CN114993687A - 基于背景纹影法的全场热释放率扰动测量方法及装置 - Google Patents

基于背景纹影法的全场热释放率扰动测量方法及装置 Download PDF

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CN114993687A CN202210913521.0A CN202210913521A CN114993687A CN 114993687 A CN114993687 A CN 114993687A CN 202210913521 A CN202210913521 A CN 202210913521A CN 114993687 A CN114993687 A CN 114993687A
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Abstract

本申请提供了基于背景纹影法的全场热释放率扰动测量方法及装置，涉及光学测量技术领域，具体为：获取当前时刻的包含背景图案和扰动火焰的图像；通过互相关算法计算当前时刻的图像和上一时刻的图像的相对偏移量，将相对偏移量变换为光线相对偏折角，并将光线相对偏折角沿视线传播的法线方向进行积分得到相对偏折角积分结果；基于相对偏折角度的积分结果，计算沿视线积分的密度扰动结果；基于密度扰动结果和预先得到的火焰的平均密度，计算当前时刻的全场热释放率扰动。本申请具有数据处理速度快和精度高的优点。

Description

基于背景纹影法的全场热释放率扰动测量方法及装置
技术领域
本申请涉及光学测量技术领域，尤其是涉及基于背景纹影法的全场热释放率扰动测量方法及装置。
背景技术
燃烧不稳定性广泛存在于航空航天发动机和燃气轮机中，实际的燃烧室工作在高温、高压的恶劣环境下，其中的流体流动、燃烧及声学扰动相耦合，极易发展为自激振荡，导致燃烧室中压力及热释放率发生剧烈脉动。轻则造成热机性能下降，重则造成燃烧室结构破坏。在燃烧不稳定性分析与预测中，燃烧热释放率的动态测量是最为关键的环节，准确测量热释放率脉动对于燃烧不稳定性机理认识、燃烧不稳定现象的预测及控制有重要意义。
现有的热释放率扰动测量方法根据测量原理可以分为化学发光法、激光诱导荧光法和干涉法。其中化学发光法是利用燃烧过程中的OH*、CH*和C2*等自由基由激发态跃迁到基态时所辐射的特定波长的光来表示火焰发光的表面积，经过标定发光表面积获得火焰的热释放率值，这种方法局限于预混火焰测量，对于湍流度较高的非预混火焰，则需要考虑湍流度、火焰褶皱、燃料组分和温度等参数的影响。激光诱导荧光法也是根据中间产物自由基来测量热释放率的方法，但它通过发出特定波长的激光诱导自由基发生跃迁，从而接收特定波长的光来进行热释放率测量。这种方法由于激光器脉冲频率及能量限制，获取热释放率的时间分辨数据较为困难。干涉法是通过激光穿过流场后的相位变化，构建激光光程变化和热释放率脉动之间的关系实现热释放率测量。这种测量方法时间分辨率较高，但是受限于激光光束直径及透镜大小测量视场较小，且光路较复杂，难以适应复杂环境测量。
发明内容
有鉴于此，本申请提供了基于背景纹影法的全场热释放率扰动测量方法及装置，以解决上述技术问题。
第一方面，本申请实施例提供了一种基于背景纹影法的全场热释放率扰动测量方法，包括:
获取当前时刻的包含背景图案和扰动火焰的图像；
通过互相关算法计算当前时刻的图像和上一时刻的图像的相对偏移量，将相对偏移量变换为光线相对偏折角，并将光线相对偏折角沿视线传播的法线方向进行积分得到相对偏折角积分结果；
基于相对偏折角度的积分结果，计算沿视线积分的密度扰动结果；
基于密度扰动结果和预先得到的火焰的平均密度，计算当前时刻的全场热释放率扰动。
进一步的，将相对偏移量变换为光线相对偏折角；包括：
光线相对偏折角
Figure P_220720101616616_616839001
为：
Figure P_220720101616632_632473001
其中，
Figure P_220720101616665_665147001
为火焰中心线到背景图案之间的距离；
Figure P_220720101616696_696914002
为当前时刻的第一张图像和上一时刻的第一图像的相对偏移量。
进一步的，基于光线相对偏折角的积分结果，计算沿视线积分的密度扰动结果；包括：
沿视线积分的密度扰动结果
Figure P_220720101616728_728173001
为：
Figure P_220720101616743_743796001
其中，
Figure P_220720101616775_775053001
为密度扰动，
Figure P_220720101616806_806302002
为光线穿过火焰的长度，
Figure P_220720101616821_821921003
为环境折射率，
Figure P_220720101616853_853193004
为格拉斯通道尔系数，
Figure P_220720101616888_888326005
为光线相对偏折角的积分结果。
进一步的，所述方法还包括：
通过互相关算法计算预先得到的第一参考图像和第二参考图像之间的偏移量，根据偏移量计算火焰的平均密度；所述第一参考图像为包含背景图案的图像，所述第一参考图像为包含背景图案和无扰动火焰的图像。
进一步的，根据偏移量计算火焰的平均密度，包括：
通过偏移量分布获取无扰动火焰的相对折射率分布；
通过重建算法将沿视线积分的相对折射率分布重建为无扰动火焰的折射率分布；
利用格拉斯通道尔公式和折射率分布计算无扰动火焰的密度分布；
根据无扰动火焰的密度分布计算得到火焰的平均密度。
进一步的，基于相对偏折角的积分结果和预先得到的火焰的平均密度，计算当前时刻的全场热释放率扰动；包括：
通过火焰的平均密度计算平均声速
Figure P_220720101616903_903949001
：
Figure P_220720101616935_935209001
其中，
Figure P_220720101616966_966443001
为比热比，
Figure P_220720101616982_982067002
为当地压力，
Figure P_220720101617013_013323003
为火焰的平均密度；
则当前时刻的全场热释放率扰动
Figure P_220720101617075_075811001
为：
Figure P_220720101617096_096331001
其中，
Figure P_220720101617143_143212001
为投影单位面积。
进一步的，计算相对偏移量和偏移量的互相关窗口的大小相同，互相关窗口的大小由空间分辨率确定。
第二方面，本申请实施例提供了一种基于背景纹影法的全场热释放率扰动测量装置，包括：
获取单元，用于获取当前时刻的包含背景图案和扰动火焰的图像；
第一计算单元，用于利用互相关算法计算当前时刻的图像和上一时刻的图像的相对偏移量，将相对偏移量变换为光线相对偏折角，并将光线相对偏折角沿视线传播的法线方向进行积分得到相对偏折角积分结果；
第二计算单元，用于基于相对偏折角度的积分结果，计算沿视线积分的密度扰动结果；
第三计算单元，用于基于密度扰动结果和预先得到的火焰的平均密度，计算当前时刻的全场热释放率扰动。
第三方面，本申请实施例提供了一种电子设备，包括：存储器、处理器和存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现本申请实施例的基于背景纹影法的全场热释放率扰动测量方法。
第四方面，本申请实施例一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现本申请实施例的基于背景纹影法的全场热释放率扰动测量方法。
本申请具有数据处理速度快和精度高的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的基于背景纹影法的全场热释放率扰动测量方法的流程图；
图2为本申请实施例提供的基于背景纹影法的全场热释放率扰动测量装置的功能结构图；
图3为本申请实施例提供的电子设备的结构图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
首先对本申请实施例的设计思想进行简单介绍。
现有的热释放率扰动测量方法均存在光路复杂，实现困难的技术问题，为此，本申请利用背景纹影法，提出了一种新的全场热释放率扰动测量方法。实验装置由照明光源、背景图案、扰动流场、高速相机和后处理计算机组成。
首先在不放置火焰的状态下，高速相机采集仅包括背景图案的第一参考图像，然后，将火焰放置在背景图案和高速相机之间，在不施加扰动流场的状态下，高速相机采集包括背景图案和无扰动火焰的第二参考图像，基于第一参考图像和第二参考图像，可以计算火焰的平均密度。
对火焰施加扰动流场，高速相机连续采集含背景图案和扰动火焰的图像，利用相邻两帧的图像的相对偏移量，计算得到密度扰动结果；
基于密度扰动结果和火焰的平均密度，可以计算全场热释放率扰动量。
和现有热释放率扰动测量技术相比，本申请的实验装置简单可靠，具有大视场、高时空分辨率的优势，且能够对当量比扰动下的热释放率进行测量；本申请的测量方法能够独立进行平均密度场测量，不需要进行对当地声速及比热比数值进行标定，简化了实验步骤；此外，本申请的方法在求解相对偏移量时可以去除测量过程中存在的固有噪声，提升了测量精度；本申请的方法不需要进行额外的密度差求解步骤，将该过程融合在互相关处理过程中，提升了数据处理速度。
本申请能够实现高精度、大视场、快速数据处理，提升了数据处理效率，适应了非定常参数测量需求。采用互相关算法针对背景纹影的相对偏移量进行计算，降低了背景噪声，同时提升了后处理速度；构建相对偏折角度的积分值和密度扰动沿视线积分值的关系，不必采用层析重建算法即可求解密度扰动沿视线积分的信息，提升了数据处理速度。
在介绍了本申请实施例的应用场景和设计思想之后，下面对本申请实施例提供的技术方案进行说明。
如图1所示，本申请实施例提供了一种基于背景纹影法的全场热释放率扰动测量方法，包括如下步骤：
步骤101：获取当前时刻的包含背景图案和扰动火焰的图像；
其中，扰动火焰通过给火焰施加扰动流场实现。
步骤102：通过互相关算法计算当前时刻的图像和上一时刻的图像的相对偏移量，将相对偏移量变换为光线相对偏折角，并将光线相对偏折角沿视线传播的法线方向进行积分得到相对偏折角积分结果；
其中，当前时刻的第一张图像和上一时刻的第一图像的相对偏移量
Figure P_220720101617158_158819001
，则光线相对偏折角
Figure P_220720101617190_190104002
为：
Figure M_220720101617205_205691001
其中，
Figure P_220720101617286_286750001
为火焰中心线到背景图案之间的距离。
步骤103：基于相对偏折角度的积分结果，计算沿视线积分的密度扰动结果；
其中，沿视线积分的密度扰动结果
Figure P_220720101617302_302393001
为：
Figure P_220720101617333_333676001
其中，
Figure P_220720101617364_364917001
为密度扰动，
Figure P_220720101617396_396138002
为光线穿过火焰的长度，
Figure P_220720101617411_411753003
为环境折射率，
Figure P_220720101617443_443066004
为格拉斯通道尔系数，
Figure P_220720101617458_458640005
为光线相对偏折角的积分结果。
步骤104：基于密度扰动结果和预先得到的火焰的平均密度，计算当前时刻的全场热释放率扰动。
在该步骤之前，首先需要计算火焰的平均密度，步骤为：
获取第一参考图像和第二参考图像，其中，所述第一参考图像为包含背景图案的图像，所述第二参考图像为包含背景图案和无扰动火焰的图像；
通过互相关算法计算预先得到的第一参考图像和第二参考图像之间的偏移量；
通过偏移量分布获取无扰动火焰的相对折射率分布；
通过重建算法将沿视线积分的相对折射率分布重建为无扰动火焰的折射率分布；
利用格拉斯通道尔公式和折射率分布计算无扰动火焰的密度分布；
根据无扰动火焰的密度分布计算得到火焰的平均密度。
本实施例中，该步骤具体包括：
通过火焰的平均密度计算平均声速
Figure P_220720101617491_491836001
：
Figure P_220720101617507_507456001
其中，
Figure P_220720101617538_538700001
为比热比，
Figure P_220720101617569_569953002
为当地压力，
Figure P_220720101617601_601248003
为火焰的平均密度；
则当前时刻的全场热释放率扰动
Figure P_220720101617616_616838001
为：
Figure P_220720101617648_648085001
其中，
Figure P_220720101617681_681293001
为投影单位面积。
基于上述实施例，本申请实施例提供了一种基于背景纹影法的全场热释放率扰动测量装置，参阅图2所示，本申请实施例提供的一种基于背景纹影法的全场热释放率扰动测量装置200至少包括：
获取单元201，用于获取当前时刻的包含背景图案和扰动火焰的图像；
第一计算单元202，用于利用互相关算法计算当前时刻的图像和上一时刻的图像的相对偏移量，将相对偏移量变换为光线相对偏折角，并将光线相对偏折角沿视线传播的法线方向进行积分得到相对偏折角积分结果；
第二计算单元203，用于基于相对偏折角度的积分结果，计算沿视线积分的密度扰动结果；
第三计算单元204，用于基于密度扰动结果和预先得到的火焰的平均密度，计算当前时刻的全场热释放率扰动。
需要说明的是，本申请实施例提供的基于背景纹影法的全场热释放率扰动测量装置200解决技术问题的原理与本申请实施例提供的基于背景纹影法的全场热释放率扰动测量方法相似，因此，本申请实施例提供的基于背景纹影法的全场热释放率扰动测量装置200的实施可以参见本申请实施例提供的基于背景纹影法的全场热释放率扰动测量方法的实施，重复之处不再赘述。
如图3所示，本申请实施例提供的电子设备300至少包括：处理器301、存储器302和存储在存储器302上并可在处理器301上运行的计算机程序，处理器301执行计算机程序时实现本申请实施例提供的基于背景纹影法的全场热释放率扰动测量方法。
本申请实施例提供的电子设备300还可以包括连接不同组件（包括处理器301和存储器302）的总线303。其中，总线303表示几类总线结构中的一种或多种，包括存储器总线、***总线、局域总线等。
存储器302可以包括易失性存储器形式的可读介质，例如随机存储器（RandomAccess Memory，RAM）3021和/或高速缓存存储器3022，还可以进一步包括只读存储器（ReadOnly Memory，ROM）3023。
存储器302还可以包括具有一组（至少一个）程序模块3025的程序工具3024，程序模块3025包括但不限于：操作子***、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。
电子设备300也可以与一个或多个外部设备304（例如键盘、遥控器等）通信，还可以与一个或者多个使得用户能与电子设备300交互的设备通信（例如手机、电脑等），和/或，与使得电子设备300与一个或多个其它电子设备300进行通信的任何设备（例如路由器、调制解调器等）通信。这种通信可以通过输入/输出（Input /Output，I/O）接口305进行。并且，电子设备300还可以通过网络适配器306与一个或者多个网络（例如局域网（Local AreaNetwork，LAN），广域网（Wide Area Network，WAN）和/或公共网络，例如因特网）通信。如图3所示，网络适配器306通过总线303与电子设备300的其它模块通信。应当理解，尽管图3中未示出，可以结合电子设备300使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理器、外部磁盘驱动阵列、磁盘阵列（Redundant Arrays of IndependentDisks，RAID）子***、磁带驱动器以及数据备份存储子***等。
需要说明的是，图3所示的电子设备300仅仅是一个示例，不应对本申请实施例的功能和使用范围带来任何限制。
本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机指令，该计算机指令被处理器执行时实现本申请实施例提供的基于背景纹影法的全场热释放率扰动测量方法。
此外，尽管在附图中以特定顺序描述了本申请方法的操作，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种基于背景纹影法的全场热释放率扰动测量方法，其特征在于，包括：
获取当前时刻的包含背景图案和扰动火焰的图像；
通过互相关算法计算当前时刻的图像和上一时刻的图像的相对偏移量，将相对偏移量变换为光线相对偏折角，并将光线相对偏折角沿视线传播的法线方向进行积分得到相对偏折角积分结果；
基于相对偏折角度的积分结果，计算沿视线积分的密度扰动结果；
基于密度扰动结果和预先得到的火焰的平均密度，计算当前时刻的全场热释放率扰动。
2.根据权利要求1所述的基于背景纹影法的全场热释放率扰动测量方法，其特征在于，将相对偏移量变换为光线相对偏折角；包括：
光线相对偏折角
Figure P_220720101613932_932747001
为：
Figure P_220720101613979_979635001
其中，
Figure P_220720101613995_995252001
为火焰中心线到背景图案之间的距离；
Figure P_220720101614026_026512002
为当前时刻的第一张图像和上一时刻的第一图像的相对偏移量。
3.根据权利要求2所述的基于背景纹影法的全场热释放率扰动测量方法，其特征在于，基于光线相对偏折角的积分结果，计算沿视线积分的密度扰动结果；包括：
沿视线积分的密度扰动结果
Figure P_220720101614057_057764001
为：
Figure P_220720101614079_079698001
其中，
Figure P_220720101614158_158331001
为密度扰动，
Figure P_220720101614189_189585002
为光线穿过火焰的长度，
Figure P_220720101614205_205217003
为环境折射率，
Figure P_220720101614236_236479004
为格拉斯通道尔系数，
Figure P_220720101614268_268193005
为光线相对偏折角的积分结果。
4.根据权利要求1所述的基于背景纹影法的全场热释放率扰动测量方法，其特征在于，所述方法还包括：
获取第一参考图像和第二参考图像，其中，所述第一参考图像为包含背景图案的图像，所述第二参考图像为包含背景图案和无扰动火焰的图像；
通过互相关算法计算预先得到的第一参考图像和第二参考图像之间的偏移量；
根据偏移量计算火焰的平均密度。
5.根据权利要求4所述的基于背景纹影法的全场热释放率扰动测量方法，其特征在于，根据偏移量计算火焰的平均密度，包括：
通过偏移量分布获取无扰动火焰的相对折射率分布；
通过重建算法将沿视线积分的相对折射率分布重建为无扰动火焰的折射率分布；
利用格拉斯通道尔公式和折射率分布计算无扰动火焰的密度分布；
根据无扰动火焰的密度分布计算得到火焰的平均密度。
6.根据权利要求4所述的基于背景纹影法的全场热释放率扰动测量方法，其特征在于，基于相对偏折角的积分结果和预先得到的火焰的平均密度，计算当前时刻的全场热释放率扰动；包括：
通过火焰的平均密度计算平均声速
Figure P_220720101614285_285292001
：
Figure P_220720101614316_316573001
其中，
Figure P_220720101614332_332171001
为比热比，
Figure P_220720101614363_363425002
为当地压力，
Figure P_220720101614379_379047003
为火焰的平均密度；
则当前时刻的全场热释放率扰动
Figure P_220720101614410_410302001
为：
Figure P_220720101614425_425927001
其中，
Figure P_220720101614457_457194001
为投影单位面积。
7.根据权利要求4所述的基于背景纹影法的全场热释放率扰动测量方法，其特征在于，计算相对偏移量和偏移量的互相关窗口的大小相同，互相关窗口的大小由空间分辨率确定。
8.一种基于背景纹影法的全场热释放率扰动测量装置，其特征在于，包括：
获取单元，用于获取当前时刻的包含背景图案和扰动火焰的图像；
第一计算单元，用于利用互相关算法计算当前时刻的图像和上一时刻的图像的相对偏移量，将相对偏移量变换为光线相对偏折角，并将光线相对偏折角沿视线传播的法线方向进行积分得到相对偏折角积分结果；
第二计算单元，用于基于相对偏折角度的积分结果，计算沿视线积分的密度扰动结果；
第三计算单元，用于基于密度扰动结果和预先得到的火焰的平均密度，计算当前时刻的全场热释放率扰动。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器、处理器和存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-7任一项所述的基于背景纹影法的全场热释放率扰动测量方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述的基于背景纹影法的全场热释放率扰动测量方法。
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