毕设论文.docx
- 文档编号:9998636
- 上传时间:2023-02-07
- 格式:DOCX
- 页数:33
- 大小:539KB
毕设论文.docx
《毕设论文.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《毕设论文.docx(33页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
毕设论文
题目基于光场成像技术的火焰温度测
能源与环境学院院(系)热能与动力工程专业
学号03010416
学生姓名刘煜东
指导教师许传龙
起止日期2014.3~2014.6
设计地点东南大学礼西207室
东南大学毕业(设计)论文独创性声明
本人声明所呈交的毕业(设计)论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
论文作者签名:
日期:
年月日
东南大学毕业(设计)论文使用授权声明
东南大学有权保留本人所送交毕业(设计)论文的复印件和电子文档,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。
本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。
除在保密期内的保密论文外,允许论文被查阅和借阅,可以公布(包括刊登)论文的全部或部分内容。
论文的公布(包括刊登)授权东南大学教务处办理。
论文作者签名:
导师签名:
日期:
年月日日期:
年月日
基于光场成像技术的火焰温度测量
摘要
火焰的测量具有十分重要的意义,准确的测量有助于对燃烧状况准确的分析,从而进行优化以实现更高的能源利用效率和获得更加稳定可靠的工况。
而光场成像作为一种较为前沿的空间辐射获取技术,用于火焰温度场的测量有一定的可行性与实用性。
本文通过使用光场相机对火焰进行光场信息采集,对导出图像处理并计算后获得了火焰温度分布。
文章介绍了目前国内外火焰温度测量的方法与现状,说明光场成像的原理并讨论了将其用于火焰温度测量的可行性。
推导说明比色温度算法的计算公式,提出一定假设后将该方法应用于数字图像的处理。
通过实验验证相机景深随焦距增加而降低,从而确定了实验装置的布置与测量方案,同时确定了光场相机在该温度火焰测量时有关的参数取值,进行温度分布的求解。
初步结果表明该反演算法对于不同数据可能求得相同温度值的不适定性,在对图像边界进行识别与分割后获得了较显著的温度分布。
文章对双色法在数字图像中不同组合计算结果的差异进行了计算和比较,结果表明相机性能、标定误差以及该算法的假设条件对计算结果都有不同的影响。
最后,对光场信息数字重聚焦于不同焦平面的二维图像进行计算处理以及比较和分析,说明了算法和数据处理方式本身对信息利用的不足,最后提出了本课题进一步深入研究的可能方向。
关键词:
光场成像;火焰温度场,比色法测量,数字图像处理,数字重聚焦
ASTUDYOFPLENOPTICIMAGINGANDFLAMEMEASUREMENT
Abstract
Inthisthesis,wegettheflametemperaturedistribution,throughtheuseofLytrolightfieldcameratoobtaintheinformationofplenopticofflame.
Thisthesisintroducesthemethodsandresearchsituationathomeandabroadoftheflametemperaturemeasurement,explainstheprinciplesofplenopticimagingtechnologyanddiscussesitsfeasibilityforflamemeasurement.Itdeducesthecolorimetrictemperatureformula,appliesthemethodintodigitalimageprocessingwithsomeassumptions.
Thedepthoffieldincreasedwithcamerafocallength’sdecreasingisverifiedwithexperiment,wedeterminedthelayoutoftheexperimentalapparatusandmeasurementscheme,definedsomeparameterswhenmeasuringtheflameandsolvedthetemperaturedistribution.
Preliminaryresultindicatesanill-posedcharacteristicthattheinversionalgorithmfordifferentdatamayobtainsametemperature,thereforewegainedmoresignificanttemperaturedistributionaftertheimagerecognitionandboundarysegmentation.
Thethesismadeacalculationandcomparisonthroughthedifferencesofdigitalimagesinthecolorimetryresultsofdifferentcombinations.Itisshownthattheperformanceofthecamera,errorofcalibrationandtheassumptionsconditionallimpactonresults..
Finally,accordingtotherefocusinglight-fieldtwo-dimensionalimagesofdifferentfocalplanes,wedosomecalculation,comparisonandanalysis.Consequentlyitbringsforwardthedeficiencyofinformationutilization,includingalgorithmsanddataprocessing,andraisesthepossibledirectionsforfurtherresearch.
Keywords:
Plenopticimaging;flametemperaturefield,colorimetricmethod,digitalimageprocessing,digitalrefocusing
目录
摘要I
AbstractII
第一章绪论1
1.1引言1
1.2接触式测温法2
1.2.1膨胀式测温3
1.2.2压力式测温3
1.2.3热电阻测温3
1.2.4热电偶测温4
1.2.5其他接触式测温方法4
1.3非接触式测温法4
1.3.1成像法测温5
1.3.2辐射法测温6
1.3.3声波法测温7
第二章光场成像原理简介8
2.1光场的概念与获取方式8
2.2光场成像技术的研究现状8
2.3基于微透镜阵列的光场成像应用9
2.4光场成像在火焰测量上的应用10
第三章测量系统设计方案12
3.1硬件部分设计12
3.1.1光场相机仪器参数12
3.1.2测量系统的布置方案13
3.2数据处理流程15
3.3温度算法公式推导15
3.3.1RGB颜色标准简介15
3.3.2比色法在数字图像处理中的应用16
3.4相机标定过程18
第四章实验结果与误差分析21
4.1图像边界识别与目标区域分割21
4.2实验误差分析23
4.2.1双色法各组合结果比较23
4.2.2相机性能导致的误差分析24
4.2.3标定误差24
4.3光场分层讨论25
4.3.1现象与分析25
4.3.2继续研究的方向26
结论27
致谢29
参考文献(References)30
第一章绪论
1.1引言
电站锅炉及其他燃烧装置首先要求建立和维持稳定的燃烧火焰,无论对于研究电站锅炉煤粉燃烧的稳定性、经济性或清洁性[],对内燃机燃烧过程的研究,还是为了开发设计高效低污染的新型发动机都具有重要的意义和应用价值[]。
如果燃烧不稳定,不仅会降低燃烧效率,产生污染物和噪声,甚至会引起燃烧器脱火、回火或者积碳,造成事故。
为了及时、灵敏、可靠地检测燃烧工况,防止事故发生,大型燃烧设备必须配备功能齐全、性能可靠的火焰监视与控制系统。
火焰是燃烧状态稳定与否最直接的反映,其温度分布的定性或定量测定对于观察和了解燃烧过程特性,建立燃烧模型以及进行精确的数值模拟分析都有重要的作用。
燃烧火焰具有丰富的信息,如几何参数、温度场分布等。
如果温度场测量为立体空间分布而不是若干独立测点,则能够较全面地反映燃烧情况,如火焰的充满度、燃料与助燃剂配比、是否存在局部高温等,流动和燃烧的组织效果也能在火焰温度场中得到监测。
若可实现可视化监测,如通过传统相机成像,则可以更加直观的对燃烧系统进行控制,同时便于操作人员的管理操作;若可以对燃烧火焰全面并实时的监测,则有助于及时、正确的对燃烧进行判断与控制,这有利于提高燃烧设备的效率,降低设备损耗;通过光场成像进行火焰监测即可满足以上要求,实现实时、全面与可视化的要求,同时减少碳的排放量以实现节能减排的目标。
目前在技术上对于燃烧装置快速、丰富信息的利用仍有待发展,对燃烧分布情况也难以实时、全面的诊断。
目前以数字图像处理技术为核心的火焰图像检测系统也逐步发展起来;国内外科研院所在可视化的火焰测量这一领域通过传统的光学成像装置进行了研究与应用。
然而传统成像若想取得三维空间的信息则需采用推扫成像等方式进行多次曝光,这降低了光学检测的时效性[]。
同时非理想的光学系统都存在几何像差,对于测量的准确性造成干扰[]。
另一方面,国内外对于光场成像技术的研究与应用也在不断发展,但是通过光场成像对火焰进行测量的研究仍然处于起步阶段[]。
而采用光场成像的方式进行火焰测量,具有无需调焦、可消除几何像差以及实时性的优势。
同时,光场相机规避了光圈与景深这两个参数之间的矛盾,通过后期数字重聚焦的技术可以在大F数时获得较大的景深,利于燃烧火焰的测量。
本课题采用光场成像和光学测温的技术原理,进行火焰光场成像数据处理程序的设计与开发,完成实验数据的处理,并对处理算法做出改进与优化。
本项目有充足的理论基础,同时目前已有科研人员通过光学检测的方式对火焰进行测量[],这表明光场成像的方式与火焰温度的光学检测都具有很高的可行性。
本课题初步使用Lytro公司研制的光场相机进行光场数据的采集工作,在对其充分了解、进行标定并获取其图像数据后,研究其数据形式、查阅文献资料、进行调查研究、学习Bayer阵列的图像采集方式,进行图像处理算法程序的编写。
同时可以开展对实验系统进行设计与搭建的工作[],搭建火焰燃烧平台并且进行调试,引入传统、可靠的方式对火焰进行测定,开始进行图像采集的实验,以便于对光场成像进行标定,为算法研究提供实验数据。
在获得燃烧火焰测量参数,并且由光场成像实验数据计算求得结果后,对两者进行比较,分析误差存在的原因并对算法进行校正,再次实验以验证算法的准确性。
在此基础上按照规范要求认真撰写毕业设计论文,对实验数据和过程方法进行分析总结以及资料的整理工作。
1.2接触式测温法
接触式测温法的测温元件直接放置在被测的温度场介质中,测量结果不会受到被测物体的物性参数影响,具有测温精度高、设备简单、使用方便等优点。
但是它的缺点是只能进行单个点的温度测量,因此只能测到局部位置的信号而无法获得整个燃烧空间的温度分布信息;另一个缺点是测量响应时间长,对于工业锅炉或发动机等瞬时状态变化较快的测量对象,接触式测温法只能作为一定时间内温度的积分平均,无法做到瞬时的准确测量;此外由于传感器与被测体接触以及传感器温差等原因一定存在无法消除的误差。
图1-1火焰温度测量方法
1.2.1膨胀式测温
通过利用许多液体和固体在温度升高时提及的膨胀,根据受热膨胀性质制作的温度计。
液体膨胀式温度计中应用最广泛的是水银玻璃管温度计,在生活中如体温计较为常见;而固体温度计是利用固体受热膨胀原理制作的,可分为杆式温度计和双金属片温度计,其中双金属片的气温计较为常见。
1.2.2压力式测温
压力式温度计是根据液体、气体受热后体积膨胀或者压力变化这个原理工作的,因此可通过压力表对一定封闭空间的压力进行测量、同时进行温度标定即可作为温度计使用;可分为液体、气体或蒸汽压力式温度计。
但是压力式温度计本身的设计原理会带来另外的附加误差。
如温包结构浸入被测介质深度的印象、环境的影响、以及大气压力的影响等因素。
因此压力式温度计难以应用在精度要求较高的场合或者极端的工作环境中。
1.2.3热电阻测温
热电阻温度计的原理是金属传感器材料的电阻值随温度变化而成单一变化趋势,温度和阻值可以形成单一映射。
热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。
它的主要特点是测量精度高,性能稳定。
其中铂热电阻的测量精确度是最高的,它不仅广泛应用于工业测温,而且被制成标准的基准仪。
但是热电阻温度计为了保证精度会选择体积较大的传感器,这会造成时间上的大幅度滞后,无法完成瞬时温度的测量;此外较大的传感器会增加测点热能的传导散失,造成被测对象的热不平衡。
这些缺陷使得热电阻的使用受到很大局限。
1.2.4热电偶测温
热电偶温度计是在工业生产中应用较为广泛的测温装置。
热电偶传感元件是由两根不同材质的金属线组成,结构简单,使用方便,精确度高,量程范围宽,抗振,适用于300K至2000K范围内的中高温区间。
热电偶温度计测量元件由两种不同成份的导体(称为热电偶丝材或热电极)两端接合成回路,当接合点的温度不同时,在回路中就会因热电效应产生热电动势,热电偶就是利用这种原理进行温度测量的。
其中,直接用作测量介质温度的一端叫做工作端,另一端叫做补偿端;冷端与显示仪表或配套仪表连接,显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。
经过仪表对热电势信号的处理,即可获得与之对应的温度值。
热电偶实际上是一种能量转换器,它将热能转换为电能,用所产生的热电势测量温度。
由于其将温度转化为电信号,因此也可以非常便利的使用于电子仪表中,这有利于温度信号的远距离传输以及实现对象的准确控制。
1.2.5其他接触式测温方法
在以上介绍的几种常见接触式测温方式之外,还有光纤测温、黑体腔测温等方式[6]。
其中光纤测温法是利用光导纤维材料在不同温度下,对光的传输特性发生改变这一现象进行温度测量的。
这些测温方法仍然无法摆脱接触式测温法的固有弊病,必然会对被测量体造成干扰,同时具有一定的迟滞性,因此无法满足一些特殊的需求。
而非接触式的测温方法可很有效的避免接触式法的固有缺陷。
1.3非接触式测温法
黑体的辐射出射度与其温度有单值函数关系,因此测量黑体即全辐射体的辐射出射度就可以计算求得其温度值。
通过这种方式测量温度时,测量元器件不需要与被测介质相互接触,因此可以称作非接触式测温。
由于测量过程与被测体不发生直接接触,因而感受测量元件不会对被测介质的温度场造成干扰及破坏。
同时感受器不需要与被测介质达到同样的温度即可测量,这表明仪器的测温上限不会极大地受限于材料熔点,可以测量极高的温度;从理论上说,仪表的测温上限是不受限制的。
此外,由于非接触法不需要达到热平衡的条件,因此可以实现温度的快速测量、时间滞后很小。
虽然在中低温段非接触法的测量精度不及接触法,但是在1000K以上的高温段,其测量精度、灵敏度和实用性都有很大的优势,因此在1990年的国际实用温标规定,银凝固点(961.78℃)以上的温区是按普朗克辐射定律来定义的(ITS-90),复现标准仪器为光学高温计。
1.3.1成像法测温
1.3.1.1利用干涉原理的成像测温法
在成象法测温的多种方式中,激光散斑法、纹影法、干涉仪法和激光全息干涉法均是基于光的干涉原理进行测量的[6]。
从物理原理上看,基于干涉原理测量火焰的温度场的各种光学方法均可以等效为通过测量火焰的折射率分布反向求解获得温度参数的。
又有对气体而言,折射率通常与密度成正比,所以可以通过理想气体状态方程从测得的密度场数据获得折射率数据,进而求得所需的温度场数据。
它们的测量原理是将流场中各处折射率的变化转变为各种光参量的变化,并记录在感光元件上,从而进行定性或定量的分析判断。
散斑法的原理是当光线通过有扰动的气流时,由于局部部位折射率梯度的变化,使通过漫射体的透射光相对于无扰动时发生偏折移位,反映在感光元件上即为散斑位移的变化。
纹影法的原理是利用纹影仪将光线通过气流扰动区后引起的不同方向的偏折光区分开来,并用纹影刀口挡掉部分偏折光,使扰动区折射率的变化呈现为底片上明暗变化的纹影图像。
干涉仪法的原理是用两束同轴相干光分别通过气流扰动区和非扰动区,由于扰动区内折射率的不同引起光程差的变化,使两束相干光产生了相位的变化,从而反映为底片上干涉条纹的变化。
全息干涉法仍然基于干涉仪法的原理,不过它采用离轴记录法,不仅记录物波波前的振幅信息,同时还记录波前的相位信息。
由此可见,散斑照相法记录的是偏折位置差,反映的是折射率梯度的变化;纹影法记录的是偏折角度差,反映的是折射率的梯度;干涉仪法记录的是光波相位差,反映的是折射率本身;而全息干涉法既有相位信息又有振幅信息,反映的是折射率本身和三维流场的立体信息[6]。
上述四种方法测得的温度均为传输路径上火焰气体的平均温度。
其中,散斑照相适于测量试验段比较长、温度梯度比较大的流场,但它不能进行在线观察和测量,不适于测量瞬态的温度场;纹影法适于测量弱激波和密度梯度变化小的流场,但对火焰的自身发光十分敏感;干涉仪法在测量时对振动相当敏感,故造价昂贵,测试麻烦,实际使用受到限制;除全息法外,其它3种方法都需要借助计算机扫描技术才能获得火焰的三维立体信息,但全息法的光路比较庞大,对测量系统的防震性能和实验时的工作环境要求较高,因此用该项技术进行火焰诊断的实例还不多见。
1.3.1.2利用比色法的CCD成像测温法
近几年,随着电子计算机的高速发展,利用数字图像处理技术进行测量并重建温度场已在研究上取得了长足的进展。
目前测量发动机缸内燃烧火焰温度的光学方法主要是双色法和多色法[]。
双色法测温原理和多色法的测温原理都是基于普朗克辐射定律和维恩位移定律进行反演计算的方法,因此两者对被测介质都有一个假设,即将辐射介质视为辐射率恒定的灰体。
此外用双色法测量时,为了避免火焰在一个工况下摄像机曝光过量而在另一工况下曝光不足,因此需要在光路中增加中性滤光片。
由于测量光路中光学元件多,滤光片和反射镜存在加工误差,尤其是在工业测量温度场时,生产设备的振动使得各个光学器件之间的安装位置难以保证,因此测量精度会受到影响。
同样,在用多色法测量温度时,测量用的光学系统也是由测量探头、光导纤维和干涉滤色片等组成,为了保证被测量的火焰辐射光谱的完整性,对光学材料以及测量光路提出了很高的要求。
比色法测温主要受到辐射率和光学精度两个方面的局限[];由于Bayer格式的CCD阵列记录RGB三色数据,在比色法中提供了大量冗余的数据,通过算法的优化可以实现对辐射率变化误差的修正;同时随着工业制造水平的不断上升以及光学防抖技术的应用,光学设备的精度也达到了前所未有的高度。
因此CCD测温具有较强的使用价值,目前已有工业设备应用此方法,研究发展较为迅速。
1.3.2辐射法测温
辐射法测量火焰温度的基础定律为普朗克定律、维恩定律和斯忒藩·玻耳兹曼定律。
辐射高温计通过对全光谱的辐射能进行叠加积分,测量得到辐射介质的全光谱辐射出射度,通过斯忒藩·玻耳兹曼定律进行逆向求解即可得到介质的温度值。
单色高温计和比色温度计的原理与CCD比色测温法的原理相似,也是以维恩位移定律作为基本定律进行测量与计算处理的,因此同样受到光谱辐射率变化的影响,有一定的误差。
由于光谱发射率的影响,高温计的温度示值并不是物体的实际温度,而是根据使用的全辐射高温计、单色高温计和比色温度计的不同,得到辐射温度、亮度温度和比色温度。
若想求得火焰的实际温度,就需要对上述温度进行发射率的修正。
以往所采用的方法主要有发射率修正法、逼近黑体法、辅助源法和偏振光法。
目前获得物体实际温度和光谱发射率数据的最有效的方法是多光谱测温法,它是利用多个光谱下的物体辐射亮度信息,经过数据处理得到物体的真实温度。
CCD比色法中的双色校正法[]也利用了这个原理对结果进行修正。
1.3.3声波法测温
声波法温度测量的基本原理是建立在介质中的声速是按照一个温度的函数变化的事实之上,并且进一步的受到沿着声路的气体成分的影响[6]。
由此原理可以建立声速到温度的唯一映射,同时,使用多个发射点、多个接收点的测量系统,就可以实现对多条线温度平均值的测量,从而实现温度场的复现。
目前我校对声波测温法也在进行积极的研究与实验。
但由于此方法的控制方程中有介质分子量和介质定容比热容等参数是由介质本身决定的,当介质成分不稳定时,测量将出现大幅度的偏差,因而此方法更适用于辐射介质成分恒定不变或者变化规律已知对象的测量。
第二章光场成像原理简介
2.1光场的概念与获取方式
光辐射的场分布称为光场,实质上就是空间中所有光线光辐射函数的总体。
全光函数P(x,y,z,θ,φ,λ,t)是包含光线的三维坐标、传输方向、波长和时间变量的参数化描述。
若认为光线在自由空间中传播,时间和波长不会发生变化,经过计算论证可以将七维的全光函数降至四维L(u,v,x,y),可由特定结构的光场传感器进行数据的采集记录,获取光场位置和角度的信息[2]。
需要提及的是,以上的光场定义都将光辐射近似为几何光线,忽略了光的衍射和干涉等波动特性,在极端状况下这些性质可能会造成无法忽略的误差。
光场数据的计算与获取为图像处理带来了很多新的发展方向[]。
对光场的不同理解可形成不同的光场获取方式。
如果把光场看作是位置和角度信息的叠加,可以有比较简单的获取方式。
比如通过采用不同的观察视角或不同位置的照明来抓拍一系列照片的方式。
但是这两种方法耗时太长而且操作繁琐。
采用针孔成像的方式较为简单,但是由于位置和角度之间不成线性关系,计算复杂,因而应用也不广泛。
目前获取光场的手段主要有微透镜阵列、相机阵列以及掩膜等方式。
2.2光场成像技术的研究现状
与传统所见即所得的成像方式不同,光场成像是一种计算成像技术,需要数字感光元件和计算机的辅助,将其CCD记录的光场数据经过相应的数字处理算法才可以得到一定要求的图像。
因此光场成像技术是由光场的采集和相应数据处理两部分组成的。
目前已有的研究成果中[11],光场相机主要包括多相机组合和单相机改造以及掩膜等方式,其目的都是在图像采集系统中引入光学调制原件,改变其成像的结构,从而完整记录以四维方式表示的光场信息。
多相机组合及相机阵列,可以通过多个相机的分布获取目标不同视角位置的图像,这种方式源于单个相机多角度拍摄的方式,相机阵列的使用规避了单相机多次拍摄方式耗时过长的缺陷,实现了光场信息的瞬时采集,采用不同的空间排布,可以通过数据计算获得一系列不同于传统单相机的特性,如空间分辨率、动态范围和景深等。
目前斯坦福大学的128相机阵列[]、麻省理工学院的64相机阵列[]等在此方向都进行了深入
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 论文