基于微透镜阵列与脉冲激光的火焰温度泛尺度光场探测方法
【技术领域】
[0001 ]本发明属于高温热辐射测量技术领域。
【背景技术】
[0002] 高温燃烧现象广泛存在于航空航天、能源动力、钢铁冶金、化工等领域，如火箭发 动机、燃气轮机、内燃机、电站锅炉、煤气化反应器等高温设备中。火焰温度场的测量对于燃 烧诊断具有十分重要的意义。常用的温度场测量方法主要包括接触式测温和非接触式测温 两类，其中非接触式测温方法因为其不干扰流场、测量精度高、实时连续测量等优点而得到 了越来越广泛的应用。光场成像技术是一种典型的非接触式测温技术，可通过一次成像获 取三维全场辐射数字化信息。
[0003] 对于非接触式测温技术，其关键问题在于建立高效、准确、稳定的介质温度场重建 算法。参与性介质温度场反演属于典型的不适定问题，尤其是当介质的辐射特性参数未知 时，需要同时反演介质的温度场和辐射特性参数，这给问题求解带来了很大困难。
[0004] 利用反演的方法测量半透明介质的辐射物性，通常需要利用半透明材料表面的扩 散光信号，目前对扩散光信号的测量主要有三种方法:时域测量、频域测量和稳态测量。时 域测量由于能够提供较多的介质信息，具有很高的信噪比和灵敏度，在半透明介质物性测 量中具有广阔的应用前景。
[0005] 火焰光场探测中的热辐射传输过程，会涉及到空间、时间、角度、频率四个变量的 多个数量级变化，如:对于采用微透镜阵列技术的光场相机而言，由于被探测火焰与相机镜 头之间巨大的几何尺度差异，通过微透镜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，此时的泛尺度分析就 十分必要。
【发明内容】
[0006] 本发明是为了适应火焰光场探测中对于泛尺度分析的需求，现提供基于微透镜阵 列与脉冲激光的火焰温度泛尺度光场探测方法。
[0007] 基于微透镜阵列与脉冲激光的火焰温度泛尺度光场探测方法，该方法是基于以下 装置实现的，所属装置包括:激光控制器1、激光头2、光电探测器4、数据采集处理系统5和微 透镜阵列光场相机6;
[0008]激光控制器1的激光控制信号输出端连接激光头2的激光控制信号输出端，光电探 测器4均匀分布在火焰3周围，光电探测器4的光电探测信号输出端连接数据采集处理系统5 的光电探测信号输入端，微透镜阵列光场相机6的断层三维辐射场信号输出端连接数据采 集处理系统5的断层三维辐射场信号输入端；
[0009] 所述方法包括以下步骤：
[0010] 步骤一:开启激光控制器1，使激光头2发射出的脉冲激光入射到火焰3上，然后使 激光头2顺时针旋转，且每次旋转的角度均为30°，直至激光头2旋转回初始位置，激光头2每 旋转一次则利用光电探测器4采集一次火焰3透射或反射出的激光，然后将光电探测器4获 得的所有光电探测信号发送至数据采集处理系统5中，数据采集处理系统5分别对其获得的 光电探测信号进行处理，获得火焰3边界的出射光谱辐射强度值I mi，i为激光头2旋转次数，i =1,2,... ,12；
[0011] 步骤二:关闭激光控制器1，保持火焰3稳定，利用微透镜阵列光场相机6从单角度 成像获取火焰3的断层三维辐射场信号，然后将该断层三维辐射场信号发送至数据采集处 理系统5，数据采集处理系统5对断层三维辐射场信号进行处理，获得火焰3自身的出射光谱 辐射强度测量值I n;
[0012] 步骤三:将步骤一获得的火焰3边界的出射光谱辐射强度值Imi分别与步骤二获得 的火焰3自身的出射光谱辐射强度测量值U乍差，获得消除了自辐射的光谱辐射强度测量 值Mi;
[0013] 步骤四：根据逆问题算法假设火焰光谱辐射物性参数为k，将该火焰光谱辐射物性 参数k代入瞬态辐射传输方程，并对该瞬态辐射传输方程求解获得消除了自辐射的光谱辐 射强度估计值Ei;
[0014] 步骤五：以步骤三获得的光谱辐射强度测量值1与步骤四获得的光谱辐射强度估 计值Ei的最小二乘作为火焰光谱辐射物性参数目标函数方程，并求解该火焰光谱辐射物性 参数目标函数方程的目标函数值，然后将该目标函数值与火焰光谱辐射物性参数的给定目 标函数阈值进行比较，判断目标函数值是否小于给定目标函数阈值，是则步骤四中假设的 火焰光谱辐射物性参数k为真实的火焰光谱辐射物性参数，然后执行步骤六，否则返回步骤 四；
[0015] 步骤六:利用真实的火焰光谱辐射物性参数和逆问题算法假设火焰温度场为T，将 假设火焰温度场T代入火焰3的温度场福射传输方程，并对火焰3的温度场福射传输方程求 解获得火焰3自身的出射辐射强度估计值Γ η;
[0016] 步骤七:利用步骤二获得的出射光谱辐射强度测量值Ιη和步骤六获得的出射辐射 强度估计值Γη构造温度场目标函数方程，并求解该温度场目标函数方程的温度场目标函 数值，然后将该温度场目标函数值与温度场给定目标函数阈值进行比较，判断该温度场目 标函数值是否小于温度场给定目标函数阈值，是则步骤六中假设的火焰温度场Τ为火焰3的 真实温度场，完成火焰温度泛尺度光场探测，否则返回步骤六。
[0017] 本发明涉及一种四元体系的泛尺度分析方法，具体地说是一种基于微透镜阵列与 脉冲激光的空间--时间--角度--频率四种变量有多个数量级变化时的高温火焰光 谱辐射特性参数及温度场的重建方法。本发明所述的基于微透镜阵列与脉冲激光的火焰温 度泛尺度光场探测方法，主要包括:高温火焰辐射测量、高温火焰辐射特性参数计算、温度 场重建等环节。利用具有微透镜阵列的光场相机获取高温火焰不同方向上的辐射强度信 息，通过将脉冲激光照射到火焰上，由探测器接收到的介质边界上的出射光谱辐射强度通 过逆问题求解得到介质的光谱辐射特性参数，结合火焰自身的出射辐射强度重建出高温火 焰的三维温度场。通过本发明的仿真计算，可实现对高温火焰的辐射特性参数和温度场的 重建，并为光场相机的标定、测量等工作提供理论基础。
【附图说明】
[0018] 图1为实现步骤一时所采用的硬件的结构示意图；
[0019] 图2为实现步骤二时所采用的硬件的结构示意图；
[0020] 图3为基于微透镜阵列与脉冲激光的火焰温度泛尺度光场探测方法的流程图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0021] 一:参照图1、图2和图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的基 于微透镜阵列与脉冲激光的火焰温度泛尺度光场探测方法，该方法是基于以下装置实现 的，所属装置包括:激光控制器1、激光头2、光电探测器4、数据采集处理系统5和微透镜阵列 光场相机6;
[0022] 激光控制器1的激光控制信号输出端连接激光头2的激光控制信号输出端，光电探 测器4均匀分布在火焰3周围，光电探测器4的光电探测信号输出端连接数据采集处理系统5 的光电探测信号输入端，微透镜阵列光场相机6的断层三维辐射场信号输出端连接数据采 集处理系统5的断层三维辐射场信号输入端；
[0023]所述方法包括以下步骤：
[0024]步骤一:开启激光控制器1，使激光头2发射出的脉冲激光入射到火焰3上，然后使 激光头2顺时针旋转，且每次旋转的角度均为30°，直至激光头2旋转回初始位置，激光头2每 旋转一次则利用光电探测器4采集一次火焰3透射或反射出的激光，然后将光电探测器4获 得的所有光电探测信号发送至数据采集处理系统5中，数据采集处理系统5分别对其获得的 光电探测信号进行处理，获得火焰3边界的出射光谱辐射强度值I mi，i为激光头2旋转次数，i =1，2, · · ·，12;
[0025] 步骤二:关闭激光控制器1，保持火焰3稳定，利用微透镜阵列光场相机6从单角度 成像获取火焰3的断层三维辐射场信号，然后将该断层三维辐射场信号发送至数据采集处 理系统5，数据采集处理系统5对断层三维辐射场信号进行处理，获得火焰3自身的出射光谱 辐射强度测量值I n;
[0026] 步骤三:将步骤一获得的火焰3边界的出射光谱辐射强度值Imi分别与步骤二获得 的火焰3自身的出射光谱辐射强度测量值U乍差，获得消除了自辐射的光谱辐射强度测量 值Mi;
[0027] 步骤四：根据逆问题算法假设火焰光谱辐射物性参数为k，将该火焰光谱辐射物性 参数k代入瞬态辐射传输方程，并对该瞬态辐射传输方程求解获得消除了自辐射的光谱辐 射强度估计值Ei;
[0028] 步骤五：以步骤三获得的光谱辐射强度测量值1与步骤四获得的光谱辐射强度估 计值Ei的最小二乘作为火焰光谱辐射物性参数目标函数方程，并求解该火焰光谱辐射物性 参数目标函数方程的目标函数值，然后将该目标函数值与火焰光谱辐射物性参数的给定目 标函数阈值进行比较，判断目标函数值是否小于给定目标函数阈值，是则步骤四中假设的 火焰光谱辐射物性参数k为真实的火焰光谱辐射物性参数，然后执行步骤六，否则返回步骤 四；
[0029] 步骤六:利用真实的火焰光谱辐射物性参数和逆问题算法假设火焰温度场为T，将 假设火焰温度场T代入火焰3的温度场福射传输方程，并对火焰3的温度场福射传输方程求 解获得火焰3自身的出射辐射强度估计值Γ η;
[0030] 步骤七:利用步骤二获得的出射光谱辐射强度测量值In和步骤六获得的出射辐射 强度估计值Γn构造温度场目标函数方程，并求解该温度场目标函数方程的温度场目标函 数值，然后将该温度场目标函数值与温度场给定目标函数阈值进行比较，判断该温度场目 标函数值是否小于温度场给定目标函数阈值，是则步骤六中假设的火焰温度场T为火焰3的 真实温度场，完成火焰温度泛尺度光场探测，否则返回步骤六。
[0031] 本实施方式中，火焰3为高温火焰，其温度范围在1000~3000°C之间。
[0032] 通过激光控制器1触发激光脉冲，照射到火焰3表面，激光在火焰3中被吸收和散射 后会从火焰边界透射或反射出来，利用布置在火焰3周围的光电探测器4接收出射信号，信 号经电缆进入数据采集处理系统5，最终获得火焰3边界不同方向的出射光谱辐射强度值 Im