基于单相机成像和锥束层析算法的火焰三维重构

摘要

在火力发电厂锅炉燃烧过程中，实时在线检测炉膛内的火焰特性参数，包括火焰的重构，对于燃烧过程的优化设计和运行有重要作用。通过一种非接触检测手段，能够更加实时有效准确地获得这些火焰数据，对于不同燃烧工况下分析火焰特性、辅助火焰优化燃烧有着重要意义。通过层析成像算法可以在三维空间内集中研究火焰特性，本课题选择复杂性一般、分辨率高、对防护性要求不高的无源光学透射法实现了火焰三维重构。
　　本课题旨在通过对无源光学层析成像法可视化和重构火焰三维图像的现状研究，解决其存在的问题，即由于成像模型和光学装置之间的不一致性而在图像重构中导致的误差。大部分层析成像算法都假设所有穿过像素的投射线平行于光轴，但是对于广角物镜的相机系统，实际的投影光束是堆叠的扇束或锥束，所以反投影过程中平行结构的数学成像模型将会在远离光轴的位置引起误差。
　　本课题主要的研究工作是提出基于FDK的锥束层析成像算法来重构火焰图像，主要包括:锥束层析成像的理论基础，基于FDK的锥束层析成像算法的仿真处理及结果分析，搭建基于单相机系统的实验平台来采集实际的二维火焰图像，然后利用基于FDK的锥束层析成像算法对采集到的火焰图像进行重构。
　　通过本课题中提出的针对旋转对称火焰的基于FDK的锥束层析成像方法，计算机仿真和实验室规模下的燃烧实验结果均证明，该方法可以解决相关的火焰三维重构算法中光学装置和数学模型之间不一致性引入误差的问题，能够以更高的精度和更快的系统响应重构三维火焰，尤其是在远离火焰光学中心的区域，减小了重构过程的畸变，重构结果的峰值信噪比PSNR、结构相似度指数SSIM等参数没有出现明显锐减，说明了与基于平行束的层析成像方法相比，基于FDK的锥束层析成像方法在改善边缘畸变问题上的有效作用。

目录

声明

摘要

1．1 课题背景及意义

1．2 火焰层析成像

1．2．1 电学层析成像法

1．2．2 激光层析成像法

1．2．3 无源光学层析成像法

1．3 无源光学透射法火焰层析成像技术的研究与应用

1．3．1 单相机系统

1．3．2 多相机系统

1．4 现有技术缺陷及研究方向

1．5 本课题的主要研究工作

1．6 本章小结

第2章 锥束层析成像的理论基础

2．1 投影采集过程

2．2 反投影重构方法

2．2．1 基于FBP的平行束层析成像算法

2．2．2 基于FDK的锥束层析成像算法

2．3 本章小结

第3章 重构方法的仿真结果分析

3．1 仿真环境及仿真模型的建立

3．2 仿真结果的评价标准

3．2．1 峰值信噪比

3．2．2 结构相似度指数

3．2．3 均方根误差

3．3 基于FDK的锥束层析成像算法的仿真分析

3．3．1 可视化重构结果

3．3．2 准确性分析

3．4 仿真过程的影响因素分析

3．4．1 投影噪声

3．4．2 滤波方法

3．4．3 插值方法

3．5 本章小结

第4章 基于单相机轴对称火焰重构的实验与结果讨论

4．1 实验装置的设计

4．2 光学系统的设计

4．3 实验方案

4．4 实验结果处理

4．4．1 火焰纵截面的重构效果

4．4．2 火焰横截面的重构效果

4．5 本章小结

5．1 总结

5．2 展望

图表列表

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢