[发明专利]火焰温度场测量系统光场相机数量和机位布置的优化方法

说明书

本发明公开了一种火焰温度场测量系统光场相机数量和机位布置的优化方法，包括如下步骤：对实际成像相机进行标定，获得成像相机参数；设定测量区域形状尺寸及火焰的衰减系数分布，根据分辨率要求进行网格划分；进行采样光线逆向追迹，获得火焰温度场测量的重建矩阵A；计算权重矩阵的Sen及其标准差σ，将其作为采样特性寻优算法的目标值；利用量子微粒群算法对测量系统的相机数量和机位布置角度进行优化，获得最佳的采样布置。本发明研究多相机光场成像系统对火焰辐射信息的获取能力，并优化成像系统的参数，提高光场采样质量，给多相机的布置方案提供依据。

技术领域

本发明涉及一种多光场相机火焰温度场测量系统相机数量和机位布置的优化方法，属于火焰温度测量技术领域。

背景技术

作为燃烧的重要参数之一，火焰温度影响火焰内部光与热的产生及传递，同时也影响着燃烧反应的进程。因此，火焰温度既是燃烧机理的研究基础，与火焰燃烧状态密切相关，也是火焰浓度、燃尽度和燃烧放热量分布的诊断依据，还是燃烧装置(如锅炉、发动机、流化床等)性能分析、故障诊断与优化设计的重要依据，是实现能源智慧管理不可或缺的数据。

目前，火焰温度测量主要分为接触式测量和非接触式测量两种。接触式测量方式简单、易于实现在工程上的应用，但是无法完全复现火焰温度的全貌，而且往往局限于单点测量，响应时间长。非接触式测量可以实现无扰、快速的火焰测量。其中，非接触式辐射成像技术利用火焰辐射图像处理温度测量，具有精度高、非接触、实时测量等优点，且能够获得火焰三维温度分布信息。

对光场相机而言，远离相机处的物点释放热辐射，辐射光线穿透靠近相机处的介质而被相机接收。由于成像探测面上每个像素的视角范围很小，相应的落在该范围内的火焰微元体数量很少，空间内许多微元体对单个像素辐射能的传输贡献为零，各微元体对某一像素的能量贡献份额差异很大，造成重建三维温度场的数学问题具有较强奇异性。另一方面，火焰介质的散射与吸收特性使得热辐射能沿着传播路径被逐步衰减，对于光学厚度较大的火焰，远离相机处物点的辐射信息甚至无法达到相机，远离光场相机的火焰微元体所发射的辐射能对光场成像的影响急剧减小，造成火焰辐射信息的损失，损害三维温度场的重建精度。因此，提高多光场相机系统的火焰辐射采样均匀性，对于降低火焰三维温度场可视化问题的病态特性具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，而提供一种提高光场采样质量的火焰温度场测量系统光场相机数量和机位布置的优化方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

火焰温度场测量系统光场相机数量和机位布置的优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、对实际成像相机进行标定，获得成像相机参数；

步骤二、设定测量区域形状尺寸及火焰的衰减系数分布，根据分辨率要求进行网格划分；

步骤三、根据几何光学理论和光场成像模型进行采样光线逆向追迹，获得火焰温度场测量的重建矩阵A；

步骤四、计算权重矩阵的Sen及其标准差σ，将其作为采样特性寻优算法的目标值；

步骤五、利用量子微粒群算法对测量系统的相机数量和机位布置角度进行优化，获得最佳的采样布置。

步骤三中，假设火焰满足各向同性散射，可定义广义源项S(r)如下：

式中，ω是散射反射率，ω＝σ_s/β。将火焰划分成V个微元体并编号(1，2，v，...，V)，光场相机探测面共有M个像素并编号(1，2，m，...，M)，将r_m处像素的辐射光线穿过的火焰微元体个数记为n，此时该路径上各微元体的编号依次记为v1，v2，vi，(vj)，...，vn，火焰热辐射传输方程的离散方程如下：