的红色1?_(即R) 分量信息，获得单色图像^。设有图像退化模型其中，f为物体原始辐射强度， h是点扩散函数PSF，由Stokseth提出的离焦光学传递函数（OTF)近似式H(s)做反Fourier 变换得到。
[0038]
(2)
[0039] 其中，s为空间频率，λ为波长，w为离焦光程差，J1为一阶贝塞尔函数。此近似 式只与离焦光程差w有关。离焦光程差w可以采用Donald Β. Gennery提出的寻找图像频 谱零点的方法实现，进而可获得不同w的离焦光学传递函数0TF。
[0040] 对离焦图像8@作Fourier变换得到图像的频谱G I，寻找6@值为零且距矩阵G QF 中心较近的那些频率，并计算这些频率的数学期望sD。
[0041] 分析Stokseth提出的近似光学传递函数，随着频率从0开始增加，H(S)从1开始 不断下降。对应下降到使H(S)等于0的频率值仅与离焦光程差w有关，是w的函数，根据 上一计算步骤中的频率s。，找到对应的离焦光程差w。
[0042] 此离焦光程差w决定的离焦光学传递函数H(S)，即为光学系统对这一离焦层的实 际光学传递函数，对H(S)做反Fourier变换得到离焦光学系统的点扩散函数h。
[0043] 4)将拍摄的图像送入计算机，按照步骤（3)中方法获得单色图像。对单色图像进 行分析处理去除离焦信息，得到每一火焰断层图像的原始灰度分布。
[0044] 计算机中图像像素的灰度分布i (X，y)与光学系统所成像的光亮度分布g(x，y)存 在以下关系：
[0045]
[0046] 其中，t为曝光时间。其他参数u_为C⑶最大亮度电平，A Plx像元面积，a和b为 量化位数，1和η 3分别为CCD的量化效率和转移系数，这些参数可由具体使用的相机查询 得到。每一次聚焦所成的像都包含对应层的聚焦像和其它层的离焦像信息。因此对于CCD 采集的图像，存在以下方程组：
[0056] 其中，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，可由单色图 像根据式（3)计算得到；α为火焰的吸收系数，由步骤一计算得到；hk ,为聚焦第j层时第 k层离焦成像的点扩散函数，由步骤二计算得到；h,,为聚焦第j层时的聚焦点扩散函数；fk 为第k层火焰单色辐射强度的二维分布，N为火焰划分的层数，△为每层火焰的厚度。 [0057] 聚焦下的点扩散函数h,,可认为是理想的脉冲函数，因此第j层的计算表达式可 以简化为：
(5)
[0059] 式（5)的物理意义为：第j层的原始辐射强度&可由叠加像g j减去其它层的离焦 像得到。一种传统的近似算法引入高通滤波器求解&的近似值：
[0060] 因为离焦过程抑制高频信息，而使低频信息通过，所以叠加图像的频谱包含聚焦 层所成像的全部高频低频信息与离焦层所成像的低频信息。若对叠加图像进行高通滤波， 去除叠加图像的低频信息，最终只留下聚焦层图像的信息。设计与图像相同大小的高通滤 波器矩阵K。，对此矩阵作反Fourier变换得到矩阵k。，以便在空间域上作计算。那么可以用 叠加像的高通滤波结果来作为聚焦层样本的近似：
[0061] f产g k*k。 （6)其中，gks聚焦第k层时所成的叠加像，f k为第k层的原始辐射 强度。将式（6)代入式（5)计算各层原始辐射强度的一组近似：
(7)
[0063] 式（7)是采用近似算法得到的原始辐射强度的一组近似。此算法的优点在于复杂 程度低，所需计算时间少，但是计算精度不够高，受设计的高通滤波器影响较大。
[0064] 观察式（5)，为求解&需要探索fk的值，传统近似法引入高通滤波器给出匕的一 组近似，进而计算出一组f,近似值。可以继续使用已求出的近似值取代高通滤波近似 gk*k。代入式（5)进行计算。即可以不断地将各层辐射强度近似值代入以下迭代循环式：
[0066] 其中，/^\为f,的第m次迭代近似结果，当迭代前后两次结果之差小于某一预先 设定的阀值V，如式（9)所示，停止迭代过程，以最后一次（m。）迭代结果作为各层的原 始辐射强度。
(9)
[0068] 5)根据步骤四得到的各层火焰的单色辐射强度，计算每一火焰层的温度分布。
[0069] 单色辐射强度U与温度T满足普朗克函数关系：
〇0)
[0071] 其中，λ为波长，U为波长λ下的辐射强度，ε为火焰发射率，T为每层火焰的 温度，(^为第一辐射常数3. 742X 10 16W · m2, 〇2为第二辐射常数1. 438X 10 2m · Κ。将单色 辐射强度if}代入式（10)中的U，计算各层温度分布T。
[0072] 图3为液体变焦镜头的结构示意图，它主要由负电极12、正电极13、玻璃14、电解 液15、油相16组成。两块透明玻璃盖板14在前后封住镜头，两块玻璃间分别布置一圈金属 负电极12和金属正电极13。电极之间布置一圈绝缘体。向金属负电极的一边注导电的电 解液15,向金属负电极注不导电的油。光线在变焦镜头中的路径为玻璃14一电解液15- 油16-玻璃14。改变两个金属电极之间的电压大小，引起电解液和油的分界面弯曲度的变 化，从而改变透镜焦距。
【主权项】
1. 一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： 一 CCD相机，用于拍摄记录火焰图像； 一液体变焦镜头，安装在所述CCD相机上，实现对每一层火焰的聚焦； 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。2. -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： 步骤一、根据测量精度对火焰进行分层； 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； 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式中：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 j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； 将计算出的近似辐射强度$代入下式中的I的进行迭代计算：当<=F时，停止迭代过程，以最后一次（m。）迭代结果/f"")作为各层的 原始辐射强度，其中V为预先设定的阀值； 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：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/;("^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。3. 根据权利要求2所述的火焰三维温度场分布测量方法，其特征在于：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。
【专利摘要】本发明公开了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，其中，测量装置包括一<i>CCD</i>相机，用于拍摄记录火焰图像；一液体变焦镜头，安装在所述<i>CCD</i>相机上，实现对每一层火焰的聚焦；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<i>CCD</i>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。本发明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<i>CCD</i>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。
【IPC分类】G01K13/00
【公开号】CN105157876
【申请号】CN201510221171
【发明人】许传龙, 胡江海, 张彪
【申请人】东南大学
【公开日】2015年12月16日
【申请日】2015年5月4日