高溫火焰的輻射特性參數和溫度場的重建，并為光場相機的標定、測量 等工作提供理論基礎。
【附圖說明】
[0018] 圖1為實現步驟一時所采用的硬件的結構示意圖；
[0019] 圖2為實現步驟二時所采用的硬件的結構示意圖；
[0020] 圖3為基于微透鏡陣列與連續激光的火焰溫度泛尺度光場探測方法的流程圖。
【具體實施方式】
【具體實施方式】 [0021] 一:參照圖1、圖2和圖3具體說明本實施方式，本實施方式所述的基 于微透鏡陣列與連續激光的火焰溫度泛尺度光場探測方法，該方法是基于下述裝置實現 的，所屬裝置包括:激光控制器1、激光頭2、光電探測器4、數據采集處理系統5和微透鏡陣列 光場相機6;
[0022] 激光控制器1的激光控制信號輸出端連接激光頭2的激光控制信號輸出端，
[0023] 光電探測器4均勻分布在火焰3周圍，
[0024] 光電探測器4的光電探測信號輸出端連接數據采集處理系統5的光電探測信號輸 入端，
[0025]微透鏡陣列光場相機6的斷層三維輻射場信號輸出端連接數據采集處理系統5的 斷層三維輻射場信號輸入端；
[0026]所述方法包括以下步驟：
[0027]步驟一:開啟激光控制器1，使激光頭2發射出的連續激光入射到火焰3上，然后使 激光頭2順時針旋轉，且每次旋轉的角度均為30°，直至激光頭2旋轉回初始位置，激光頭2每 旋轉一次則利用光電探測器4采集一次火焰3透射或反射出的激光，然后將光電探測器4獲 得的所有光電探測信號發送至數據采集處理系統5中，數據采集處理系統5分別對其獲得的 光電探測信號進行處理，獲得火焰3邊界的出射光譜輻射強度值I mi，i為激光頭2旋轉次數，i =1，2, · · ·，12;
[0028] 步驟二:關閉激光控制器1，保持火焰3穩定，利用微透鏡陣列光場相機6從單角度 成像獲取完整的火焰3斷層三維輻射場信號，然后將該火焰3斷層三維輻射場信號發送至數 據采集處理系統5,數據采集處理系統5對火焰3斷層三維輻射場信號進行處理，獲得火焰3 自身的出射光譜輻射強度測量值In;
[0029] 步驟三:將步驟一獲得的火焰3邊界的出射光譜輻射強度值Imi分別與步驟二獲得 的火焰3自身的出射光譜輻射強度測量值U乍差，獲得消除了自輻射的光譜輻射強度測量 值Mi;
[0030] 步驟四：根據逆問題算法假設火焰光譜輻射物性參數為k，將該火焰光譜輻射物性 參數k代入穩態輻射傳輸方程，并對該穩態輻射傳輸方程求解獲得消除了自輻射的光譜輻 射強度估計值Ei;
[0031] 步驟五：以步驟三獲得的光譜輻射強度測量值1與步驟四獲得的光譜輻射強度估 計值Ei的最小二乘作為火焰光譜輻射物性參數目標函數方程，并求解該火焰光譜輻射物性 參數目標函數方程的目標函數值，然后將該目標函數值與火焰光譜輻射物性參數的給定目 標函數閾值進行比較，判斷目標函數值是否小于給定目標函數閾值，是則步驟四中假設的 火焰光譜輻射物性參數k為真實的火焰光譜輻射物性參數，然后執行步驟六，否則返回步驟 四；
[0032] 步驟六:利用真實的火焰光譜輻射物性參數和逆問題算法假設火焰溫度場為T，將 假設火焰溫度場T代入火焰3的溫度場福射傳輸方程，并對火焰3的溫度場福射傳輸方程求 解獲得火焰3自身的出射輻射強度估計值Γ η;
[0033] 步驟七:利用步驟二獲得的出射光譜輻射強度測量值Ιη和步驟六獲得的出射輻射 強度估計值r n構造溫度場目標函數方程，并求解該溫度場目標函數方程的溫度場目標函 數值，然后將該溫度場目標函數值與溫度場給定目標函數閾值進行比較，判斷該溫度場目 標函數值是否小于溫度場給定目標函數閾值，是則步驟六中假設的火焰溫度場T為火焰3的 真實溫度場，完成火焰溫度泛尺度光場探測，否則返回步驟六。
[0034]本實施方式中，火焰3為高溫火焰，其溫度范圍在1000~3000°C之間。
[0035] 通過激光控制器1觸發激光脈沖，照射到火焰3表面，激光在火焰3中被吸收和散射 后會從火焰