CN109974858A

CN109974858A - 一种基于热化学发光层析成像技术的燃烧火焰三维轮廓快速重建方法

Info

Publication number: CN109974858A
Application number: CN201910022004.2A
Authority: CN
Inventors: 成艳亭; ***; 孙砚飞; 乔建委; 许文硕; 王志勇
Original assignee: Shandong University of Technology
Current assignee: Shandong University of Technology
Priority date: 2019-01-10
Filing date: 2019-01-10
Publication date: 2019-07-05

Abstract

一种基于热化学发光层析成像技术的燃烧火焰三维轮廓快速重建方法，用于对燃烧火焰形态学轮廓特征进行三维可视化检测。该方法基于热化学发光层析成像原理，利用CCD从多个角度同步采集燃烧火焰化学发光图像；由多角度燃烧火焰辐射图像构造二值化数组，利用数组重建火焰二值化层析图像并识别剖面轮廓；基于火焰层析剖面轮廓的重建最终实现燃烧火焰三维空间轮廓的重建。该方法克服了现有可视化燃烧检测方法空间分辨率不足的问题，将二维空间上的可视化检测拓展到三维空间；检测过程无需外强光源、声波等的介入，不易受其他因素干扰；重建步骤不涉及大规模迭代运算，计算量较常规计算机层析成像技术大大减少，因此对计算机硬件资源要求不高。

Description

一种基于热化学发光层析成像技术的燃烧火焰三维轮廓快速重建方法

技术领域

本发明涉及一种燃烧火焰可视化检测方法，尤其涉及一种基于热化学发光层析成像技术的燃烧火焰三维轮廓快速重建方法。

背景技术

燃烧过程可视化检测技术广泛应用于能源产业应用研究中，单纯拍照或视频监控已不能满足科研及生产需求。当前可视化燃烧检测技术被普遍用于研究复杂工况下燃料的燃烧特性，揭示燃料燃烧规律、污染物形成特点、放热规律等，可视化检测技术的发展对促进燃烧基础理论发展、推动燃料应用技术的突破具有重要意义。当前可视化燃烧检测技术可分为介入式和非介入式两类，其中介入式检测主要包括纹影法\阴影法、平面诱导荧光\炽光、消光法；以及超声检测技术等。介入式检测技术将高能光源、声波引入燃烧场，对燃烧过程中的流场、温度场、组分浓度分布等进行可视化检测。介入式检测技术可获得检测空间上的一维或二维瞬态参数分布，但三维空间的可视化检测难以实现；空间分辨率不足是制约此类检测技术发展水平的重要因素。此外硬件***复杂，设备造价昂贵也限制了介入式检测技术的广泛应用。纹影法、阴影法利用光在被测流场中的折射率梯度正比于流场中气流密度的原理，将流场中密度梯度的变化转变为记录平面上相对光强的变化，使流场中的密度变化剧烈的区域成为可观察、可分辨的图像，用于观测气流的边界层、燃烧。虽然纹影/阴影法可得到气流密度边界变化，但所探边界是沿一维景深方向的累积，难以分辨具体边界位置，即三维空间的可视化检测受限；同时，由于检测***引入了强光源，会覆盖燃烧产生的热化学发光，对于燃烧细节的观测产生较大影响。平面激光诱导荧光法利用激光源诱导燃烧过程中所产生的官能团发出特殊荧光，根据不同物质分子的荧光光谱可得到燃烧场中不同组分的浓度信息。检测设备通过激光扩束将片状激光源引入燃烧场，利用工业CCD作为接收器，得到激光源穿透路径上的荧光源物质二维浓度分布。平光激光诱导炽光法与平面激光诱导荧光法不同的是，前者检测的是连续炽光光谱，而非荧光光谱，多用于燃烧中产生的碳烟颗粒的检测；两种检测方法实现的均是二维场的可视化检测，反映的是光源所穿透路径上的参数分布，而激光源穿透路径之外的区域无法进行检测，因此三维空间上的可视化检测难以实现。消光法主要用于燃烧中所产生的碳烟颗粒的检测，其检测原理为：当激光束穿过碳烟粒子区域时，由于碳烟颗粒对光的散射和吸收作用使入射光强度降低，应用Lambert Beer理论可得出碳烟体积分数；通过将点光源扩束，可实现激光扩束面上的二维可视化检测，但检测结果仍然是激光路径上的累积，三维空间上的变化细节无法还原；再加上激光扩束范围的约束，其空间分辨率有限。声学法检测近年来被逐渐用于燃烧温度场的检测，其检测原理是根据声波在介质中的传播速度是气体介质温度的函数，在某个层截面四周安装若干个声发射\接收传感器，获得若干声波发射—接收通道，经重建可获得该层截面温度场温度分布；但燃烧场的三维可视化检测实现较困难。非介入式燃烧检测技术主要利用燃烧过程中化学发光辐射的检测获得燃烧场信息，多以工业CCD作为传感器，利用比色法原理等获得二维温度场分布，或者根据发射光谱对某组分的分布进行估计等。非介入式检测技术无需外能束介入燃烧场，***相对简单，但检测结果是燃烧场的二维分布，或者空间一维方向上的累积，依然无法实现三维空间上的燃烧特性检测。

发明内容

本发明根据现有技术无法对燃烧过程进行三维可视化检测的问题，公开一种基于热化学发光层析成像技术的燃烧火焰三维轮廓快速重建方法；基于该方法可对燃烧火焰轮廓形态的瞬变进行三维可视化检测；具体方法步骤如下：

步骤一、搭建多角度图像采集***：该***包含若干成像光路从多个角度对燃烧火焰成像，不同成像光路镜头光心在同一平面上，且与平面上中心点O的距离相等，如图1所示；为得到有效角度成像，不同成像光路主光轴应不重合或不在同一直线上，避免形成镜像光路；***利用软件同步触发CCD，或者通过外部触发源使得各光路CCD成像同步；

步骤二、***标定、图像采集：制作标准标定面，令各成像光路对标定面清晰成像，标定过程中标定面与成像光路主光轴垂直且经过中心点O；调整标定面使其在各成像光路视野中的成像位置统一；通过图像匹配消除误差确保各成像光路对标定面的成像一致；各光路CCD设置相同光学参数，包括光圈、曝光时间及帧频等，同步触发各路相机采相并存储；

步骤三、层析数组构建：由于在同步模式下工作，各光路图像记录了火焰在同一时间点的形态；火焰数字图像在计算机中存储格式为灰度值矩阵。根据空间化学发光成像关系，火焰层析剖面上的辐射强度分布决定了图像灰度值矩阵中行向量元素的值；火焰三维轮廓重建基于火焰各个层析剖面上轮廓的还原完成，如图2所示。根据化学发光空间成像关系，火焰层析剖面上的辐射强度分布决定了图像灰度值矩阵中行向量元素的取值。将各角度火焰数字图像二值化，取各火焰图像灰度值矩阵同一行向量构建数据组，数据组维数等于成像光路个数。设火焰数字图像灰度值矩阵规模为M×N，可按行构建M个数组记为P_m（1≤m≤M），根据光化学层析成像原理，数组P_m(1≤m≤M)反映了火焰层析剖面上发光辐射强度的累积;

步骤四、火焰三维轮廓重建：取某一数组P_m0，读取数组P_m0第i行生成中间矩阵T_0i；若P_m0(i,j)=1，将矩阵T_0i第j列元素赋值为1，反之赋值为零；如此读取数组P_m0其他行并依次生成中间矩阵；将各中间矩阵按照步骤一所述图像采集***中各光路成像角度旋转, 得到旋转矩阵，将旋转矩阵相乘得，则T'₀即为火焰剖面辐射图像（二值化）的重建；T'₀内部元素值为1的“明亮”连通区域代表剖面上焰体部分，元素值为0的部分代表背景区域；由重建图像上火焰内部“明亮”区域与背景区域的交界即可得该层剖面上的火焰轮廓。按上述步骤由数组P_m（1≤m≤M）还原重建所有火焰剖面轮廓，最终得到整个焰体的空间三维轮廓；

本发明的有益效果是：公开一种基于热化学层析成像技术的火焰三维轮廓快速重建方法，对燃烧火焰空间形态特征进行三维可视化检测，该方法检测方法无需外激光源、声波等高能束介入燃烧场，成本要求低、装置简单易于实现；实现了燃烧过程的三维可视化检测，更真实地反映燃烧细节、揭示燃烧规律；对进一步了解燃料燃烧特性、建立更加精确的燃烧模型，以及改进燃烧技术、燃烧模式、实现高效清洁燃烧具有重要意义，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是为本发明实施实例提供的燃烧火焰多角度同步成像采集***示意图;

图2是为本发明实施实例提供的燃烧火焰多角度同步成像采集***中各光路主光轴与像平面间的空间结构关系示意图;

图3 是为本发明实施实例提供的燃烧火焰剖面成像与火焰三维轮廓结构关系示意图;

图4 是为本发明实施实例提供的用于火焰剖面轮廓还原的旋转矩阵生成示意图;

图5 是为本发明实施实例提供的火焰剖面轮廓重建结果示意图。

具体实施方式

现以某层流火焰的可视化检测为例，结合附图对本发明所公开的一种基于热化学发光层析成像技术的燃烧火焰三维轮廓快速重建方法具体实施过程做进一步说明：

步骤一、搭建多角度图像采集***如图1所示，***在0—180°范围内均匀设置6个成像光路，各成像光路主要由工业CCD和镜头构成；各光路成像角度分别为0°、30°、60°、90°、120°、150°，相邻两个成像光路主光轴夹角为30°；各成像光路主光轴在同一平面上且交于中心点O。统一设置CCD工作模式为外触发模式，利用同步盒作为外触发源为各光路CCD提供触发脉冲，CCD触发以脉冲上升沿有效；

步骤二、***标定、图像采集：制作标准标定面，令各成像光路对标定面清晰成像，标定过程中标定面与成像光路主光轴垂直且经过中心点O；调整标定面使其在各成像光路视野中的成像位置统一；通过图像匹配消除误差确保各成像光路对标定面的成像一致，如图2所示。各光路CCD设置相同光学参数，包括光圈、曝光时间及帧频等，同步触发各路相机采相并存储；

步骤三、构建层析数组：由于在同步模式下工作，各光路图像记录了火焰在同一时间点的形态；火焰数字图像在计算机中存储格式为灰度矩阵，根据空间化学发光成像关系，火焰层析剖面上的辐射强度分布决定了图像灰度矩阵中行向量元素的值；将各角度火焰数字图像二值化，取各图像灰度矩阵同一行向量创建数组，数组维数等于成像光路个数，即包含6个行向量。设火焰图像灰度矩阵规模为M×N，则可按行创建M个数组，记为P_m(1≤m≤M)；根据化学发光层析成像原理，数组P_m(1≤m≤M)反映了火焰层析剖面上发光辐射强度的累积；

步骤四、火焰三维轮廓重建：火焰三维轮廓重建基于火焰各个层析剖面上轮廓的还原完成；如图3所示。取某一数组P_m0，读取数组P_m0第i (1≤i≤6)行生成中间矩阵T_0i；若P_m0(i,j)=1，将矩阵T_0i第j列元素赋值为1，反之赋值为零；如此读取数组P_m0其他行并依次生成中间矩阵；参照图像采集***中各光路成像角度，将各中间矩阵分别旋转0°、30°、60°、90°、120°、150°，得到旋转矩阵T₀₁~T₀₆，如图4所示。将旋转矩阵相乘得，则T'₀即为火焰层析剖面辐射图像（二值化）的重建；T'₀内部元素值为1的连通区域代表火焰层析剖面上焰体“明亮”区域，元素值为0的部分代表背景区域；由火焰层析剖面重建图像上火焰内部“明亮”区域与背景区域的交界即可得该层析剖面上的火焰轮廓，如图5所示；按上述过程由数组P_m（1≤m≤M）还原重建M个火焰剖面轮廓，最终实现整个火焰三维轮廓的重建。

Claims

1.一种基于热化学发光层析成像技术的燃烧火焰三维轮廓快速重建方法，用于对燃烧过程形态学轮廓特征进行三维可视化检测；该方法利用工业CCD从多个角度同步采集燃烧火焰辐射图像，基于热化学发光层析成像原理，实现燃烧火焰三维轮廓的快速重建；具体重建步骤为：

步骤一、搭建多角度图像采集***：该***包含若干成像光路从多个角度对火焰辐射成像，不同成像光路镜头光心在同一平面上，且与平面上中心点O的距离相等；为得到有效角度成像，不同成像光路主光轴应不重合，以避免形成镜像光路；***利用软件同步触发CCD，或者通过外部触发源使得各光路CCD成像同步；

步骤三、构建层析数组：由于在同步模式下工作，各光路图像记录了火焰在同一时间点的形态；火焰数字图像在计算机中存储格式为灰度矩阵，根据空间化学发光成像关系，火焰层析剖面上的辐射强度分布决定了图像灰度矩阵中行向量元素的值；将各角度火焰数字图像二值化，取各图像灰度矩阵同一行向量创建数组，数组维数等于成像光路个数；设火焰图像灰度矩阵规模为M×N，则可按行创建M个数组，记为P_m(1≤m≤M)；根据化学发光层析成像原理，数组P_m(1≤m≤M)反映了火焰层析剖面上发光辐射强度的累积；

步骤四、火焰三维轮廓重建：取某一数组P_m0，读取数组P_m0第i行生成中间矩阵T_0i；若P_m0(i,j)=1，将矩阵T_0i第j列元素赋值为1，反之赋值为零；如此读取数组P_m0其他行依次生成中间矩阵；将各中间矩阵按照步骤一所述图像采集***中各光路成像角度旋转, 得到旋转矩阵，将旋转矩阵相乘得，则T'₀即为火焰层析剖面辐射图像（二值化）的重建；T'₀内部元素值为1的连通区域代表火焰层析剖面上焰体“明亮”区域，元素值为0的部分代表背景区域；由火焰层析剖面重建图像上火焰内部“明亮”区域与背景区域的交界即可得该层析剖面上的火焰轮廓；按上述过程由数组P_m（1≤m≤M）还原重建M个火焰层析剖面轮廓，完成整个火焰三维轮廓的重建。

2.据权利要求1所述的一种基于热化学发光层析成像技术的燃烧火焰三维轮廓快速重建方法，其特征在于该方法属于非介入式检测方法，检测过程无需外界能束引入燃烧场，不对燃烧过程产生干扰，不易受其他因素干扰。

3.据权利要求1所述的一种基于热化学发光层析成像技术的燃烧火焰三维轮廓快速重建方法，其特征在于根据火焰辐射透射性特点以及化学发光层析成像技术原理，步骤一中多角度图像采集***仅需要在0~180°范围内设计成像光路，该范围内成像角度α与其180~360°范围内的镜像角度(α+180)°对于火焰三维轮廓重建具有等同效果。

4.根据权利要求1所述的一种基于热化学发光层析成像技术的燃烧火焰三维轮廓快速重建方法，其特征在于步骤四中火焰三维轮廓重建过程不涉及大规模迭代运算，相较于常规计算机层析成像技术运算量大大减少，因此重建速度快，可基于该方法实现燃烧火焰三维轮廓的在线监测。

5.根据权利要求1所述的一种基于热化学发光层析成像技术的燃烧火焰三维轮廓快速重建方法，其特征在于火焰三维轮廓重建精度与图像采集***中成像光路的数量紧密相关，成像光路越多，其重建效果越理想。