[发明专利]基于光场分层成像技术的火焰三维温度场测量系统及其方法

说明书

本发明公开了一种基于光场分层成像技术的火焰三维温度场测量方法系统及其方法。本系统包括一个精密光学平台及滑轨；一台光场相机，用于获取火焰的四维光场信息；一台计算机，用于储存信息和计算分析。本发明利用光场相机获取三维火焰光场信息，通过进行数字重聚焦处理及图像做反卷积处理，得到每个分层上的火焰辐射强度值，进而获得火焰的温度分布。本发明的测量系统一次拍照即可获取各个聚焦平面的信息，无需变焦或改变相机位置，对于时刻变化的火焰，可以实现高时间精度的光学非接触式测量。

技术领域

本发明属于火焰温度测量技术领域，具体涉及一种基于光场分层成像的燃烧火焰三维温度场测量系统及其方法。

背景技术

光场相机通过在主透镜和图像传感器之间安置一个微透镜阵列，成像系统可以同时分辨光线的强度信息和方向信息，使传感器能够采集被摄对象的四维光场数据。光场相机具有先拍照后对焦的特点，可以有效的捕捉更大范围的场景深度，展示真实场景的三维结构，光场成像技术逐渐应用于航空航天、三维重建、安全监视等诸多领域。

火焰温度场分布是判断火焰燃烧状态的重要标准。实现三维火焰温度场分布的测量，对于揭示燃烧现象的本质和燃烧过程的规律以及促进燃烧理论的发展都有着重大的意义。目前，火焰温度场的测量方法主要可分为接触式和非接触式两种。非接触式的测量方法具有测量范围宽、动态响应快、对流场影响小等优点。随着CCD图像传感器技术与计算机视觉理论的发展，非接触式的光学测量方法被越来越多的研究人员使用。

目前火焰的非接触式测量方法主要有以下几种。基于投影的CT层析方法，至上而下获得火焰截面，利用插值算法对火焰温度场进行了三维重建，利用全息干涉CT法结合迭代重建技术重建了火焰温度场，利用莫尔偏折的火焰温度场CT测量方法等。但这些层析测量的方法普遍所需设备多、光路复杂、耗时长，不易在工业火焰温度场测量中推广，且CT层析方法在缺少大范围角度信息的情况下，火焰信息重建误差很大。也有研究人员使用单相机单光路系统对燃气火焰的截面温度分布进行了重建，但实验中必须假设火焰形状和结构呈轴对称状，不符合火焰实际情况。基于传统相机移焦或变焦摄像的光学分层成像温度测量方法，将三维发光物体看成多个平行的二维发光断层的组合，对某一平面聚焦拍摄所成的像是该断层的原始像和其他断层的离焦像的叠加像，对图像进行反演获得每一断层的原始图像信息，该法设备简单，计算速度快，但每次拍摄火焰后都要电动机带动相机来改变相机拍摄位置或带动镜头变焦，而火焰每时每刻都在变化，这种方法的图像序列获取方式存在很大的延时误差。

发明内容

本发明利用光场相机特点，一次拍摄便能将空间的四维光场数据都储存在同一张原始光场图像上，结合重聚焦技术获得聚焦在火焰不同断层面的火焰图像序列，通过实验的方法获得图像的点扩散函数，最后利用图像反演算法便可实现高精度、实时性的火焰分层成像，进而实现三维温度场分布的重建。

本发明公开了基于光场分层成像技术的火焰三维温度场测量系统，包括火焰产生装置、光场相机以及数据分析储存装置；其中：

所述火焰产生装置，用于产生火焰；

所述光场相机，用于获取火焰在不同几何断层上的四维光场信息，并将所采集的四维光场信息传输至数据分析储存装置；

所述数据分析储存装置，采用重聚焦技术，对光场相机所反馈的火焰的四维光场信息进行重聚焦处理，得到聚焦在火焰不同几何断层面的火焰图像序列；然后采用反卷积技术，对所得到的火焰图像序列进行反演计算，反演出每一断层的原始信息，进而得到每个断层上的火焰辐射强度值，从而获得火焰的温度分布；

火焰产生装置所产生的火焰处于光场相机的拍摄视域内，而光场相机与数据分析储存装置之间信号连接。

本发明还公开了一种基于光场相机分层成像技术的火焰三维温度场测量方法，包括以下步骤：

步骤一：根据火焰尺寸大小，对火焰进行几何分层，并对每一几何断层位置到光场相机的距离进行标定；