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研究文章|开放获取
张表,渔洞刘、陈Wang Chuanlong徐,气气, ”重建三维温度曲线基于数字调整技术的辐射参与式火焰的光场相机”,国际期刊的Photoenergy, 卷。2019年, 文章的ID6342808, 13 页面, 2019年。 https://doi.org/10.1155/2019/6342808
重建三维温度曲线基于数字调整技术的辐射参与式火焰的光场相机
文摘
准确、可靠的测量三维火焰温度剖面高度理想的实现燃烧和污染物形成过程的深入理解。本文测量方法重建三维火焰温度曲线提出了通过使用一个光场相机。它结合了卷积成像模型和辐射传递方程和考虑排放的特点,吸收和散射的半透明的火焰。根据成像系统的点扩散函数特征,重新调整飞机的数量和位置设置了综合考虑重建的精度和效率。证实了本方法的可行性,数值模拟和实验的蜡烛火焰。这种方法实现的重建三维不对称火焰概要文件通过一个暴露一个摄像头,它克服了多个摄像机系统的复杂性的问题,传统的扫描相机系统的时间延迟。
1。介绍
目前,仍然燃烧提供了世界上大部分的能源消耗。它广泛存在于电站锅炉、化工厂反应堆,喷气发动机,燃气轮机、内燃机和其他领域(1- - - - - -4]。尽管持续的寻找替代能源,燃烧化石燃料仍将是重要的相当长的一段时间里(5]。因此,人们迫切需要了解的微妙过程燃烧增加燃烧室的效率和控制污染物特别是烟尘粒子和没有x(6]。准确、可靠的测量火焰温度剖面高度可取达到深入理解这些燃烧和污染物的形成过程(7]。详细调查的行为火焰,火焰温度的三维(3 d)分布燃烧工程师已变得越来越重要。
温度对3 d重建,常见的做法是使用多个摄像机系统或扫描一个相机捕捉多个二维图像序列在不同的观点8- - - - - -12]。在摄像机成像系统中,存在局限性等有限的空间布局,难以系统校准,缓慢的数据传输和存储,不一致的成像质量,难以同步和硬件成本高。为单个相机扫描成像系统,它实际上牺牲时间分辨率获得多视图2 d图像序列(13- - - - - -17]。因此,它只适用于一个相对稳定的火焰的三维温度测量。近年来,一种新型的图像采集设备,光场相机,开发了基于计算成像理论(18- - - - - -20.]。与传统相机相比,它可以记录光场的强度和方向,同时通过将微透镜阵列传感器和主之间的镜头。实现使用一个相机来获取多视图2 d图像序列通过一个曝光,它提供了一种依据三维温度重建,因此,它吸引了来自世界各地越来越多的关注。
妞妞et al。21)同时重建三维温度分布和光学特性(吸收和散射系数)的圆柱形参与媒体通过原始光场图像使用混合最小二乘QR decomposition-stochastic粒子群优化(LSQR-SPSO)算法。被假定为轴对称温度分布,吸收和散射系数分布均匀。Qi et al。22]重建三维温度和吸收系数分布同时使用Levenberg-Marquardt方法的混合算法与边界约束和非负最小二乘(LMBC-NNLS)。尽管轴对称和统一的约束并不是用于重建,空间分辨率和检索效率太低。赵et al。23基于光学切片断层扫描)提出了一种新颖的方法对3 d测量火焰温度。该方法具有较高的计算效率和空间分辨率。然而,它没有考虑吸收和散射的火焰。
在这篇文章中,一个光场相机是用于成像蜡烛的火焰。然后,几个二维图像序列在不同深度通过数字调整技术是基于原始光场图像。此外,传播辐射获得的源术语在不同的预设深度图像反褶积。通过消除吸收和散射的影响,排放强度分布在这些预设的深度。最后,重建的三维火焰温度剖面通过关联发射亮度和温度。本文组织如下。节2的数字调整原理,发射的光场相机和成像模型,介绍了吸收和散射的火焰。节3验证了该方法的可行性,几个数值模拟;然后,两个实验系统设置测量吸收和散射系数和3 d蜡烛火焰的温度曲线,分别。最后,提供了主要结论和观点。
2。基本测量原理
2.1。成像模型的半透明的火焰
传统的成像过程是重叠的图像场景在不同的深度。它不考虑空间的吸收和散射。换句话说,从现场发出的射线能量和方向不会改变之前达到成像系统的入射光瞳。如图1,有一个3 d火焰的厚度在轴 。一般而言,轴被选中作为主要的光学成像系统的轴。如果成像系统形成了一个图像平面 ,图像的灰度分布 可以被认为是飞机的强度分布集中的重叠 和其他分散注意力的飞机 。对于一个线性移不变的成像系统,图像的灰度分布是原始强度分布的卷积对应的点扩散函数(PSF)根据傅里叶光学理论。 在哪里 是对象的PSF飞机吗对图像平面 。 和是和坐标相对于图像的中心位置。表明卷积操作。
如果火焰分为几个部分,原始的光场图像可以用来计算传统摄影在任何深度,方程(1)可以离散如下: 在哪里和是重新调整图像的水平和垂直的指数。重新调整图像的索引。 , ,和火焰在轴的索引吗 , ,和 ,分别。和是重新调整图像的水平和垂直的相对指数。和重新调整图像的总数和网格轴 。
火焰是一个发射、吸收和散射介质。它将与射线穿过它。因此,火焰的成像公式应该改写如下: 在哪里 是传播辐射源项。 即将离任的辐射源项。和吸收和散射系数的火焰;这个模型没有考虑辐射的空间和光谱特征属性。 火焰的黑体辐射强度;它可以建立一个根据斯蒂芬玻尔兹曼定律与温度的关系。和索引的方向吗和 。 是火焰的辐射强度沿方向 ;它可以通过求解辐射传输方程计算。散射相位函数与入射方向吗和出口方向 。 立体角的大小是由方向 。 的总数是角的分歧。 的距离,射线在火焰里传播。
2.2。光场相机的数字调整
传统相机的成像模型是一个二维子空间投影采样的7维plenoptic函数 (24]。它有一个高采样能力只有在2 d空间 高分辨率,信息采样在其他方面的能力 是极其有限25]。相反,光场相机之间放置一个微透镜阵列传感器和主透镜的基础上传统的相机(见图2)。这些微透镜的图像subapertures主要的镜头。换句话说,它可以实现定向 重采样。如果和坐标系统是建立在主平面透镜和微透镜阵列平面,分别抽样射线可以由四维参数化功能 。
光场相机,空间分辨率取决于显微镜头的数量,和定向分辨率像素的数量由每个显微镜头。辐照的能量 微透镜阵列平面上等于加权积分强度通过主透镜(26]: 在哪里主要透镜平面之间的距离,微透镜阵列平面。 沿射线强度从职位 在主镜头平面位置 在平面微透镜阵列。射线之间的角度吗 和微透镜阵列平面正常。 是一个定义的变量缩短方程, 。
光场相机的光场记录可以用来计算传统照片在任何深度 ,在哪里不需要一样吗 。这是由reparameterizing完成 生产 。应用方程(6),重新调整图像的强度可以通过总结每个斜线重采样点。
3所示。结果和讨论
3.1。数值模拟
为了验证本文提出的测量方法的可行性,旨在重建火焰温度数值的几种情况在不同的特点。首先,火焰的吸收和散射特性不考虑。如图3,三个点光源阵列排列在三层的深度107毫米,112毫米和117毫米。每个点光源数组的大小 ,它分为 网格。有一个光场相机的主光轴穿过中心的点光源阵列。其重点选择飞机作为数组的中央部分。主透镜的焦距 ,孔的直径 。之间的距离主要镜头平面微透镜阵列平面 。显微镜头的焦距 ,和其孔径的大小 。微透镜阵列的分辨率 。像素的数量由每个显微镜头 ;收集这些 像素被称为macropixel。每个像素的大小 。
根据几何光学的原理,原始的光场图像的点光源阵列获得如图4。从图可以看出4反向的点光源阵列成像在CCD传感器。与传统相机的形象不同,光场图像是由一些圆形斑点均匀灰度在焦平面上的点光源阵列。这是由于孔径之间的交互主要透镜和微透镜阵列。当散焦平面上的点光源阵列,光场图像的圆形斑点不完整,特别是在边缘。
根据上述数字调整的原则, subaperture图像的像素 从原始的光场图像中提取。然后,三个重新在107毫米的深度图像,获得的112毫米和117毫米转移和总结这些subaperture图像。如图5,重新调整平面上的字母是清楚的和其他人是模糊的。它证明了调整方法的正确性。计算psf根据对象之间的距离飞机和重新图像平面,然后点光源的分布数组的每一个部分都可以通过反褶积操作。如图6,重建的分布非常类似于原始的分布,证明了测量方法的可行性。
为了说明吸收和散射系数的影响火焰的光场成像、三维轴对称火焰与各向同性散射被选中。设置火焰的中心为坐标原点,火焰的大小 和网格划分 。火焰的温度分布是由下面的公式定义,如图7。
光场相机的主要参数如表所示1。根据几何光学的原理,从每个像素的光线是随机抽样,和火焰的十字路口外表面和入射方向记录。在火焰中,光路是根据消光系数随机生成使用蒙特卡洛方法,吸收和散射的射线是由随机数和散射反照率。如果射线熄灭火焰或吸收的火焰,这种射线的跟踪结束。火焰的控制体积指数记录当射线吸收一个控制体积。然后,像素之间的关系和火焰的控制体积可以建立。与传统成像不透明的物体,火焰内部的光可以通过正面的火焰和图像传感器。这是更复杂的比不透明物体的成像。然而,正因为如此,火焰图像可以关联到每一个控制体积的火焰,它使室内火焰的重建成为可能。根据上面提到的数字调整技术,重新调整图像在任何深度可以通过使用原始的光场图像。
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首先,消光系数的影响(吸收和散射系数之和)的火焰。散射反照率(散射系数比消光系数)的火焰保持常数为0.5,和火焰的消光系数是0.001毫米1,0.01毫米1,0.1毫米1,1毫米1,分别。火焰的光场图像有不同的系数如图8。可以看出,随着消光系数的增加,光场图像的灰度值将逐渐减少。这是因为光发出高温区域背面是很难通过前面的火焰到达CCD传感器,导致光场图像的结果只有一个图像的火焰,当消光系数大。
(一)
(b)
(c)
(d)
火焰的消光系数在0.1毫米保持不变1和散射反照率为0.8,0.5,0.2,分别和0。获得的光场图像如图9。可以看出,随着散射反照率减少,光场图像的灰度值将逐渐增加。这是因为吸收系数和发射能力呈正相关。然而,衰减能力只是与消光系数有关。所有这四个条件的消光系数是相同的,和吸收系数随散射反照率降低。
(一)
(b)
(c)
(d)
因此,吸收和散射系数的影响火焰的光场成像是显而易见的,不能被忽视。在这篇文章中,火焰消光系数为0.1毫米1和散射反照率0.2为例。重新调整图像可以被视为一个重叠的图像在当前的所有部分重新调整平面火焰。在一般方法在图像处理中,当一个部分的温度曲线需要重建,重新调整图像在本节需要反褶积与相应的PSF,然后,去模糊技术应用于提高重建质量(27,28]。然而,这种方法只适用于离散媒体的3 d重建,和它不工作的3 d重建连续介质(如火焰)。它需要使用一个全面的反褶积方法消除其他部分的影响。
在拟议的方法,调整部分的数量和位置并不局限的网格划分的火焰。重新调整部分的深度范围扩大到放大每个PSF之间的差异。同时,调整部分的数量增加到提高获得信息的利用程度。一般来说,重建的准确性增加而增加的数量重新调整部分。然而,它伴随着重建效率低。在这篇文章中,41部分中平均分割火焰的中心。重新调整图像序列图所示10。从图可以看出10焦点平面,随着距离的增加,重新调整图像变得越来越模糊。
然后,11的psf的重建部分火焰对这些41重新调整部分计算和用于构建一个大型的反褶积矩阵。用截断奇异值分解(TSVD),辐射传播源 可以根据41重新获得图像序列。证明测量误差对重建结果的影响,随机噪声被添加到每个像素的原始光场图像。以下的测量值可以表示。 在哪里 是测量值原始的光场强度分布的图像。 的真正价值是原始的光场的强度分布图像。是测量误差。 是遵循一个均匀分布的随机数分布区间[1]。
相对应的重建结果没有测量误差和测量误差10%数据所示(11日)和11 (b),分别。积极和消极的迹象在图11指明方向,远离摄像机,分别。的价值表明重建平面火焰中心的距离。从图可以看出11没有测量误差时,重建结果平滑结果相比,测量误差为10%。我们还可以看到火焰的灭绝的影响;远离相机,光能量衰减。
(一)没有测量误差
(b)测量误差为10%
根据基于几何光学射线追踪原理,射线的距离在每个控制体积的火焰可以计算。然后,灭绝的比例在每个位置可以根据比尔定律计算。此外,即将离任的辐射源项 可以获得。替换成辐射传输方程(如下所示),每个位置在每个方向的辐射强度 可以计算的有限体积法(有限)29日,30.]。 在哪里和分别显示的位置和方向向量。 , ,和夹角余弦的吗的正方向 , ,和轴。 表示位置的辐射强度方向 。 表明即将离任的辐射的源项的位置 。
用计算辐射强度 回归方程(5),黑体辐射强度 可以计算的火焰,火焰温度可根据斯蒂芬玻尔兹曼定律。当没有测量误差,最大绝对重建误差 ,和绝对平均和标准偏差的重建误差 。当有测量误差,最大绝对重建误差 ,和绝对平均和标准偏差的重建误差 。重建的三维火焰的温度资料图所示12。从图可以看出12温度重建误差大于重建即将离任的辐射误差源项有测量误差时,尤其是在温度很低的地区。但相比之下,原来的设定温度范围 K,绝对误差是允许的。它证明了该测量方法的可行性。
(一)没有测量误差
(b)测量误差为10%
3.2。实验测量
蜡烛火焰作为测量对象来证明提出的性能测量方法在实验室条件下。温度曲线重建之前,它需要吸收和散射系数测量,标定的光学参数测量系统,并进行一些预处理。测量实验系统的蜡烛火焰的吸收和散射系数如图13。
如图13,使用激光照射蜡烛火焰,传播和散射光扩散收到的白色屏幕。光圈是用来防止激光点周围的杂散光,和一个衰减片是用来减少激光强度相同级别的蜡烛火焰。蜡烛火焰的直径 。扩散的白色屏幕的大小 ,和屏幕之间的距离,蜡烛火焰的中心 。激光、孔径、衰减片,蜡烛的火焰,和屏幕调整在相同的高度;然后,从屏幕上反射的强度分布与常数参数传统摄像头记录下来了。图14显示了扩散白色屏幕的反射强度分布在三个不同的条件下。
(一)火焰
(b)联合行动
(c)激光
假设的吸收和散射系数的火焰不改变光谱和空间,他们可以解决以下两个方程。 在哪里表示一个像素集合在成像区域扩散的白色屏幕上的激光点。和索引的像素和的方向。 , ,和像素的灰度值在数据吗(14日)- - - - - -14 (c)。
基于灰度值的扩散的白色屏幕上反射影像,蜡烛火焰的吸收和散射系数大致测量 和 。它显示了蜡烛火焰的吸收远远大于散射效应。目前的光场相机的成像模型图所示2。相机的动态范围(Imperx B2320)是12位。成像系统的几何参数,如 , ,和 ,很难直接测量,需要获得的校准。使用测量系统标定板图像,如图15的关键参数测量系统可根据几何光学理论。这些关键的几何和光学参数测量系统表中列出2。
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与仿真条件不同,的价值在真实的实验不是一个奇数,甚至一个整数。因此,为了提高成像模型的准确性,循环数组用于适应像素由每个显微镜头。然后,每个macropixel和的中心像素的数量由每个显微镜头,如图16 (b)。因为蜡烛火焰是一个细长的形状,有很多无用的像素在整个图像。改善重建效率,如图(16日),原始光场图像裁剪使用矩形包含一个蜡烛的火焰。
(一)出现原始图像
(b) macroimage的中心
为了确保调整误差在1个像素,同心广场面积的15像素的每个选择macropixel调整过程。计算区域网格的数量分为 。重新调整图像平面之间的距离设置为20等距的位置来 。然后,重新调整图像序列图所示17。从图可以看出17重新调整平面时,远离相机,重新调整图像序列之间的差异不是很明显。然而,差异是显而易见的重新调整平面附近时相机的一面。因此,它应该设置更多的重新调整飞机的相机。
根据上述方法,传播辐射来源术语和蜡烛火焰的温度曲线重建如图18。通过黑体炉标定、辐射传输源项范围从4333 W / m326423 W / m3。从图可以看出(18日)的分布传播辐射来源的蜡烛火焰,直接从图像序列重建,变化大大特别是边界。外部火焰的图像最亮,逐步减少对空气和内心的火焰。它符合蜡烛火焰的理论结构。根据上述数值模拟的方法,即将离任的辐射来源 ,的辐射强度 ,黑体辐射强度 ,和温度 可以决定先后。温度范围从704 K到1083 K。从图可以看出18 (b)的趋势,温度是温和得多的传播辐射来源。这是由于辐射传输源项线性相关温度的四次方。因此,温度曲线是根据定性分析被证明是可靠的。由于缺乏广泛接受的标准测量火焰温度分布的方法,本文的工作并不比较测量温度其他方法的测量结果。
(一)传播辐射的源项
(b)温度剖面
4所示。结论
本文测量方法,提出了一种三维火焰温度剖面,利用光场相机。它结合了卷积成像模型和辐射传递方程和考虑排放的特点,吸收和散射的半透明的火焰。根据数字图像处理技术,辐射传输的三维分布源的火焰直接重建;然后,它实现了间接重建三维温度曲线通过求解辐射传递方程。在重建过程中,原始的光场图像的信息可用性增加了增加调整飞机没有被火焰的深度网格有限。同时,重建的效率被认为是全面,提高重建精度通过设置根据PSF重新调整平面成像系统的特性。目前的方法是通过数值模拟和实验证明是可行的。它实现的重建三维非对称剖面通过一个暴露的一个照相机和克服问题的多个摄像机系统的复杂性和传统的扫描相机系统的时间延迟。未来的工作将集中在验证重建精度的绝对温度分布并将它应用到更多不同种类的火焰。
命名法
| : | 集合的像素激光点的成像区域 |
| : | 扩散白色屏幕的大小(毫米) |
| : | 孔的直径(毫米) |
| : | 显微镜头光圈或火焰的直径(毫米) |
| : | 辐照的能量微透镜阵列平面(W) |
| : | 主透镜的焦距(毫米) |
| : | 显微镜头的焦距(μ米) |
| : | 像素的灰度值 |
| : | 点扩散函数 |
| : | 辐射强度(W / m2·sr) |
| : | 黑体的辐射强度(W / m2·sr) |
| : | 索引的火焰轴 , ,和 |
| : | 之间的距离主要镜头平面微透镜阵列平面或重新调整平面(m) |
| : | 重新调整图像的索引 |
| : | 的像素的索引和方向 |
| : | 的像素的索引和方向相对于图像的中心位置 |
| : | 总数 |
| : | 像素的大小(μ米) |
| : | 位置矢量 |
| : | 火焰的射线传播的距离(毫米) |
| : | 辐射传输源项(W / m3) |
| : | 即将离任的辐射源项(W / m3) |
| : | 温度(K) |
| : | (年代) |
| : | 主要透镜平面上的坐标 |
| : | 火焰的大小 方向(毫米) |
| : | 的坐标 组件 |
| : | 的和坐标相对于图像的中心位置。 |
| : | 几何参数重新调整深度 |
| : | 的角度重新采样点的坐标系统 |
| : | 火焰的厚度(毫米) |
| : | 散射相函数 |
| : | 射线和微透镜阵列平面之间的夹角正常(rad) |
| : | 方位角度(rad) |
| : | 吸收系数(m−1) |
| : | 波长(μ米) |
| : | 之间的夹角的余弦的正方向 , ,和轴 |
| : | 极角(rad) |
| : | 散射系数(m−1) |
| : | 辐射方向 |
| : | 立体角的大小(sr)。 |
| : | 图14 (a)、14 (b), 14 (c) |
| : | CCD |
| : | 火焰 |
| : | 的控制体积的火焰 |
| : | 重新调整位置 |
| : | 重新调整部分 |
| : | 显微镜头和主要镜头 |
| : | 的显微镜头 |
| : | 屏幕,蜡烛的火焰 |
| : | 对象的飞机对图像平面 |
| : | 入射方向出口方向 。 |
| : | 方向的指标和 。 |
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这个工作的支持由中国国家自然科学基金(51676044,51976038),航空发动机的热环境和结构重点实验室的工业和信息化部(没有。CEPE2018005),中央大学的基础研究基金(2242019 k1g024)感激地承认。
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