[发明专利]基于相机阵列的火焰发射层析重建装置及方法

权利要求书

1.一种基于相机阵列的火焰发射层析重建装置，其特征在于：由M个CCD相机以阵列排布的方式构成，以在有限的光学探测窗口获取多方向的高分辨率投影数据；

所述M个CCD相机平均分为P个窗口排列，每个窗口内分布2n个CCD相机，其中M≥12，P≥3，n≥2，M＝2nP；

每个窗口内的CCD相机按照2×n的阵列排布，每一列的两个CCD相机间隔固定在同一个支架上，两个支架固定在环形光学平台上，两个支架之间的夹角为10°～15°，环绕待测火焰场的P个探测窗口均匀分布在环形光学平台180°平面范围内；

每一列的两个CCD相机沿高度方向设置，位于下方的CCD相机的成像中心与火焰中心的连接线平行于环形光学平台，同一列中的两个CCD相机之间的间距为a，5cm≤a≤20cm；

CCD相机阵列以火焰为中心，固定于光学平台上环绕火焰分布，每个固定架距离火焰的距离均为固定值b，20cm≤b≤120cm。

2.根据权利要求1所述的基于相机阵列的火焰发射层析重建装置，其特征在于：同一时刻M个CCD相机同时采集火焰发射光强度投影。

3.一种基于相机阵列的火焰发射层析重建装置的重建方法，其特征在于，先对各CCD相机的空间位置以及CCD相机的相距进行精确标定，再利用结合OMP的ART重建算法实现对火焰的三维重建，重建的步骤如下：

步骤1：调整CCD相机距离和CCD相机焦距，对标定板和火焰进行拍摄，分别得到M个CCD相机所拍摄到的标定板图像和火焰图像；具体如下：

步骤1-1、用标定板替换火焰，使得标定板的中心与原先的火焰中心重合；

步骤1-2、标定板替换火焰后，对CCD相机的位置进行调节，确保每一列的两个CCD相机中位于下方的CCD相机的中心与标定板中心重合，并且他们的连线与光学平台平行，每一列上下两个CCD相机之间的距离相等；再调节每一个CCD相机焦距，使得CCD相机显示出最清晰的图像；

步骤1-3、调节完成后，拍摄标定板，得到M个CCD相机所拍摄的标定板图像，用火焰将标定板替换下来，火焰的中心与标定板的中心重合，然后进行火焰的投影获取，得到M个CCD相机所拍摄的火焰辐射投影图像；

标定板包括长方形板和长方体，长方形板固定在长方体顶面，且与长方体的背板共面；

长方形板上分布着13个圆点，其中12个圆点按照3行4列均匀排布，自上向下的第二行与第三行的正中间的点为第13个圆点，第13个圆点作为所述标定板的中心点；

所述长方体板的正面板上设置了13个点，其中12个点按照3行4列均匀排布，自上向下的第二行与第三行的正中间的点为第13个点，第13个点作为所述正面板的中心点，两块侧板上的点的排布方式相同，每块侧板上设有7个点，其中6个点按照3行2列均匀排布，自上向下数的第一行与第二行的正中间有着第7个点，每块侧板上的第7个点，作为侧板的中心点；

步骤2：以M个CCD相机拍摄的标定板图像为基础，对装置中各CCD相机进行精确的标定，确定CCD相机的像距和空间位置参数；具体如下：

步骤2-1、建立世界坐标系、CCD相机坐标系和CCD相机成像面坐标系，确定三个坐标系之间的转换关系：

确定重建区域，该装置的世界坐标系(x_w,y_w,z_w)以重建区域中心为原点，从世界坐标系到任意CCD相机坐标系通过欧拉角(ψ,θ,φ)和三个平移量T_x,T_y,T_z确定，其中ψ为章动角、θ为旋进角和φ为自转角，通过式(1)确定世界坐标系(x_w,y_w,z_w)到CCD相机坐标系(x,y,z)的转换关系表示为

其中旋转矩阵R

平移矢量T

将式(1)表示为

其中，r₁，r₂，……r₉均为中间变量；

CCD相机坐标系(x,y,z)中的物点和其对应的成像平面(x',y',z')上的像点满足以下关系：

其中Z₀为CCD相机的像距，即镜头与CCD靶面之间的距离；

然后将式(1)带入式(5)，即建立物点世界坐标系和像点的关系；

步骤2-2、采集标定板的图像，其中标定板上的圆点中，将非中心点作为采样点，确定采样点在CCD相机成像面的坐标，该坐标通过图像处理算法算出；

步骤2-3、根据采样点的世界坐标和CCD相机成像面坐标，确定CCD相机的空间位置参数，包括旋转角度、平移量和CCD相机与火焰的距离；

步骤2-4、采样点在CCD相机中的成像满足透镜成像公式，基于空间位置参数，利用采样点的世界坐标和成像平面坐标确定CCD相机的像距；

步骤3：将重建区域划分为等大小的离散网格，利用得到的CCD相机空间位置参数和CCD相机相距，计算得到整个装置的投影权重矩阵；具体如下：

步骤3-1、确定重建区域，令重建区域的中心位于世界坐标系原点上，重建区域被划分为A×B×C个网格，每个网格的实际大小为Δx×Δy×Δz，将每个网格看作位于该网格中心的点；

步骤3-2、利用CCD相机空间位置参数和CCD相机相距，将该网格的世界坐标系转换到CCD相机坐标系中，确定该网格在CCD相机坐标系中的位置；

步骤3-3、三维空间中，CCD相机物空间中一点在CCD相机成像面上的像为一个圆斑，通过式(6)和式(7)计算该点在CCD相机成像面上成像圆斑的中心位置以及圆斑的半径；

其中

其中，r_blue为圆斑的半径，(X_C，Y_C)为中心点，(x_img，y_img，z_img)为像点，Z₀为CCD相机像距，f为CCD相机镜头焦距；D为CCD相机镜头孔径；

步骤3-4、确定成像光斑与CCD相机各像素的相交面积：

设CCD相机成像面上每个像素与圆斑的相交面积A_i，A_b表示圆斑面积，A_p表示像素面积，r_blur表示光斑半径，r_p表示像素大小的一半，l为两个圆心的间距；r_blurr_p时，像素与圆斑的相交面积表示为：

r_blur≤r_p时，像素与圆斑的相交面积表示为：

步骤3-5、确定该点对CCD相机各像素的权重因子；

该物点对各像素的权重因子为

步骤3-6、对所有网格重复以上步骤，得到整个重建区域中网格在单个CCD相机中的权重因子；对所有CCD相机进行以上计算，得到整个层析装置的权重矩阵；

步骤4：根据权重矩阵，结合基于OMP的ART算法，实现对火焰中相关光谱发射强度的三维精确重建。