[发明专利]一种三维温度场的重建方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维温度场的重建方法，更具体地说涉及一种固体火箭发动机尾焰温度场图像重建算法。

背景技术

固体火箭发动机燃烧过程中环境恶劣，一般的测量方法无法得到所需的温度场数据。目前，国内外学者都致力于研究温度场的测量方法。在各种燃烧温度场的测量方法中，包括直接式测量方法，也包括间接式测量方法。对于直接式测量方法，其利用热敏元件如热电偶直接测量获得单点温度的，而如要反映空间中火焰温度场的情况，它需要测量场的相关参数，那么这种测量方法就不适合也不便于测量，因为这种方法会给检测对象带来波动。对于间接式测量方法，其使用计算机软件对利用热敏元件获取燃烧介质的发射、吸收或者散射光谱成像进行处理，并结合相应的重建模型重建出燃烧介质的温度分布，因而适合于固体火箭发动机尾焰温度场的测量。

近些年来，伴随着计算机技术和光学传感器技术的快速发展，越来越多的学者们关注和深入研究基于图像处理的火焰检测技术。其中成果有如工业CCD摄像机，这种摄像机具有耐灼伤、图像清晰度高、工作稳定可靠、抵抗力强等优点，能较好进行火焰燃烧诊断。基于CCD摄像机的燃烧诊断，结合了人工智能技术、CT技术、图像处理技术、计算机技术等，不仅可以判断出燃烧火焰的“有”或“无”，还可以利用相关的辐射算法来得到火焰的温度场分布信息。一般在应用中，系统内火焰的光谱辐射到达图像传感器CCD感应靶面成像，再由图像采集卡将数据滤波、数字化后传递给图像与数据处理软件，结合相应的算法及模型，即可以得到火焰的温度值。

随着应用技术的不断发展与完善，如今通过图形表达某一事物的形态已经不仅仅局限于二维的平面图形，具有空间意义的三维模型被广泛应用于机械加工、建筑设计、动画制作等多种领域。在将二维图形转换成三维模型时，必须完成一系列的数据、线条、标注等信息的三维转换，这是一个相对复杂的过程，即“三组重建”。应用计算机语言进行相应的转换，就是三维重建算法。

三维重建属于一种技术难点，但其应用价值高、应用广泛，因而受到广泛重视。在实际应用中，越是结构复杂的实体造型，其对于工程技术人员的素质和技能要求越为严格，因而，更加深入的二、三维转换算法还在进一步探索和研究之中。

关于温度场的三维重建，很多学者曾先后研究过正则化方法、迭代求解方法以及基于正向Monte Carlo方法等重建温度场。虽然上述算法模型可靠，但这些温度场重建方法计算效率比较低。

因此，如何根据固体火箭发动机尾焰温度场特点，结合现有技术水平，大幅提高三维重建的计算速度，重建可信度已经成为业界亟待解决的问题。

发明内容

鉴于上述现有技术中所存在的问题，本发明的目的是在于提供一种三维温度场的重建方法，以大幅加快温度场三维图像重建的计算速度和重建可信度。

为达到上述目的，本发明提出一种三维温度场的重建方法，包括以下步骤：

1)计算目标和CCD图像对应点的距离；

2)确定目标点辐射到CCD图像对应点的能量；

3)计算CCD相机成像平面接收到的能量；

4)通过解卷积过程，得到三维温度场的测量数值。

其中，在步骤1)中，计算目标和CCD图像对应点的距离的公式为：x，y表示目标点的二维坐标，x₁，y₁表示CCD图像对应点的二维坐标，z表示目标与CCD图像间的距离。

在步骤2)中，光照度E的计算公式为：其中，I表示发光强度，D表示光源到物面的距离，确定目标点辐射到CCD图像对应点的能量为其中I表示P₁点接收到的辐射能量，c是常系数，θ表示P点和P₁点连线与成像面法线的夹角，其数值为cosθ＝z/D，ds是彩色CCD相机上最小单元的面积。

在步骤3)中，根据轴对称假设，过目标点且垂直于火焰轴线的圆周对CCD图像对应点的辐射能量贡献可表示为：dI_all＝2π|x|dI，联合该式与步骤2中的目标点辐射到CCD图像对应点的能量公式，计算CCD相机成像平面接收到的能量其中σ代表火焰轴切面，函数g(x₁，y₁)表示CCD接收到的能量。