本发明涉及辐射成像技术和金属颗粒燃烧等领域，具体涉及一种推进剂中金属添加剂燃烧温度测量方法。
背景技术：
与碳氢燃料相比，硼颗粒及镁、铝等金属颗粒具有热值高、性能稳定且储量丰富等优点，是良好的推进剂添加剂，在固体火箭、冲压与组合推进以及水下推进等领域有着广泛应用前景。目前，国内外各研究机构针对金属颗粒点火燃烧特性开展了大量的研究工作，而颗粒表面温度及周围气相火焰温度是表征颗粒燃烧特性的重要参数，基于此，颗粒燃烧火焰温度测量成为研究颗粒燃烧特性的重要环节。就现有的温度测量技术来看，主要采用假定发射率的辐射测温法测量较低温度下金属燃烧温度，而且在理论上存在误差，不具通用性。而近年来，基于辐射成像逆求解三维温度场的温度测量技术成为燃烧领域研究热点，该方法充分利用了火焰自身辐射特性，而且具有成本低、易实施等优点。然而，其针对一般工业炉温度场重建工作开展及其成果虽较多，但用于发动机燃烧室的研究太少，有待进一步发展。
目前，国内外针对金属颗粒燃烧特性的研究工作中，部分学者已经采用拍摄颗粒燃烧图像的方法测量颗粒温度。通过直接拍摄观测目标，分离提取燃烧状态的颗粒图像，在温度测量方面忽略了目标发射率影响，采用双色法进行测量，将图像中颗粒的色度直接与预先计算的“温度比色卡”对比从而得到对应的温度，缺乏细致研究，故而亟需一种实施简单、实用性强的推进剂金属颗粒燃烧温度测量方法。
技术实现要素：
针对现有的技术缺陷及需求背景，本发明基于颗粒图像提出一种燃烧室环境下推进剂中金属添加剂颗粒燃烧温度测量方法，其具有实施简单、实用性强、应用对象广泛等特点。
本发明的工作原理是：推进剂在燃烧室内燃烧时同时存在发射、吸收、散射和壁面反射等效应，选择燃烧的颗粒及周围介质空间作为计算区域，并将其离散成多个网格，采用montecarlo概率模拟的方法跟踪辐射射线在每个网格中的吸收、散射和反射等衰减过程，实现对燃烧室内辐射传递过程的分析和模拟。辐射成像过程主要由计算域内燃烧颗粒表面及周围气相火焰辐射产生的能量射线经过各种衰减过程后到达ccd探测器靶面并成像，而目标温度分布求解及重建过程则是火焰辐射成像的逆过程，即由探测到的成像数据反向计算目标火焰的温度分布。
本发明的详细方案是：
(1)为避免其他辐射影响，采用显微放大镜头捕捉单独颗粒，并对拍摄到图片进行降噪去干扰处理，将原始图像转为灰度图像并减去背景图像，在此基础上进行图像增强，即获得处理后的图像；
(2)针对目标区域进行网格划分,将颗粒表面划分为gx×gy的表面网格，选取颗粒至ccd探测器之间区域作为计算域并离散成gx×gy×gz的立方体网格；
(3)对与颗粒表面单色辐射射线的发射位置p点坐标(xp,yp,zp)及发射角度锥角φ和圆周角θ采用随机模拟发射方式确定：
式中：δx、δy、δz为立方体网格边长，rx、ry、rz、rθ、rφ为(0,1)区间随机数；
(4)而后由几何关系计算出射线从p点出发到穿过一个网格应该走过的距离，在此情况下以随机概率模拟的方式考虑射线是否与凝相介质相遇，以及相遇后是否发生散射，若判定为散射，则以此作为新的发射点重新给定发射点坐标及发射角度，继续追踪；若判定不发生散射，则按消光效率因子对射线能量进行衰减，由此得到射线从p点出发并考虑气相和凝相介质衰减作用后穿过该网格时走过的距离及剩余能量。其中气相主要为水蒸气和二氧化碳，衰减关系式如下：
式中：αw、εw、pw分别为水蒸气吸收系数、发射率、压强，αc、εc、pc分别为二氧化碳吸收系数、发射率、压强，cw、cc为修正因子，tg、ts分别为气体温度和目标表面温度，le为平均射束长度；
凝相衰减关系如下：
qex＝qs+qa
式中：qex为消光效率因子，qs为散射效率因子，qa为吸收效率因子，针对具体物体可查表；
(5)对计算区域进行网格划分后，由网格顶点坐标确定网格序数，同样以随机概率模拟的方式考虑射线与计算区域边界是否发生反射；
(6)由以上步骤得到由目标区域网格中某一点以某角度发射的单位能量射线，在经过计算域各网格内气相和凝相介质及边界衰减作用
或散射和反射作用后，最终经过的距离和剩余能量；(7)假设目标区域每个网格发射若干射线，追踪每条射线经过的距离和剩余能量，则可得到一个大型系数矩阵a，而颗粒表面辐射强度e与探测器靶面辐射强度ep关系可表示为：
ep＝a·e
(8)从拍摄颗粒图片得到对于探测器的rgb单色辐射能量矩阵即ep，通过lsqr算法求解出目标辐射能e，再根据普朗克定律求解目标温度分布。
本发明的效果和益处是：1、本发明是以燃烧室内推进剂燃烧作为背景，建立基于此背景条件的金属颗粒测温模型，因此更加贴近金属颗粒的实际燃烧状态，实施简单，易用于发动机开窗燃烧试验；2、通过对初始射线发射及网格划分的简单变换，可以对同一张图像进行计算，实现对颗粒表面及周围气相火焰温度的同时测量并能区分开最终结果；3、相对于目前对颗粒燃烧温度的研究，本发明的测温模型考虑了目标发射率，并且针对非均匀介质的辐射特性参数会随组分浓度和温度而变化的特点，采用一阶模型拟合计算域不同位置的气体吸收系数，有效提高测量精度；4、方法与模型可应用于类似燃烧室封闭环境的多种颗粒的温度测量，故应用对象广泛。
附图说明
图1为本发明颗粒面模型射线辐射示意图，
其中：1——颗粒周围气相火焰，2——颗粒表面，3——任意辐射射线，4——计算区域，5——高速摄影仪及显微放大镜头；
图2为本发明算法具体实施流程框图。
具体实施方式
下面，结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明:
对颗粒周围气相火焰1、颗粒表面2及单色辐射射线3的发射位置坐标及发射角度采用随机模拟发射方式，当单条辐射射线在网格内传递时，可能发生以下几种情况：(1)在未穿出网格或与颗粒相遇之前，射线的能量在传递过程中被气体全部吸收；(2)未被气体完全吸收或者未穿出网格之前，射线与颗粒发生相遇，而后分成两种情况：一种是被颗粒吸收，另一种是被颗粒散射；(3)射线未被气体完全吸收和未与颗粒相遇，或遇颗粒而被散射后到达壁面；而后同样分成两种情况：一种是能量被吸收，另一种是被壁面反射；(4)射线未被气体完全吸收，未与颗粒相遇也未到达壁面，直接穿出网格。在各种情况中，射线能量若被吸收衰减至截止至，则结束追踪，若被散射或反射，则以此为新的发射点，通过坐标转换计算此时发射点坐标及发射角，重新追踪。将射线能量衰减完之前在各网格内传递距离叠加即可得到射线在计算域4内穿越距离总和，并由此得到射线离开网格时剩余能量，此即到达探测器靶面的辐射能量。每个网格发射若干条射线，若假设发射射线的网格数为n，探测器靶面像素数为m×n，则由此计算得系数矩阵a(m×n,n)。在已知探测器靶面的辐射能量的情况下，则可求解出目标辐射能量，进一步求解目标温度。