[发明专利]基于高光谱图像的火焰温度场颗粒气体浓度场测量方法

摘要

本发明涉及燃烧过程测量技术，旨在提供一种基于高光谱图像的火焰温度场颗粒气体浓度场测量方法。该方法是通过建立高光谱火焰成像系统，进而获取火焰在空间维和光谱维的辐射图像信息，建立根据火焰辐射传递过程和逆向射线追踪的模型和算法，利用火焰高光谱图像计算火焰温度、颗粒浓度和气体浓度，实现火焰三维温度场、颗粒浓度场和气体浓度场的同时重建。本发明相对于传统彩色摄像机，高光谱成像系统能够获得火焰空间维和光谱维的投影数据，利用逆向射线追踪的方法重建模型，计算时间短，可提供在线实时监测火焰；具有测量火焰参数多、设备简单、处理过程短和能实现在线实时监测火焰状态变化的特点。

主权项

1.一种基于高光谱图像的火焰温度场颗粒气体浓度场测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)利用前端镜头、液晶可调谐滤波片、光学延迟镜头和CCD相机构建的成像系统，获取火焰在空间维和光谱维的辐射图像信息；

(2)根据辐射传递方程和光学成像原理，采用逐个波长下的火焰图像同时重建出空间体元三维温度和辐射吸收系数分布；具体包括：

在波长λ下，将火焰区域分为N个体元，假设火焰中发出M_r条辐射射线到达CCD相机的靶面，得到辐射方程：

式(1)中：I_λ(m_r)是射线m_r到达CCD摄像机的单色辐射强度，κ_λ(n)是局部吸收系数，是射线m_r在体元n中的射线长度；I_b,λ(n)是局部单色黑体辐射强度，I_b,λ(n)＝c₁/{λ⁵πexp[c₂/(λT(n))]}，c₁和c₂是第一和第二辐射常数，体元n温度T(n)由维恩定律求得；H_λ(n)是体元n局部辐射源项，H_λ(n)＝κ_λ(n)I_b,λ(n)；

火焰的单色吸收系数由气体和颗粒的单色吸收系数组成，即：

κ_λ＝κ_p,λ+κ_g,λ  (2)

式(2)中：κ_λ表示火焰的单色吸收系数，κ_p,λ表示颗粒的单色吸收系数，κ_g,λ表示气体的单色吸收系数；

对于方程(1)应用最小二乘分解、Tikhonov正则化方法或者截断奇异值分解算法求解，得到多个波长下的辐射源项H_λ(n)；

由于固体颗粒和气体对于波长的选择性不同，将颗粒吸收系数和气体吸收系数的光谱曲线进行分离；在波长λ₁和λ₂下气体吸收忽略不计，而在波长λ₃上只有该气体的吸收作用而没有干扰气体的吸收作用；这样，对于体元n得到以下的公式：

式(3)有三个方程及三个未知数，因此通过求解此式获得体元n的烟黑温度、烟黑辐射吸收系数和气体辐射吸收系数；

(3)针对重建模型采用最小二乘分解、Tikhonov正则化方法或者截断奇异值分解算法求解病态模型方程，获得单个波长下各体元的温度和辐射吸收系数，从而直接获得火焰的温度分布；

(4)火焰的辐射吸收系数由固体颗粒和气体的吸收系数组成，重建得到逐个波长下空间各体元的三维辐射吸收系数分布后，绘制各体元的辐射吸收系数的光谱曲线；由于固体颗粒的吸收系数为连续光谱，而气体的吸收系数具有波长选择性，因此通过光谱曲线的拟合对固体颗粒和气体的辐射吸收系数光谱曲线进行分离；

(5)燃气火焰中固体颗粒主要成分为烟黑，根据固体颗粒的辐射吸收系数光谱曲线，利用瑞利近似假设得到烟黑辐射吸收系数，并通过反演获得烟黑颗粒的浓度分布；

(6)利用逐线计算方法或者统计窄带模型，通过反演的方法从气体的辐射吸收系数中获得火焰中气体的浓度分布。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，根据光学互易定理，采用基于逆向射线追踪的方法提高重建计算效率，加快计算速度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(6)中，燃气火焰燃烧时会产生大量气态的H₂O，不失一般性，选择H₂O作为气体浓度计算的对象；H₂O在波长0.95μm、1.38μm、1.87μm和2.7μm处具有吸收峰，利用逐线计算方法或者统计窄带模型从气体的辐射吸收系数反演火焰中H₂O的浓度分布；其它气体浓度分布采用相同的测量方法。