[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

说明书

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。

技术领域

本发明涉及燃烧过程测量技术，具体涉及一种基于炉膛火焰图像的测量方法。

背景技术

燃烧涉及到各种类型的复杂多相流动和化学反应体系，是一个高温、高压、多目标、多约束、相互耦合的过程，其温度和浓度等关键参数的空间分布直接关系到能源利用过程是否安全、经济和清洁，是实现燃烧设备安全运行和节能减排的重要途径。特别是大型燃煤锅炉具有空间尺寸大、环境复杂等特点，燃烧过程的关键参数三维分布测量具有一定的挑战性。以1000MW煤粉燃烧超临界锅炉为例，锅炉炉膛长32米、宽15米、高75米，横截面积近500平方米，炉膛容积超过3万立方米，炉内参数的不均匀性趋势增强。此外炉内温度高达1600℃，包含复杂的气固多相流动，因此采用传统的接触式测量方法难以获得内部的参数分布。要获得锅炉内部的场参数分布，需要采用类似医学层析成像(CT)的方法对内部场参数进行重建。然而，对于大尺寸的燃煤锅炉而言，场参数重建面临的问题更复杂。例如，对于应用到现场的重建系统，不可能像医学层析成像中的传感器一样沿锅炉进行360°旋转，只能在炉膛有限位置开孔而获得不完全的投影数据，这就需要对重建算法进行研究和改进。近年来，光学技术、图像处理技术和计算机计算处理能力迅速发展，为发展新型的非接触式三维场测量技术提供了新的手段。

由于高分辨率的面阵摄像机可以同时获得大量的火焰投影数据，近年来，根据火焰图像进行辐射反问题的计算，从而重建其两维和三维温度场成为研究热点。这种采用火焰自身辐射反演火焰内部场参数分布的方法不需要外加光源，而且探测器(CCD摄像机)为面阵成像，可以通过有限的探测器获得较多的投影数据，从而实现三维场参数分布的重建。与通常的医学X射线CT相比，这种方法虽然获得的精度较低，但是不需要光源-探测器进行移动或转动，极大地提高了在工业现场的可能性，对于实际燃烧设备的应用具有非常好的前景。

但是，目前根据火焰图像进行场参数重建的研究，主要集中在温度场的重建和颗粒的影响等内容。由于传统面阵摄像机获得的图像在光谱维上没有信息，而气体的吸收与光谱密切相关，因此，目前这种方法还没有应用到气体浓度分布的重建。如果能够获得火焰在光谱维上的图像，实现三维温度场、颗粒浓度场和气体组分场的同时在线测量，将会极大提高这种方法的应用价值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，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。该方法能在线实时监测火焰温度场、颗粒浓度场和气体浓度场变化，设备简单、处理过程短和测量对象空间适应广。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

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，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：