[发明专利]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

说明书

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。

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。此外硬件系统复杂，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，由于检测系统引入了强光源，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，系统相对简单，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：