[发明专利]基于相机阵列的火焰发射层析重建装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于相机阵列的火焰发射层析重建装置及重建方法，用于实际中有限探测窗口下燃烧场物理参数的高分辨率三维重建。本发明所述装置由M个CCD相机与一个环形光学平台构成，所述的M个CCD相机以阵列排布的方式从P个有限探测窗口环绕待测场放置于光学平台上，对火焰辐射投影进行实时同步采集。本发明装置可实现有限探测窗口下的流场高方向数高分辨率投影数据获取，通过对CCD相机的内外参数进行精确标定，更加准确的匹配多方向投影图，重建精度更高；利用结合OMP（Orthogonal Matching Pursuit）的ART重建算法,可实现快速收敛。相较于基于光场成像的三维层析成像装置，可以一次性重建得到整个火焰场的三维分布，且重建空间分辨率高，装置成本较低，易于应用。

技术领域

本发明属于光学测量领域，具体涉及一种基于相机阵列的有限角度火焰发射层析重建装置及其方法。

背景技术

燃烧场的全场显示与关键物理参数三维定量测量，是现代航空、航天、导弹及能源工程中军事装备研究和工业仪器设计的基础。火箭尾焰、高音速激波场、超音速风洞和炉内燃烧场等流场参数的三维定量测量与流动显示，可以为军事中飞行器发动机优化设计、工业中炉膛结构改进、燃料燃烧效率提高等研究提供重要的实测依据。

发射计算层析技术(Emission Computerized Tomography，ECT)是将燃烧场发射光强度测量与计算层析理论(Computerized Tomography，CT)相结合，利用获取的被测场多方向投影数据，重建待测场物理参数的三维分布。此种方法不仅能够实现燃烧场的非接触、瞬态测量，而且光路结构简单紧凑，对测量环境要求低，可定量测量流场多种物理参量(温度、密度、成份)的三维分布，目前已用于燃烧成分监测、故障监控、流场三维轮廓显示等。ECT重建的数学理论基础是逆Radon变换，多方向投影数据的采集是实现ECT的关键。理论上，当投影采集的方向频率满足奈奎斯特采样定理时，才能获得对被测场理想的三维层析重建。但在实际应用中的很多燃烧过程都是在非自由空间、观察窗口受限的条件下进行的。因此实际中锅炉内的燃烧监控与测量、发动机燃烧室内组份、温度及燃烧状态的测试等，因为外部构造的限制，难以通过多个观察角度获取高方向分辨率的投影实现ECT精确重建，因此研究有限角度下的燃烧场ECT三维重建至关重要。在此背景下，本课题开展非自由空间观察角受限燃烧火焰场的多方向发射层析方法研究是符合现实应用需求的。现阶段有一种用单个光场相机重建火焰场各截面温度分布的方法。该方法可在单个探测窗口实现对温度的准三维测量，然而该方法是以牺牲图像的空间分辨率来获取多方向的投影，难以获得较高的火焰温度场空间分辨率。此外该方法的三维重建分布实现是通过对重建的二维截面进行堆叠的方式，是一种‘准三维’重建，而且光场相机造价较高，不利于实际工程中的推广应用。

发明内容

本发明所要解决的问题是针对上述现实应用的迫切需求与现有的技术不足，目的在于提供一种基于相机阵列的有限角度火焰发射体层析重建装置及方法，运用三维CCD相机投影模型及OMP-ART层析重建算法一次性实现火焰三维重建，不需要通过对二维重建截面进行堆叠的方式实现燃烧火焰的三维测量。

实现本发明目的的技术解决方案为：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。

一种基于相机阵列的火焰发射层析重建装置的重建方法，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：