CN113029335B - 面向火焰环境稀疏空间频率光线的识别提取***与方法 - Google Patents

面向火焰环境稀疏空间频率光线的识别提取***与方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种面向火焰环境稀疏空间频率光线的识别提取***与方法，包括光线收集模块，用以通过光衰减器对光线进行衰减并通过成像镜头将光线在相同空间频率的火焰辐射光线在像方焦平面的同一位置处汇集；光线识别模块，用以允许特定空间频率的光线到达传感器阵列，并使并行采样的稀疏空间频率信息在光谱域内相互独立；时域光谱模块，用以区分光线并在时域内获取动态火焰的高光谱辐射信息。光线通过收集模块进行收集并传输至光线识别模块进行识别与提取，经过识别与提取后的光线传输至时域光谱模块，时域光谱模块对经过光线识别模块传输的光线进行区分和提取信息，能够在时域内同步获取火焰辐射光线的稀疏空间频率信息及其所携带的光谱信息。

Description

面向火焰环境稀疏空间频率光线的识别提取***与方法
技术领域
本发明涉及光线识别与提取技术领域，尤其涉及一种面向火焰环境稀疏空间频率光线的识别及提取***。
背景技术
光线是表示光的传播路径和方向的直线，信号稀疏表示的目的就是在给定的超完备字典中用尽可能少的原子来表示信号，可以获得信号更为简洁的表示方式，从而使我们更容易地获取信号中所蕴含的信息，更方便进一步对信号进行加工处理，现有光信号中携带的光谱信息在输出和识别的过程中容易受到其他因素的干扰，导致光信号缺失信息，现有技术中还缺少在面向火焰环境下的输出与识别稀疏空间频率光线信息的***与方法。
发明内容
为此，本发明提供一种面向火焰环境稀疏空间频率光线的识别提取***与方法，用以克服现有技术中缺少在面向火焰环境下的输出与识别稀疏空间频率光线信息的***与方法的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种面向火焰环境稀疏空间频率光线的识别提取***，包括：
光线收集模块，其包括光衰减器，所述光衰减器的一端接收光线，所述光衰减器的另一端与其成像镜头连接，所述光衰减器用以避免图像过度饱和及对所述***的破坏，所述成像镜头用以使有相同空间频率的火焰辐射光线在其像方焦平面的同一位置处汇集，所述光线收集模块用以通过光衰减器对光线进行衰减并通过成像镜头将经光衰减器衰减后的在相同空间频率的火焰辐射光线在像方焦平面的同一位置处汇集；
光线识别模块，其包括光滤波器，所述光滤波器用以使允许特定空间频率的光线到达传感器阵列，并使并行采样的稀疏空间频率信息在光谱域内相互独立；
时域光谱模块，其包括视频高光谱传感器，用以区分光线所包含的波长信息，并将区分后的光线的波长信息通过视频灰度相机在时域内获取动态火焰的高光谱辐射信息；
光线通过所述光线收集模块进行收集传输至所述光线识别模块进行识别与提取，经过识别与提取后的光线传输至所述时域光谱模块，所述时域光谱模块对经过所述光线识别模块传输的光线进行区分和提取信息，能够在时域内同步获取火焰稀疏空间频率辐射光线及其所携带的光谱信息。
进一步地，所述光线收集模块中的光衰减器设置为双线偏振片，通过设置所述双线偏振片用以避免火焰强烈辐射导致的图像饱和以及对所述***的破坏。
进一步地，所述双线偏振片能够基于马吕斯定律通过控制两偏振轴之间的夹角进行不同程度的光衰减。
进一步地，所述成像镜头设置为消色差透镜。
进一步地，所述光滤波器为在傅里叶空间频谱面不同位置处设置稀疏的空间滤波器，用以对光线进行识别。
进一步地，在不同空间滤波器位置处联合设置的不同带通波段的滤光片，用以使得并行采样的稀疏空间频率信息在光谱域内相互独立并对光线进行提取。
进一步地，所述视频高光谱传感器采用掩模棱镜结构的组合方式，用以区分光线所包含的波长信息。
进一步地，所述时域光谱模块中经过所述掩模棱镜结构处理后的光线传输至视频灰度相机，所述视频灰度相机在时域内获取动态火焰的高光谱辐射信息。
进一步地，所述光线收集模块、光线识别模块与时域光谱模块通过协同工作，能够在时域内同步获取火焰稀疏空间频率辐射光线及其所携带的光谱信息。
进一步地，一种面向火焰环境稀疏空间频率光线的识别提取方法，包括：
步骤一：光线收集模块通过光衰减器对光线进行衰减，并将经光衰减器进行衰减后的光线传输至消色差透镜；
步骤二：经过消色差透镜收集的光线传输至光线识别模块，所述光线识别模块中的在傅里叶空间频谱面不同位置处设置稀疏的空间滤波器对光线进行识别传输，并在不同空间滤波器位置处联合不同带通波段的滤光片，用以对空间频率信息以波长特征进行识别与提取；
步骤三：经过所述光线识别模块识别与提取后的光线传输至所述时域光谱模块，所述时域光谱模块通过掩模棱镜结构对光线以波长信息进行区分，并在视频灰度相机在时域内获取动态火焰的高光谱辐射信息。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明通过提供面向火焰环境稀疏空间频率光线的识别提取***，光线通过所述光线收集模块进行收集传输至所述光线识别模块进行识别与提取，经过识别与提取后的光线传输至所述时域光谱模块，所述时域光谱模块对经过所述光线识别模块传输的光线进行区分和提取信息，能够在时域内同步获取火焰稀疏空间频率辐射光线及其所携带的光谱信息。
尤其，光线通过所述光线收集模块中的光衰减结构进行光线衰减，并将经过光衰减处理后的光线传输至成像镜头，经成像镜头处理后的光线进入所述光线识别模块通过光轴的光滤波器进行处理，经所述光滤波器处理后的光线进入所述时域光谱模块，通过分光结构进行区分光线，并在视频灰度相机的作用下实现在时域内获取动态火焰的高光谱辐射信息。
进一步地，所述光线收集模块、光线识别模块与时域光谱模块通过协同工作，能够在时域内同步获取火焰稀疏空间频率辐射光线及其所携带的光谱信息。
尤其，所述光线识别模块的在傅里叶空间频谱面不同位置处设置稀疏的空间滤波器，所述空间滤波器能够实现在特定的空间频率的光线到达传感器阵列，并通过在不同空间滤波器位置处联合设置的不同带通波段的滤光片，所述带通滤光片能够使得并行采样的稀疏空间频率信息在光谱域内相互独立，能够对空间频率信息以波长特征进行识别与提取。
附图说明
图1为本发明所述实施例在面向火焰环境稀疏空间频率光线的识别及提取***的结构示意图；
图2为本发明所述实施例中火焰辐射光线的追迹过程示意图；
图3为本发明所述实施例中火焰的空间频率匹配的第一过程示意图；
图4为本发明所述实施例中火焰的空间频率匹配的第二过程示意图；
图5为本发明所述实施例中火焰的空间频率匹配的第三过程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的或位置关系的术语是基于附图所示的或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1所示，本发明提供了一种面向火焰环境稀疏空间频率光线的识别及提取***，包括：
光线收集模块，其包括光衰减器1，所述光衰减器1的一端接收光线，所述光衰减器1的另一端与其成像镜头2连接，所述光衰减器1用以避免图像过度饱和及对所述***的破坏，所述成像镜头2用以使有相同空间频率的火焰辐射光线在其像方焦平面的同一位置处汇集，所述光线收集模块用以通过光衰减器1对光线进行衰减并通过成像镜头2将经光衰减器1衰减后的在相同空间频率的火焰辐射光线在像方焦平面的同一位置处汇集；
光线识别模块，其包括光滤波器3，所述光滤波器3用以使允许特定空间频率的光线到达传感器阵列，并使并行采样的稀疏空间频率信息在光谱域内相互独立；
时域光谱模块，其包括视频高光谱传感器，用以区分光线所包含的波长信息，并将区分后的光线的波长信息通过视频灰度相机5在时域内获取动态火焰的高光谱辐射信息。
具体而言，本发明实施例中，在光线收集模块中，采用双线偏振片结构作为光衰减器来避免火焰强烈辐射导致的图像饱和以及对光电成像***的破坏，基于马吕斯定律通过控制两偏振轴之间的夹角来实现不同程度的光衰减；以消色差透镜21作为光线收集模块的主要组成部分，使得具有相同空间频率的火焰辐射光线在其像方焦平面，傅里叶空间频谱面的同一位置处汇集。对于光线识别模块，在傅里叶空间频谱面不同位置处设置稀疏的空间滤波器，允许特定空间频率的光线到达传感器阵列；在不同空间滤波器位置处联合不同带通波段的滤光片，使得并行采样的稀疏空间频率信息在光谱域内相互独立，能够对空间频率信息以波长特征进行识别与提取。时域光谱模块由视频高光谱传感器组成，采用掩模棱镜结构组合方式区分光线所包含的波长信息，结合视频灰度相机在时域内获取动态火焰的高光谱辐射信息，通过所述光线收集模块、光线识别模块和时域光谱模块的协同工作，能够在时域内同步获取火焰稀疏空间频率辐射光线及其所携带的光谱信息。
具体而言，本发明实施例中，光线通过所述光线收集模块中的光衰减器1进行光线衰减，并将经过光衰减处理后的光线传输至成像镜头2，经成像镜头2处理后的光线进入所述光线识别模块通过光轴的光滤波器3进行处理，经所述光滤波器3处理后的光线进入所述时域光谱模块，通过分光结构4进行区分光线，并在视频灰度相机5的作用下实现在时域内获取动态火焰的高光谱辐射信息。
具体而言，本发明实施例中，所述光线收集模块中的光衰减器1设置为双线偏振片11，通过设置所述双线偏振片11来避免火焰强烈辐射导致的图像饱和以及对光电成像***的破坏，所述双线偏振片11能够基于马吕斯定律通过控制两偏振轴之间的夹角来实现不同程度的光衰减。
请参阅图2-5所示，其为火焰辐射光线的追迹和定位过程，在获取和识别火焰辐射光线的稀疏空间频率信息后，对不同空间频率的光线的共同发射源位置进行确定，通过光轴与高光谱传感器阵列中心重合，以消色差透镜的像方主点作为O-xyz坐标系的原点，其与物方主点之间的距离为d'，令火焰的一条辐射光线轨迹为l'，其过像方主平面点A(xA,yA,zA)与像方焦平面点O'(xo,yo,zo)，到达光谱传感器阵列的位置为A'(xA',yA',zA'))；l则为与l'具有相同空间频率的经过消色差透镜主点的光线，其与光谱传感器阵列的交点位置为O”(xo”,yo”,zo”)。根据傅里叶光学知识可知，l与l'共同交于像方焦平面O'点，存在以下几何关系：
△A00’～△A’0”0’
因而可得到关于点A的表达式为
O'点坐标可由传感器阵列中的像素位置决定，同时由O'与A'的位置可确定直线O'A'的方程，且点A在直线O'A'上以及满足条件xA＝0，综合以上条件能够获取A的空间坐标位置。根据物方主平面与像方主平面共辄且垂轴放大率为+l的特点，可以进一步获得l'与物方主平面的交点位置，其空间频率满足如下关系
θ＝tan-1(d”/f')，
在此基础上能够获取l'的直线方程及其方向向量。
具体而言，本发明实施例中，空间滤波器通道1、2、3的带通滤波范围不同，假设火焰边界上不同的两点A、B以相同空间频率通过通道2，则在该空间频率内分别经过A与B的辐射光线方向方程能够求解出来，且基于普朗克辐射定律可以借助通道2波段内的高光谱信息获取辐射光线所对应的温度特性；同理可以求取与空间滤波器通道1、3所对应的辐射光线方程及携带的温度信息。在光学成像***物方空间中，具有相同温度信息的光线交点才是火焰边界的真实位置，光线的剩余交点则为伪交点。基于普朗克辐射定律中的光谱辐射特性，可以对空间滤波通道光线的高光谱辐射信息进行复原。为避免火焰边界不同位置处具有相同温度情形的干扰，本实施例中设置9个通道来增加火焰边界位置定位的准确程度。
请继续参阅图2-5所示，依据普朗克辐射定律的方向辐射特性再次对空间频率光线进行匹配。在火焰全视线方向高光谱辐射信息解调机理与方法中，通过对火焰边界进行定位后,需要进一步确认定位位置边界的法线方向以及全视线方向高光谱辐射特性,具体的解调机理与计算方法如下所示。当辐射光线偏离火焰边界法线方向时，火焰的有效辐射面积减小，则特定波长下辐射方向的强度特性Ix为
Ix＝Imaxcos2θx，
其中，Imax为火焰边界法线方向的光辐射强度，θx为边界辐射光线方向与法线方向之间的夹角。
具体而言，本发明实施例中，为避免空间频率光线的匹配错误，需要进一步基于上述特定波长下辐射方向的强度特性的计算来剔除光强分布不符合余弦平方规律的源点光线。在此基础上，选取图3中所获取的火焰边界某点位置的三条高光谱辐射光线强度，其强度大小分别为Ii，Ij与Ik，其与边界法线方向的夹角分别为θi，θj与θk，则存在如下关系
通过求解Imax，θi，θj与θk的数值，设定θi，θj与θk相对应的空间频率光线方向向量分别为(xn1,yn1,zn1)，(xn2,yn2,zn2)与(xn3,yn3,zn3)，它们与法线向量(xn,yn,zn)之间满足如下关系
通过求解可以得出火焰边界的法线向量(xn,yn,zn)，进一步基于普朗克辐射定律中的光谱辐射特性与方向辐射特性可以计算得到火焰边界不同视线方向的高光谱辐射特征。
具体而言，本发明实施例中，所述光衰减器1也可以设置为不同的结构，只要能够满足本发明所述避免火焰强烈辐射导致的图像饱和以及对光电成像***的破坏的结构都属于本发明的保护范围。
具体而言，本发明实施例中，所述成像镜头2设置为消色差透镜21，所述消色差透镜21作为所述光线收集模块的主要组成部分，使得有相同空间频率的火焰辐射光线在其像方焦平面傅里叶空间频谱面的同一位置处汇集，实现光线的收集。
具体而言，本发明实施例中，所述消色差透镜21在本实施例中是用于消除色差并成像的镜头设置，只要满足本发明所述消色差透镜21的功能，都属于本发明的保护范围。
具体而言，本发明实施例中，所述光线识别模块中的光滤波器3为在傅里叶空间频谱面不同位置处设置稀疏的空间滤波器31，所述空间滤波器31能够实现在特定的空间频率的光线到达传感器阵列，并通过在不同空间滤波器31位置处联合设置的不同带通波段的滤光片，所述带通滤光片32能够使得并行采样的稀疏空间频率信息在光谱域内相互独立，能够对空间频率信息以波长特征进行识别与提取。
具体而言，本发明实施例中，经所述消色差透镜21后的光线通过设置的稀疏空间滤波器31，通过镜头的像方焦距，使特定空间频率的光线到达传感器阵列，并通过在稀疏空间滤波器31上设置的带通滤光片32，使经过采样的稀疏空间频率信息在光谱域内相互独立，从而对空间频率信息以波长为特征点进行识别和提取。
具体而言，本发明实施例中，所述时域光谱模块由视频高光谱传感器组成，采用掩模41棱镜42结构的组合方式，用以区分光线所包含的波长信息，并结合视频灰度相机5在时域内获取动态火焰的高光谱辐射信息。
具体而言，本发明实施例中，所述时域光谱模块通过分光结构4区分光线中所包含的波长信息，本实施例分光结构4采用的是掩模41棱镜42结构，将经过区分后的光线波长信息采用视频灰度相机5进行获取动态火焰的高光谱辐射信息。
具体而言，本发明实施例中，光线通过所述光线收集模块进行收集传输至所述光线识别模块进行识别与提取，经过识别与提取后的光线传输至所述时域光谱模块，所述时域光谱模块对经过所述光线识别模块传输的光线进行区分和提取信息，能够在时域内同步获取火焰稀疏空间频率辐射光线及其所携带的光谱信息。
具体而言，本发明实施例中，所述光线收集模块通过光衰减器1将接收到的光线进行光衰减，本实施例中光衰减器1设置为双线偏振片11，并将经过光衰减器1衰减后的光线传输至成像镜头2，本实施例中成像镜头2设置为消色差透镜21，经过所述消色差透镜21处理后的光线传输至光滤波器3，本实施例中光滤波器3设置为在傅里叶空间频谱面不同位置处设置稀疏的空间滤波器31，并在不同空间滤波器31位置处联合不同带通波段的滤光片，光线经过稀疏的空间滤波器31使允许特定空间频率的光线到达传感器阵列，并在带通波段的滤光片的作用下，使得并行采样的稀疏空间频率信息在光谱域内相互独立，能够对空间频率信息以波长特征进行识别与提取，经过带通波段的滤光片的光线传输至分光结构4，本实施例中分光结构4设置为掩模41棱镜42结构，通过所述掩模41棱镜42结构区分光线所包含的波长信息，并将经过区分的光线信息传输至视频灰度相机5，所述视频灰度相机5在时域内获取动态火焰的高光谱辐射信息。
具体而言，本发明实施例中，所述光线收集模块、光线识别模块与时域光谱模块通过协同工作，能够在时域内同步获取火焰稀疏空间频率辐射光线及其所携带的光谱信息。
具体而言，本发明实施例中，本发明还提供一种稀疏空间频率光线识别提取方法，包括：
步骤一：光线收集模块通过光衰减器1对光线进行衰减，并将经光衰减器1进行衰减后的光线传输至消色差透镜21；
步骤二：经过消色差透镜21收集的光线传输至光线识别模块，所述光线识别模块中的在傅里叶空间频谱面不同位置处设置稀疏的空间滤波器31对光线进行识别传输，并在不同空间滤波器31位置处联合不同带通波段的滤光片，用以对空间频率信息以波长特征进行识别与提取；
步骤三：经过所述光线识别模块识别与提取后的光线传输至所述时域光谱模块，所述时域光谱模块通过掩模41棱镜42结构对光线以波长信息进行区分，并在视频灰度相机5在时域内获取动态火焰的高光谱辐射信息。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种面向火焰环境稀疏空间频率光线的识别提取***，其特征在于，包括：
光线收集模块，其包括光衰减器，所述光衰减器的一端接收光线，所述光衰减器的另一端与成像镜头连接，所述光衰减器用以避免图像过度饱和及对所述***的破坏，所述成像镜头用以使有相同空间频率的火焰辐射光线在其像方焦平面的同一位置处汇集，所述光线收集模块用以通过光衰减器对光线进行衰减并通过成像镜头将经光衰减器衰减后的在相同空间频率的火焰辐射光线在像方焦平面的同一位置处汇集；
光线识别模块，其包括光滤波器，所述光滤波器用以使允许特定空间频率的光线到达传感器阵列，并使并行采样的稀疏空间频率信息在光谱域内相互独立；
时域光谱模块，其包括视频高光谱传感器，用以区分光线所包含的波长信息，并将区分后的光线的波长信息通过视频灰度相机在时域内获取动态火焰的高光谱辐射信息；
光线通过所述光线收集模块进行收集传输至所述光线识别模块进行识别与提取，经过识别与提取后的光线传输至所述时域光谱模块，所述时域光谱模块对经过所述光线识别模块传输的光线进行区分和提取信息，能够在时域内同步获取火焰稀疏空间频率辐射光线及其所携带的光谱信息。
2.根据权利要求1所述的面向火焰环境稀疏空间频率光线的识别提取***，其特征在于，所述光线收集模块中的光衰减器设置为双线偏振片，通过设置所述双线偏振片用以避免火焰强烈辐射导致的图像饱和以及对所述***的破坏。
3.根据权利要求2所述的面向火焰环境稀疏空间频率光线的识别及提取***，其特征在于，所述双线偏振片能够基于马吕斯定律通过控制两偏振轴之间的夹角进行不同程度的光衰减。
4.根据权利要求1所述的面向火焰环境稀疏空间频率光线的识别提取***，其特征在于，所述成像镜头设置为消色差透镜。
5.根据权利要求1所述的面向火焰环境稀疏空间频率光线的识别提取***，其特征在于，所述光滤波器为在傅里叶空间频谱面不同位置处设置稀疏的空间滤波器，用以对光线进行识别。
6.根据权利要求5所述的面向火焰环境稀疏空间频率光线的识别提取***，其特征在于，在不同所述空间滤波器位置处联合设置的不同带通波段的滤光片，用以使得并行采样的稀疏空间频率信息在光谱域内相互独立并对光线进行提取。
7.根据权利要求1所述的面向火焰环境稀疏空间频率光线的识别提取***，其特征在于，所述视频高光谱传感器采用掩模棱镜的结构，用以区分光线所包含的波长信息。
8.根据权利要求7所述的面向火焰环境稀疏空间频率光线的识别提取***，其特征在于，所述时域光谱模块中经过所述掩模棱镜结构处理后的光线传输至视频灰度相机，所述视频灰度相机在时域内获取动态火焰的高光谱辐射信息。
9.根据权利要求1所述的面向火焰环境稀疏空间频率光线的识别提取***，其特征在于，所述光线收集模块、光线识别模块与时域光谱模块通过协同工作，能够在时域内同步获取火焰稀疏空间频率辐射光线及其所携带的光谱信息。
10.一种面向火焰环境稀疏空间频率光线的识别提取方法，其特征在于，包括：
步骤一：光线收集模块通过光衰减器对光线进行衰减，并将经光衰减器进行衰减后的光线传输至消色差透镜；
步骤二：经过消色差透镜收集的光线传输至光线识别模块，所述光线识别模块中的在傅里叶空间频谱面不同位置处设置稀疏的空间滤波器对光线进行识别传输，并在不同空间滤波器位置处联合不同带通波段的滤光片，用以对空间频率信息以波长特征进行识别与提取；
步骤三：经过所述光线识别模块识别与提取后的光线传输至时域光谱模块，所述时域光谱模块通过掩模棱镜结构对光线以波长信息进行区分，并在视频灰度相机在时域内获取动态火焰的高光谱辐射信息。
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