基于图像检测的火焰温度场测量及三维重建的研究

摘要

从动态燃烧火焰图像中获取火焰的温度信息是燃烧诊断领域非常重要的研究内容。本文结合辐射传递的计算方法及逆向MonteCarlo方法，以辐射反问题研究作为基础，建立一套利用彩色CCD摄像机且适合于空间介质的火焰三维温度场重建模型。
　　 对于大空间的弥散介质温度场重建，其特点是在于介质为吸收、发射和散射的介质，辐射源相对于接收器(CCD成像靶面)很大，因此需要建立一个效率高、适应性广的三维温度场重建模型，这是本文研究的一个重点。对于如何不考虑重建区域内的火焰形状，重建出适合于对称和非对称火焰的模型，是本文研究的另一个重点。
　　 首先，介绍了比色测温方法的基本原理，讨论了由被测物体的灰度值变化和CCD传感器响应波长带宽的非理想性引起的测温误差，提出了相应的校正方法，并进行实验验证该测温方法的准确性。
　　 其次，详细介绍了基于MonteCarlo方法下空间介质的辐射传递的过程，经过与模拟的温度场进行对比研究，验证算法的可行性。再结合透镜光学成像原理，计算介质燃烧火焰的辐射光学成像。
　　 然后，研究分析了计算辐射传热的基于逆向MonteCarlo方法，在此基础上创新性推导出基于逆向MonteCarlo方法的三维温度场重建模型。该模型充分考虑到空间介质的吸收、发射和散射的三种特性，并且重建时间短，非常适合于大辐射源和CCD成像靶面小的计算情况。采用算例分析了几种因素对三维温度场重建精度的影响，结果表明逆向MonteCarlo方法重建效率较高，重建误差较小。
　　 最后，建立一个适合对称与非对称火焰的重建模型，通过数值模拟对该重建模型进行数值验证。进行实验应用研究，火焰温度场重建结果较为合理，与文献上一些温度分布情况具有一致性，为了验证重建温度分布的准确性，采用热电偶对温度分布进行大致测量，重建结果与测试结果吻合的较好。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 CCD测温技术综述

1．3 燃烧火焰温度场重建的反问题研究现状

1．4 本文的主要内容与结构安排

1．4．1 本文研究的主要内容

1．4．2 本文的结构安捧

第二章 火焰温度测量方法研究

2．1 测温原理

2．2 基于彩色面阵CCD的比色测温原理及误差分析

2．2．1 比色测温原理

2．2．2 基于彩色面阵CCD的比色测温原理

2．2．3 带宽的校正方法

2．2．4 灰性假设的校正

2．3 实验结果分析

2．4 本章小结

第三章 系统介质辐射传递及光学成像原理

3．1 燃烧火焰成像系统描述

3．2 微元体的辐射传递过程分析

3．2．1 微元体发射过程分析

3．2．2 微元体吸收过程分析

3．2．3 微元体的散射过程分析

3．2．4 微元体内辐射射线追踪过程

3．3 微元体间辐射传递过程分析

3．4 介质燃烧火焰光学成像及数值模拟计算

3．4．1 成像计算

3．4．2 数值模拟计算

3．4．3 结果讨论

3．5 本章小结

第四章 基于逆向Monte Carlo方法的三维温度场重建模型

4．1 基于逆向Monte Carlo方法的三维温度场重建模型

4．2 数值模拟算例研究及结果讨论

4．2．1 四个CCD摄像机的重建结果

4．2．2 离散方向数对重建的影响

4．2．3 系数矩阵对重建的影响

4．3 本章小结

第五章 气体燃烧火焰三维温度场重建实验研究

5．1 温度场重建模型

5．2 数值模拟研究讨论

5．2．1 对称火焰模拟重建研究

5．2．2 非对称火焰模拟重建研究

5．3 气体燃烧火焰三维温度场实验重建研究

5．3．1 系统实验图

5．3．2 实验重建结果

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果