[發明專利]基于光場分層成像技術的火焰三維溫度場測量系統及其方法

有效

• 申請號: 201710228221.8
• 申請日: 2017-04-10
• 公開（公告）號: CN107084794B
• 公開（公告）日: 2021-06-22
• 發明（設計）人: 許傳龍;趙文超;張彪;孫俊;王式民
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01J5/00
• 分類號: G01J5/00;G01J5/08;G01J5/50;G01J5/60
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 彭英

本發明公開了一種基于光場分層成像技術的火焰三維溫度場測量方法系統及其方法。本系統包括一個精密光學平臺及滑軌；一臺光場相機，用于獲取火焰的四維光場信息；一臺計算機，用于儲存信息和計算分析。本發明利用光場相機獲取三維火焰光場信息，通過進行數字重聚焦處理及圖像做反卷積處理，得到每個分層上的火焰輻射強度值，進而獲得火焰的溫度分布。本發明的測量系統一次拍照即可獲取各個聚焦平面的信息，無需變焦或改變相機位置，對于時刻變化的火焰，可以實現高時間精度的光學非接觸式測量。

技術領域

本發明屬于火焰溫度測量技術領域，具體涉及一種基于光場分層成像的燃燒火焰三維溫度場測量系統及其方法。

背景技術

光場相機通過在主透鏡和圖像傳感器之間安置一個微透鏡陣列，成像系統可以同時分辨光線的強度信息和方向信息，使傳感器能夠采集被攝對象的四維光場數據。光場相機具有先拍照后對焦的特點，可以有效的捕捉更大范圍的場景深度，展示真實場景的三維結構，光場成像技術逐漸應用于航空航天、三維重建、安全監視等諸多領域。

火焰溫度場分布是判斷火焰燃燒狀態的重要標準。實現三維火焰溫度場分布的測量，對于揭示燃燒現象的本質和燃燒過程的規律以及促進燃燒理論的發展都有著重大的意義。目前，火焰溫度場的測量方法主要可分為接觸式和非接觸式兩種。非接觸式的測量方法具有測量范圍寬、動態響應快、對流場影響小等優點。隨著CCD圖像傳感器技術與計算機視覺理論的發展，非接觸式的光學測量方法被越來越多的研究人員使用。

目前火焰的非接觸式測量方法主要有以下幾種。基于投影的CT層析方法，至上而下獲得火焰截面，利用插值算法對火焰溫度場進行了三維重建，利用全息干涉CT法結合迭代重建技術重建了火焰溫度場，利用莫爾偏折的火焰溫度場CT測量方法等。但這些層析測量的方法普遍所需設備多、光路復雜、耗時長，不易在工業火焰溫度場測量中推廣，且CT層析方法在缺少大范圍角度信息的情況下，火焰信息重建誤差很大。也有研究人員使用單相機單光路系統對燃氣火焰的截面溫度分布進行了重建，但實驗中必須假設火焰形狀和結構呈軸對稱狀，不符合火焰實際情況。基于傳統相機移焦或變焦攝像的光學分層成像溫度測量方法，將三維發光物體看成多個平行的二維發光斷層的組合，對某一平面聚焦拍攝所成的像是該斷層的原始像和其他斷層的離焦像的疊加像，對圖像進行反演獲得每一斷層的原始圖像信息，該法設備簡單，計算速度快，但每次拍攝火焰后都要電動機帶動相機來改變相機拍攝位置或帶動鏡頭變焦，而火焰每時每刻都在變化，這種方法的圖像序列獲取方式存在很大的延時誤差。

發明內容

本發明利用光場相機特點，一次拍攝便能將空間的四維光場數據都儲存在同一張原始光場圖像上，結合重聚焦技術獲得聚焦在火焰不同斷層面的火焰圖像序列，通過實驗的方法獲得圖像的點擴散函數，最后利用圖像反演算法便可實現高精度、實時性的火焰分層成像，進而實現三維溫度場分布的重建。

本發明公開了基于光場分層成像技術的火焰三維溫度場測量系統，包括火焰產生裝置、光場相機以及數據分析儲存裝置；其中：

所述火焰產生裝置，用于產生火焰；

所述光場相機，用于獲取火焰在不同幾何斷層上的四維光場信息，并將所采集的四維光場信息傳輸至數據分析儲存裝置；

所述數據分析儲存裝置，采用重聚焦技術，對光場相機所反饋的火焰的四維光場信息進行重聚焦處理，得到聚焦在火焰不同幾何斷層面的火焰圖像序列；然后采用反卷積技術，對所得到的火焰圖像序列進行反演計算，反演出每一斷層的原始信息，進而得到每個斷層上的火焰輻射強度值，從而獲得火焰的溫度分布；

火焰產生裝置所產生的火焰處于光場相機的拍攝視域內，而光場相機與數據分析儲存裝置之間信號連接。

本發明還公開了一種基于光場相機分層成像技術的火焰三維溫度場測量方法，包括以下步驟：

步驟一：根據火焰尺寸大小，對火焰進行幾何分層，并對每一幾何斷層位置到光場相機的距離進行標定；