一种基于微透镜阵列的火焰光场探测泛尺度分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及高温火焰温度重建过程中的火焰成像仿真技术，尤其涉及一种基于微 透镜阵列的火焰光场探测泛尺度分析方法。
【背景技术】
[0002] 多尺度概念已经在许多科技领域得到应用。如能源化工、遥感探测、材料加工、微 机电设备等等。
[0003] 但是，目前科技领域已经应用的多尺度概念是指：空间-时间，二元体系中的多尺 度。空间多尺度是指与现象有关的过程发生在几何尺度有数量级变化的空间中；而时间多 尺度是指在一个物理现象中不同时间段的特征尺度有数量级的变化。
[0004] 在火焰光场探测过程中的热辐射传递过程，会涉及到：空间-时间-角度-频率， 四元体系，本申请将其命名为"泛尺度"，只有将泛尺度中的空间尺度、时间尺度、角度尺度、 频率尺度、同时体现出来，才能够更加真实准确地模拟出高温火焰的温度场；
[0005] 然而，很多大型工程火焰系统往往伴随着激烈震动，同时火焰燃烧又存在极强的 脉动效应，其震动周期或者脉动周期可从几十毫秒到几秒；火焰尺度则可从几米到数十米； 因此，只能体现出空间尺度和时间尺度两个体现，因此，无法真实准确地模拟出高温火焰的 温度场；
[0006] 由于对于采用微透镜阵列技术的光场相机而言，被探测火焰与光场相机镜头之间 巨大的几何尺度差异，通过光场相机的微透镜对被探测火焰进行探测角度离散后的探测像 元所代表的探测角度范围与相机自身的探测角度范围又存在着两个数量级以上的差距，此 时的角度多尺度分析就十分必要。
[0007] 又如：高温火焰中既含有粒子辐射又含有气体辐射，其中气体辐射具有强烈的光 谱选择性，吸收发射能力主要集中在一些吸收带内，吸收带内则集中了成千上万根谱线，而 在吸收带间则没有谱线或谱线很少，从而吸收发射能力很弱。从光谱角度讲，一般谱线宽度 为纳米量级（1个波数）、谱带的宽度为微米量级（数百到数千个波数）、整个热辐射的光谱 范围（约为0.2-100微米）为亚毫米量级（数万个波数），此时的频率度多尺度分析就十分 必要。
[0008] 而目前却没有一个能够同时通过泛尺度来模拟再现高温火焰的温度场的解决方 案。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种能够同时满足泛尺度 要求的基于微透镜阵列的火焰光场探测泛尺度分析方法。
[0010] 一种基于微透镜阵列的火焰光场探测泛尺度分析方法，包括以下步骤：
[0011] (1)建立高温弥散介质光辐射物理模型，赋予该物理模型尺度、物性参数；
[0012] (2)建立具有微透镜阵列的光场相机模型；
[0013] (3)计算高温弥散介质中气体、粒子光谱辐射特性参数，并将所述特性参数赋值给 所述物理模型；
[0014] (4)利用蒙特卡洛算法进行发射光线模拟；
[0015] (5)计算获得光场相机CCD相面能量分布图；
[0016] (6)根据所述光场相机CCD相面能量分布图计算不同微透镜所成高温弥散介质图 像。
[0017] 进一步地，如上所述的基于微透镜阵列的火焰光场探测泛尺度分析方法，步骤1 中，所述高温弥散介质共分3层，均为参与性介质，每层介质又3X3个小立方体组成，每块 介质被赋予不同的参数。
[0018] 进一步地，如上所述的基于微透镜阵列的火焰光场探测泛尺度分析方法，步骤2 中所述微透镜阵列位于主透镜与CCD之间，且处于主透镜焦平面处。
[0019] 进一步地，如上所述的基于微透镜阵列的火焰光场探测泛尺度分析方法，步骤4 在进行发射光线模拟时，采用光线分裂方法对发射光线进行模拟。
[0020] 本发明提供的基于微透镜阵列的火焰光场探测泛尺度分析方法，由于在火焰光场 探测过程的热辐射传递过程能够同时满足泛尺度的要求，从而能够更加真实准确地体现出 高温火焰的温度场。
【附图说明】
[0021] 图1为本发明高温弥散介质光辐射物理模型图；
[0022] 图2为本发明光场相机模型图；
[0023] 图3为光线分裂原理示意图；
[0024] 图4为相机C⑶像元辐射能量分布图；
[0025] 图5为不同微透镜成像图。
【具体实施方式】
[0026] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清 楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。
[0027] 本发明分析方法主要包括：含粒子高温气体（高温弥散介质）光辐射建模、高温弥 散介质辐射特性计算、基于蒙特卡洛算法的光线追踪算法、物像重聚焦算法等环节。通过模 拟不同波长的光线从介质内部发射并经由介质的吸收、散射衰减、介质发射和散射增强等 过程，对高温火焰的微透镜光场成像进行仿真计算。通过本发明专利的仿真计算，可实现对 高温火焰的温度场重建，并为光场相机的标定、测量等工作提供理论基础。
[0028] 本发明基于微透镜阵列的火焰光场探测泛尺度分析方法包括以下步骤：
[0029] 步骤1 :如图1所示，建立高温弥散介质光辐射物理模型1，赋予该物理模型1尺 度、物性等参数。
[0030] 具体地，该模型为由小立方体组成的3X3X3魔方形状大立方体，由三层介质共 同组成，均为参与性介质，每层由3X3个小立方体组成，总共27块。
[0031] 对于采用微透镜阵列技术的光场相机而言，由于被探测火焰与光场相机镜头之间 巨大的几何尺度差异，通过光场相机的微透镜对被探测火焰进行探测角度离散后的探测像 元所代表的探测角度范围与相机自身的探测角度范围又存在着两个数量级以上的差距，因 此，简单通过光场相机来探测分析火焰光场的热辐射强度，只能满足空间尺度、角度尺度两 个尺度，因此要赋予物理模型尺度、物性等参数来同时满足泛尺度中其他两个尺度分析。
[0032] 步骤2 :建立具有微透镜阵列的光场相机模型，模型示意图见图2,其中微透镜整 为由10*10个微透镜4构成的阵列，所述微透镜阵列位于主透镜3与CCD之间，且处于主透 镜3焦平面处，其中，主透镜3的直径为D，主透镜3与微透镜4之间的距离为L，微透镜4 的直径为d，f为微透镜4的焦距。
[0033] 步骤3 :通过高温气体物性计算软件计（该软件为自己研发并获得软件著作权保 护的计算软件）算获得高温弥散介质中气体、粒子光谱辐射特性参数，并将所述特性参数 赋值给所述物理模型，不同介质块温度及物性分布可见表1 ;
[0034]表1介质子方块的温度和辐射物性
[0035]
【主权项】
1. 一种基于微透镜阵列的火焰光场探测泛尺度分析方法，其特征在于，包括以下步 骤： (1) 建立高温弥散介质光辐射物理模型，赋予该物理模型尺度、物性参数； (2) 建立具有微透镜阵列的光场相机模型； (3) 计算高温弥散介质中气体、粒子光谱辐射特性参数，并将所述特性参数赋值给所述 物理模型； (4) 利用蒙特卡洛算法进行发射光线模拟； (5) 计算获得光场相机CCD相面能量分布图； (6) 根据所述光场相机CCD相面能量分布图计算不同微透镜所成高温弥散介质图像。
2. 根据权利要求1所述的基于微透镜阵列的火焰光场探测泛尺度分析方法，其特征在 于，步骤1中，所述高温弥散介质共分3层，均为参与性介质，每层介质又3X3个小立方体 组成，每块介质被赋予不同的参数。
3. 根据权利要求1所述的基于微透镜阵列的火焰光场探测泛尺度分析方法，其特征在 于，步骤2中所述微透镜阵列位于主透镜与CCD之间，且处于主透镜焦平面处。
4. 根据权利要求1所述的基于微透镜阵列的火焰光场探测泛尺度分析方法，其特征在 于，步骤4在进行发射光线模拟时，采用光线分裂方法对发射光线进行模拟。
【专利摘要】本发明提供一种基于微透镜阵列的火焰光场探测泛尺度分析方法，包括：高温弥散介质光辐射建模、高温弥散介质辐射特性计算、基于蒙特卡洛算法的光线追踪算法、物像重聚焦算法等步骤。通过模拟不同波长的光线从介质内部发射并经由介质的吸收、散射衰减、介质发射和散射增强等过程，对高温火焰的微透镜光场成像进行仿真计算。通过本发明的仿真计算，可实现对高温火焰的温度场重建，并为光场相机的标定、测量等工作提供理论基础。
【IPC分类】G01J1-42
【公开号】CN104819774
【申请号】CN201510194407
【发明人】谈和平, 袁远, 齐宏, 易红亮, 刘彬, 帅永, 李赛, 董士奎
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2015年8月5日
【申请日】2015年4月22日