一种基于液体变焦透镜的火焰三维温度场测量装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于火焰温度测量技术领域，具体涉及一种基于液体变焦透镜的燃烧火焰 三维温度场测量方法及装置。
【背景技术】
[0002] 温度是表征燃烧火焰一个最主要的参数，火焰三维温度场的测量，对全面研析火 焰的反应速度、三维结构、组分生成、整体特性等有决定性作用，有助于揭示燃烧现象的本 质和燃烧过程的规律，也有助于燃烧设备的工程设计改进和运行优化，最终对能源的高效 利用和低污染排放产生重大意义。因此，火焰三维温度场的测量是火焰实验研究中的一个 重要主题。
[0003] 依据感温元件是否接触火焰对象，火焰温度的测量方法可分为接触法和非接触法 两大类。接触法以热电偶的应用最为广泛，热电偶将火焰中某点的温度信号转换成热电动 势信号，通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。但将热电偶应用于测量火焰 三维温度场，需要在火焰中布置大量热电偶来获得三维信息，因此存在着结构复杂、对火焰 产生干扰等缺点。此外，由于和火焰直接接触，还存在着热电偶由于腐蚀等原因导致寿命缩 减。非接触法包括散射法、超声法、辐射成像等。单色辐射频率的激光照射透明物体时，会 有少量的光线偏离原来的传播方向，发生光的散射现象，形成瑞利光谱。根据瑞利光谱强度 和气体温度之间的函数关系，可以得到气体的温度信息。瑞利光谱测温法的测试系统简易， 脉冲的瑞利光谱技术还可以用来观察瞬时的火焰结构。但由于它研究弹性散射，所以不能 直接提供有关组分的信息，并且受颗粒Mie散射、背景光散射和火焰辐射的干扰，这些缺点 导致它的主要应用领域被限于自由散流和开口火焰以及某些燃料的干净流场的测量。声学 高温计是基于理想气体的性质，而锅炉烟气的热力状态参数难以事先确定。另外，声波法得 到的是沿程平均结果，难以体现烟气中温度场或流场的突变。因此，要把声速高温计发展成 为精确、适用性强的测温手段，还需解决许多理论与技术问题。
[0004] 基于火焰热辐射，光学分层成像法是近年来发展起来的一种火焰三维温度场的非 接触式测量方法。光学分层成像法将三维连续的空间物体看成是若干平行的二维断层的组 合。沿水平方向对物体移焦摄像，得到一组分层图像，所得图像是聚焦平面的清晰像和其它 平面的离焦像的叠加。对图像进行反演重建，可以得到每一断层的原始图像。但该方法存 在着以下缺点：采用步进电机来移动相机对火焰进行分层聚焦成像，成像速度较慢，当动态 火焰快速变化时，难以实现火焰的瞬态三维温度场分布测量；采用近似法恢复火焰的辐射 强度，应用于测量精度要求较高的场合效果不甚理想。
【发明内容】
[0005] 发明目的：为了克服现有分层成像法测量动态火焰三维温度分布的不足，本发明 提出了一种基于液体变焦透镜的火焰三维温度分布测量方法及装置。基本思路：对三维火 焰在相机光轴方向上分层，CCD相机结合液体变焦镜头，通过改变工作电压控制液体变焦镜 头分别聚焦火焰的每一层，对火焰进行分层拍摄，计算机对CCD相机拍摄的火焰图像进行 计算分析，计算各层火焰辐射强度，实现对火焰三维温度场的光学非接触式测量。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
[0007] -种基于液体变焦透镜的火焰三维温度场测量装置，其特征在于，包括：
[0008] 一 C⑶相机，用于拍摄记录火焰图像；
[0009] -液体变焦镜头，安装在所述CCD相机上，实现对每一层火焰的聚焦；
[0010] 一计算机，通过控制电压实现液体变焦镜头的焦距调整；存储CCD相机获得的聚 焦在各层火焰的叠加图像，并对每张叠加图像做高通滤波去除叠加图像的低频信息，得到 只含有对应聚焦层的聚焦像信息；通过每层聚焦像信息，获得火焰的温度分布。
[0011] 一种基于液体变焦透镜的火焰三维温度场分布测量方法，其特征在于，包括如下 步骤：
[0012] 步骤一、根据测量精度对火焰进行分层；
[0013] 步骤二、控制液体变焦镜头分别聚焦每一火焰分层，并通过CCD相机在每次聚焦 后，拍摄该断层的火焰图像；
[0014] 步骤三、对拍摄的每层火焰图像进行处理，去除每层火焰图像中包含的其它层的 离焦信息，得到每一火焰断层图像的辐射强度近似值：
[0015]
[0016] 式中： .?.为第j层火焰单色辐射强度近似值的二维分布；8]为光学系统对第j层 火焰聚焦所成的单波长的光亮度分布；α为火焰的吸收系数；hk ,为聚焦第j层时第k层 离焦成像的点扩散函数；N为火焰划分的层数；k。为二维高通滤波矩阵；△为每层火焰的厚 度；
[0017] 将计算出的近似辐射强度§代入下式中的的进行迭代计算：
[0018]
[0019]
,停止迭代过程，以最后一次（m。）迭代结果彳乍为各 层的原始辐射强度，其中V为预先设定的阀值；
[0020] 步骤四、根据步骤三得到的各层火焰的辐射强度，计算每一火焰层的温度分布：
[0021]
[0022] 其中，λ为波长为物体在波长λ下的辐射强度，以步骤四中最后一次迭代 结果作为U的值；ε为火焰发射率；T为每层火焰的温度分布；c 第一辐射常数 3· 742X 10 16W · m2;c 2为第二辐射常数 I. 438X 10 2m · K。
[0023] 所述点扩散函数采用如下方法得到：采用Donald B. Gennery提出的寻找图像频 谱零点的方法确定各层光学传递函数H(s)，对光学传递函数作反Fourier变换得到点扩散 函数h。
[0024] 有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：采用液体变焦技术改变镜头 焦距，实现对火焰的分层成像，变焦迅速，为系统的实时性工作提供了条件，对于测量温度 分布快速变化的动态火焰有较大优势；测量系统在结构上对火焰温度分布无影响，属于非 接触式测量方法，具有实验装置简单、可靠、实用的特点；提出的辐射强度迭代计算方法，在 不过分牺牲计算时间的情况下，提高了计算精度，减弱了传统近似算法计算结果对设计的 高通滤波器的依赖性。
【附图说明】
[0025] 图1是测量火焰发射率、吸收率的装置示意图；
[0026] 图2是基于液体变焦透镜的光学分层成像火焰三维温度测量装置示意图；
[0027] 图3是液体变焦透镜的结构示意图；
[0028] 图4是离焦光程差w与首个频谱零点的关系图；
[0029] 其中，1 一红色半导体激光器、2-火焰、3-滤波片、4 一光电二极管、5-信号放大 器、6-数显；7-计算机、8 -(XD相机、9一液体变焦镜头、10-实验台、11 一防风罩；12-负 电极、13-正电极、14 一玻璃、15-电解液、16-油。
【具体实施方式】
[0030] 基于液体变焦透镜分层成像火焰三维温度测量方法，其步骤包括如下：
[0031] 1)参照图1所示，用于测量火焰吸收系数和发射率的装置主要包括红色半导体激 光器1、火焰2、红色滤波片3、光电二极管4、信号放大器5和数显6。火焰2及火焰左边放 置的激光器1作为光源，穿过红色滤波片3,照射在光电二极管4上，光电二极管将光信号转 化为电信号，信号放大器5与光电二极管相连，电信号经放大后送至数显显示分析处理。
[0032] 首先，激光光源穿过火焰和红色滤波片射向探测器（光电二极管），信号经放大器 放大后输出得到L ;接着去掉激光，火焰单独存在，得到输出信号Lf;最后去掉火焰，激光单 独存在，得到输出信号Ls。火焰的吸收系数和发射率计算公式如下：
[0033]
(1)
[0034] 其中，α，ε分别为火焰的吸收系数和发射率，δ为火焰厚度，L为激光和火焰共 同存在时检测的信号强度，Lf为火焰单独存在时检测的信号强度，L s为激光单独存在时检 测的信号强度。
[0035] 2)对火焰进行N等分。所分层数N应依据火焰宽度、测量精度需求等要求合理选 择。
[0036] 3)参照图2所示，采用液体变焦的光学分层成像测量火焰三维温度分布的装置主 要包括计算机7、C⑶相机8、液体变焦镜头9、实验台10、防风罩11。实验台上布置有计算 机，CCD相机，液体变焦镜头，液体变焦镜头安装在CCD相机上，计算机分别与CCD相机和液 体变焦镜头相连，测量系统布置在距被测火焰合适距离处。
[0037] 在相机光轴方向上对火焰进行分层，计算各层成像的脉冲响应。对某一个确定分 层，将物体放置在离焦层，拍摄离焦下的原始图像。提取离焦图像矩阵中