[发明专利]一种火焰温度场测量装置及方法

说明书

本发明涉及火焰三维检测和重建技术领域，更具体地，提供了一种基于单相机内窥背景纹影层析成像技术的火焰温度场测量的装置及方法，采用一台高速相机和多合一内窥镜结合的成像系统，利用基于折射率梯度测量原理的背景纹影层析技术，通过拍摄在有无待测火焰时的两张图片，结合光流算法或者互相关算法来获得光线在经过待测气体后的偏折角度。然后通过代数迭代算法重建火焰的折射率场，结合Gladstone‑Dale公式，将折射率场推演到密度场，再根据理想气体状态方程，将密度场推演到温度场。该发明装置简单，测试成本低，只需要一台高速相机，即能够实现瞬态火焰三维温度场的重建。

技术领域

本发明涉及计算成像和燃烧诊断领域，具体地，涉及一种火焰温度场测量的装置及方法。

背景技术

航空发动机燃烧室内的燃烧情况直接影响了其性能和寿命，燃烧诊断是获得火焰燃烧参数的重要方式，随着计算机、激光和传感器技术的突破，三维燃烧诊断技术得到了显著的发展。从技术路线上看，火焰三维成像技术主要有三种方式实现。第一种方式采用平面成像技术，通过旋转反射镜将激光束投射到火焰的不同高度，进行逐层扫描成像。由于该技术在扫描方向上只能对少量火焰切片进行成像，因此空间分辨率较低。另外，因为这些切片在不同时刻获得，所以该技术并不能捕捉瞬态的火焰结构。因此，对于高速动态变化的湍流火焰如超声速燃烧流，通过此方法所获得的三维火焰结构则会存在较大误差。第二种三维火焰成像技术则基于光场成像的概念。该方法通过使用微透镜阵列可实现一个相机对多个火焰投影的同时采集，可大大降低实验成本。该技术已被用于实现火焰三维温度场的重建。然而，由于视场和空间分辨率间存在的相互制约关系，在保证视场的情况下，该技术所能实现的空间分辨率较低。第三种基于层析成像的方法，即在多个角度同时捕捉火焰某种物理量场的二维投影并通过层析反演获得该物理量的三维分布。根据是否需要激发光源，三维层析成像技术又可分为主动式和被动式两种。被动式无需激发光源，而只需探测火焰的自发光如CH*和OH*的化学发光；而主动式则需要通过高功率脉冲激光器形成激光柱激发火焰中的特定组分，从而产生如激光诱导荧光、激光诱导白炽光、Mie散射等信号。最近几年，火焰三维层析成像技术取得了较大的进展，获得了广泛的应用，也有许多问题亟待解决，如测试装置成本过高，只能检测单一物理量或者组分。

背景纹影层析技术的测试装置简单，能够实现气体折射率场的检测，根据测得折射率场可以演算到密度场和温度场，在此基础上采用内窥镜头和高速相机组合系统，设计出一种低成本，高时空分辨率的火焰三维温度场测量的装置及方法。该测试系统能很好的解决目前火焰检测中存在的问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于单相机内窥背景纹影层析成像技术的火焰三维温度场的检测装置和方法，通过检测有无目标场时的两张图像，同时获得整个火焰区域的折射率场、密度场、温度场的瞬态分布情况，实现多物理场的同步连续测量。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种火焰温度场测量装置，包括

背景板，设置在待测火焰区域一侧，用于提供图像检测的背景；

光源，设置在所述背景板的斜侧方，光源朝向所述背景板区域；

内窥镜，设置在待测火焰区域相对于所述背景板的另一侧，内窥镜有多个入射端和一个出射端，每个入射端配备一个镜头并对焦至背景板，多个入射端分多个角度对准待测火焰，可以将多个入射端采集的多路图像汇聚到一个出射端上输出；

图像检测系统，与所述内窥镜出射端相连，可以采集与处理出射端输出的图像。

进一步的，所述图像检测系统包括相机、滤光片、图像处理装置。所述相机镜头朝向所述内窥镜出射端且对焦在内窥镜出射端面上。所述滤光片加装在所述相机镜头前，所述图像处理装置和所述相机相连，可以接收和处理所测得的火焰投影图像，重建火焰的三维场分布。

火焰测量和重建的方法包括以下步骤：