本发明涉及炉内燃烧情况测量技术领域，具体涉及一种基于高光谱图像的动态火焰测量方法及装置。
背景技术：
炉内燃烧空气动力场和温度场分布特性直接关系到锅炉的稳定运行。炉内温度场的分布是反应炉内燃烧工况的一个重要参数，实时温度场的测量不仅对于锅炉调整煤粉比、燃烧器摆角，提高锅炉燃烧效率有着重要的指导意义，同时也可以有效地控制炉内污染物产生，并可防止局部高温容易带来的安全事故。
通过对温度场的重建来分析炉内燃烧空气动力场的分布是目前国内外对炉内燃烧诊断的一个新的研究热点。它利用炉内燃烧介质在可见光波段的辐射，通过电荷耦合器件(ccd)火焰图像传感器获取不同角度内的辐射投影数据，然后通过相关的优化重建算法，得到炉内介质的温度场分布，最后结合锅炉的运行参数对炉内燃烧情况给出诊断结果。
但传统的ccd传感器或高光谱成像系统获得多张光谱图像需要一定的成像时间，而炉膛内火焰属于湍流燃烧，炉膛内部一直在发生剧烈反应，在很短的时间内炉膛内温度场、颗粒浓度场和气体浓度场都会发生剧烈变化，所以，对于湍流动态火焰，传统的高光谱成像系统难以在非常短的时间内获取火焰测量所需的足够数量的光谱图像，传统的高光谱成像系统因此仅适用于测量稳态火焰，而难以对湍流动态火焰的温度场、颗粒浓度场或气体浓度场进行测量。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于高光谱图像的动态火焰测量方法，以解决传统ccd传感器或高光谱成像系统成像时间较长，难以测量湍流动态火焰的炉内温度场、颗粒浓度场以及气体浓度场的技术问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
提供一种基于高光谱图像的动态火焰测量方法，具体步骤包括：
1)分光镜将入射的火焰辐射光束至少分成三束辐射光发出；
2)由分光镜分得的至少三束所述辐射光中的每一束被工作在对应波段的一台高光谱成像系统接收并成像；
3)根据火焰在同一时刻下的光谱维信息测得炉内火焰温度分布、颗粒浓度分布和气体浓度分布。
作为本发明的一种优选方案，步骤3)中，测量炉内火焰温度分布、颗粒浓度分布和气体浓度分布的方法步骤具体包括：
3.1)建立辐射能方程；
3.2)求解所述辐射能方程，得到炉内空间每个体积元的温度和火焰辐射吸收系数，所述火焰辐射吸收系数包括颗粒吸收系数和/或气体吸收系数；
3.3)根据所述颗粒吸收系数并行计算出炉内每个所述体积元的颗粒浓度，得到炉内颗粒浓度分布；根据所述气体吸收系数并行计算出炉内每个所述体积元的气体浓度，得到炉内气体浓度分布。
作为本发明的一种优选方案，步骤3.1)建立的所述辐射能方程通过以下公式(1)表达：
iλ＝l·hλ公式(1)
公式(1)中，iλ表示所述高光谱成像系统在波长λ下接收到的所述辐射光的辐射强度；
l表示火焰辐射射线在所述体积元中走过的路径；
hλ表示波长为λ的火焰辐射吸收系数与辐射强度乘积的向量；
步骤3.2)中，通过以下公式(3)求解得到每个所述体积元的温度t(n)和所述火焰辐射吸收系数kλ：
公式(3)中，c1表示第一辐射常数；
c2表示第二辐射常数；
kλ表示待求解的所述火焰辐射吸收系数；
hλ(n)表示关联第n个所述体积元的所述火焰辐射吸收系数与辐射强度乘积的向量；
λ表示所述高光谱成像系统接收到的所述辐射光的波长；
t(n)表示待求解的第n个所述体积元的温度。
作为本发明的一种优选方案，向量hλ通过以下公式(5)计算而得：
公式(5)中，λ2表示阻尼系数；
r＝iλ-lhλ；
i表示单位矩阵；
lt表示系数矩阵l的转置。
作为本发明的一种优选方案，步骤3.3)中，通过以下公式(6)计算每个所述体积元的颗粒浓度：
公式(6)中，fv表示待计算的炉内颗粒浓度；
kp,λ表示所述颗粒吸收系数；
e(m)表示随波长变化的颗粒复折射率函数。
作为本发明的一种优选方案，步骤3.3)中，通过以下公式(7)计算每个所述体积元的气体浓度：
公式(7)中，fg表示待计算的气体浓度；
p表示所述体积元中的气体压力；
s表示第二中间变量。
作为本发明的一种优选方案，所述第二中间变量s通过以下公式(8)计算而得：
公式(8)中，kg,λ表示所述气体吸收系数；
b表示第一中间变量；
l表示火焰辐射射线在所述体积元中走过的路径。
作为本发明的一种优选方案，所述第一中间变量b通过以下公式(9)计算而得：
公式(9)中，
作为本发明的一种优选方案，所述第一辐射常数c1的值为3.742×10-16w·m2；
所述第二辐射常数c2的值为1.4388×10-2w·k。
本发明还提供了一种基于高光谱图像的动态火焰测量装置，可实现所述的动态火焰测量方法，所述装置包括：
分光镜，用于将入射的火焰辐射光束至少分成三束辐射光发出；
至少三台工作在不同成像波段的高光谱成像系统，由所述分光镜分得的至少三束辐射光中的每一束被工作在对应波段的一台所述高光谱成像系统接收并成像；
数据采集卡，通信连接各所述高光谱成像系统，用于将各所述高光谱成像系统的成像图像信息发送给上位机；
上位机，通信连接所述数据采集卡，用于根据所述数据采集卡发送的所述成像图像信息计算炉内火焰温度分布、颗粒浓度分布和气体浓度分布。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明首次将分光镜和高光谱成像系统结合去测量炉内湍流动态火焰的燃烧情况，通过利用分光镜的半反半透特性，将入射到分光镜的一束火焰辐射光分成多束，且高光谱成像系统相比传统的电气耦合器件(ccd)图像传感器可以获得更多的图像数据，这些数据为大量窄波段(分辨率10nm以内)连续数据，能够得到成像目标几乎连续的光谱数据，分光镜与高光谱成像系统结合使用获得的丰富的数据量能够确保炉内火焰温度场、颗粒浓度场、气体浓度场的计算准确度，且多台高光谱成像系统同时对分光镜分得的辐射光进行成像，计算机基于多光谱图像丰富的数据量分析火焰燃烧情况，有效确保了火焰燃烧分析的实时性。
2、传统的ccd传感器件或者传统的基于高光谱成像系统的火焰测量装置只能对稳态(静态)火焰进行测量，本发明将分光镜与高光谱成像系统结合使用可适用于动态火焰的测量，提高了基于高光谱成像系统的传统火焰测量方法的实用性；
3、本发明在重建炉内气体浓度时，采用了统计窄带模型，该模型具有测量温度范围广、精度高和计算量小的优点；
4、本发明利用火焰自身发出的辐射光对炉内燃烧情况进行测量，无需外加激光光源进行测量，相比传统的激光测量方式具有设备简单、测量成本低、测量火焰尺度大的优点；
5、本发明将分光镜和高光谱成像系统结合使用，可获取同一时刻的火焰多光谱图像，减少了火焰多光谱图像的获取时间，进而减少了火焰测量时间。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例提供的基于高光谱图像的动态火焰测量方法的实现步骤图；
图2是测得炉内火焰温度分布、颗粒浓度分布和气体浓度分布的方法步骤图；
图3是利用拟合光谱曲线从火焰辐射吸收系数中分离出颗粒吸收系数和气体吸收系数的示意图；
图4是同一时刻获得的3张火焰光谱图像的示意图；
图5是重建的火焰温度场的示意图；
图6是重建的颗粒浓度场的示意图；
图7是重建的气体浓度场的示意图；
图8是本发明一实施例提供的基于高光谱图像的动态火焰测量装置的结构示意图；
图9为基于三台高光谱成像系统成像的高光谱图像实现动态火焰测量的流程图。
图8中：
1、火焰；2、火焰辐射光束；3、图像采集通道；4、分光镜；5、高光谱成像系统的前端镜头；6、高光谱成像系统的液晶可调滤波片；7、高光谱成像系统的光学延迟镜头；8、ccd摄像机；9、数据采集卡；10、上位机；11、上位机测量动态火焰燃烧情况的测量逻辑。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若出现术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“连接”等指示部件之间的连接关系，该术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个部件内部的连通或两个部件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明实施例以分光镜将入射的火焰辐射光束分成三束辐射光为例，对本发明提供的基于高光谱图像的动态火焰测量方法的具体实现进行详细说明，本测量方法主要用于电厂锅炉内弥散介质参数的测量，测量对象具体为炉内火焰温度场、颗粒浓度场和气体浓度场。如图1和图9所示，该测量方法具体包括：
步骤1)炉内火焰发出辐射光束，光束进入分光镜后被一分为三，分光镜具有半反半透特性，火焰光束进入分光镜后，一部分光透过分光镜，一部分光向一个方向折射，另一部分光向另一方向折射，三束光分别进入对应的一台高光谱成像系统；
步骤2)由分光镜分得的至少三束辐射光中的每一束被工作在对应波段的一台高光谱成像系统接收并成像；比如经分光镜透过或折射出的三束光，三台高光谱成像系统分别接收1300nm、1500nm和1870nm波长下的辐射光并成像，获得火焰在这三个光谱下的图像，成像结果请参见图4，图4中的a图为1300nm波长光束的火焰光谱图像；图4中的b图为1500nm波长光束的火焰光谱图像；图4中的c图为1870nm波长光束的火焰光谱图像。当火焰种类为乙烯扩散火焰时，1300nm和1500nm火焰图像只具有颗粒吸收作用，而1870nm火焰图像同时具有颗粒吸收作用和气态水(气体)吸收作用。颗粒近似为灰体，其在全波段都有辐射，所以1300nm、1500nm和1870nm的火焰图像都含有颗粒吸收作用。气体辐射具有波长选择性，每种气体只在特定波段存在吸收性，气态水含有多个吸收光谱，其中一个吸收光谱峰值在1870nm，而在1300nm、1500nm不含水的吸收光谱。由于在绝大多数波段中都不含有水的吸收光谱，所以不含水的吸收光谱对应的波长选择相对自由(可以选择1300nm和1500nm，也可以选择其他波段，只要不是恰好又落到另一条水吸收谱线即可)，但含水的吸收光谱对应的波长选择相对比较局限，如图3所示，火焰种类为乙烯扩散火焰时，含水的吸收光谱峰值出现在1.3um-1.5um以及1.8um-1.9um之间，本实施例中，含水吸收光谱对应的波长选择1870nm。
步骤3)根据火焰在同一时刻下的光谱维信息测得炉内火焰温度分布、颗粒浓度分布和气体浓度分布(主要指炉内气态水浓度分布)。
图2示出了本实施例测量炉内火焰温度分布、颗粒浓度分布和气体浓度分布的方法步骤图。如图2所示，炉内火焰温度分布、颗粒浓度分布和气体浓度分布测量方法具体包括：
步骤3.1)建立辐射能方程；本实施例优选采用逆向射线追踪法建立辐射能方程，该辐射能方程可通过以下公式(1)表达：
iλ＝l·hλ公式(1)
公式(1)中，iλ表示高光谱成像系统在波长λ下接收到的辐射光的辐射强度；
l表示火焰辐射射线在体积元中走过的路径(通常称为“光程”)；在辐射能方程中，l以向量形式表达；
hλ表示火焰辐射吸收系数(包括颗粒吸收系数和/或气体吸收系数)与辐射强度乘积的向量。
本实施例中，由于三台高光谱成像系统分别接收1300nm、1500nm和1870nm波长下的辐射光，所以辐射能方程可以以第一联立方程表示，该第一联立方程可通过以下公式(2)表达：
公式(2)中，i1300表示高光谱成像系统在波长1300nm下接收到的辐射光的辐射强度；
h1300表示波长为1300nm的火焰辐射吸收系数与辐射强度乘积的向量。
步骤3.2)求解辐射能方程，得到炉内空间每个体积元的温度和火焰辐射吸收系数，火焰辐射吸收系数包括颗粒吸收系数，和/或气体吸收系数；
体积元的温度t(n)和火焰辐射吸收系数kλ可通过以下公式(3)计算而得：
公式(3)中，c1表示第一辐射常数(值优选为3.742×10-16w·m2)；
c2表示第二辐射常数(值优选为1.4388×10-2w·k)；
kλ表示待求解的火焰辐射吸收系数；kλ＝kp,λ kg,λ；kp,λ表示颗粒吸收系数；kg,λ表示气体吸收系数；
hλ(n)表示关联第n个体积元的火焰辐射吸收系数与辐射强度乘积的向量；
λ表示高光谱成像系统接收到的辐射光的波长；
t(n)表示待求解的第n个体积元的温度。
本实施例中，由于三台高光谱成像系统分别接收1300nm、1500nm和1870nm波长下的辐射光，所以可将公式(3)转换为第二联立方程求解出待解的温度t(n)和火焰辐射吸收系数kλ，该第二联立方程可通过以下公式(4)表达：
公式(4)中，kp,1300、kp,1500、kp,1870分别表示待求解的1300nm、1500nm和1870nm处的颗粒吸收系数；在1300nm和1500nm波段，由于不含水的吸收光谱，所以1300nm和1500nm波段的火焰辐射吸收系数仅包含颗粒吸收系数；
kg,1870表示待求解的1870nm处的气体吸收系数；在1870nm波段，由含有水的吸收光谱，所以1870nm处的火焰辐射吸收系数包含颗粒吸收系数和气体吸收系数；
公式(4)中的h1300(n)、h1500(n)、h1870(n)是已知的，hλ(n)优选利用阻尼lsqr算法计算获得。hλ(n)可通过以下公式(5)计算而得：
公式(5)中，hλ(n)是待求解的未知数；
λ2表示一阻尼系数；
r＝iλ-lhλ；
i表示单位矩阵；这里特别需要注意的是，此处的i与上述的iλ的含义完全不同，前者是线性代数中的单位矩阵，而iλ表示高光谱成像系统在波长λ下接收到的辐射强度；
lt表示系数矩阵l的转置；火焰辐射射线在体积元中走过的路径l是系数矩阵。
公式(5)中的高光谱成像系统在波长λ下接收到的辐射强度iλ是常数项。
对于公式(5)中的3个方程，可通过数值计算方法求解未知数“t(n)”“kp,λ”和“kg,λ”，得到每个体积元的温度、颗粒吸收系数和气体吸收系数。同时对n个体积元的温度进行并行求解计算，则可以得到炉内火焰的温度分布。本实施例中，对图4中的3张火焰光谱图像进行温度场重建计算，重建火焰上方5mm水平面的温度场，重建获得的温度场如图5所示，重建结果呈现火焰中心温度相对较低，火焰外焰温度相对较高的特征，符合火焰温度场规律。
在高光谱火焰图像中，颗粒在全波段中均有吸收性，气体只在特定波段才有吸收性，基于这个特征，还可从拟合光谱曲线中分离出颗粒吸收系数和气体吸收系数。以乙烯扩散火焰为例，如图3所示，利用1300nm和1500nm的火焰光谱图像可计算出火焰的拟合光谱曲线，1.3um-1.5um以及1.8um-1.9um之间由于含有水的吸收光谱，所以1.3um-1.5um以及1.8um-1.9um的光谱强度实际会出现气体吸收峰，所以当吸收波长为1870nm时，可以用1870nm实际光谱强度减去拟合的1870nm光谱强度得到气体的光谱强度，由此可以从拟合光谱曲线中分离出颗粒吸收系数和气体吸收系数。
请继续参照图2，测量炉内火焰温度分布、颗粒浓度分布和气体浓度分布的方法还包括：
步骤3.3)根据颗粒吸收系数并行计算出炉内每个体积元的颗粒浓度，得到炉内颗粒浓度分布；根据气体吸收系数并行计算出炉内每个体积元的气体浓度，得到炉内气体浓度分布。
每个体积元的颗粒浓度可通过以下公式(6)计算而得：
公式(6)中，fv表示待计算的每个体积元的颗粒浓度；
kp，λ表示体积元的颗粒吸收系数；
e(m)表示随波长变化的颗粒复折射率函数。
以炉内燃烧火焰种类为乙烯火焰为例，由于乙烯火焰中颗粒尺寸远小于入射辐射的波长，此时可近似为rayleigh散射(瑞利散射)。燃用天然气或液体燃料时主要产生这种小尺寸的颗粒产物。颗粒的吸收作用和颗粒浓度成正比，在颗粒吸收系数已知情况下，可通过公式(6)给出的颗粒浓度和颗粒吸收系数的关系，利用颗粒吸收系数可求解出颗粒浓度。同时对n个体积元进行颗粒浓度并行计算，则可以得到炉内火焰的颗粒浓度分布。对图4中的3张火焰光谱图像进行颗粒浓度场重建计算，重建火焰上方5mm水平面的颗粒浓度场，重建获得的颗粒浓度场如图6所示。
每个体积元的气体浓度通过以下公式(7)计算而得：
公式(7)中，fg表示待计算的气体浓度；
p表示所述体积元中的气体压力；
s表示第二中间变量。
第二中间变量s通过以下公式(8)计算而得：
公式(8)中，kg,λ表示气体吸收系数；
b表示第一中间变量；
l表示火焰辐射射线在体积元中走过的路径。
第一中间变量b通过以下公式(9)计算而得：
公式(9)中，
第一气体吸收特征参数
在1870nm的火焰光谱图像中，通过公式(4)获得气体吸收系数。气体吸收系数与气体浓度间的关系由统计窄带模型决定，两者关系复杂，公式(7)、(8)、(9)给出了气体吸收系数与气体浓度间的函数关系。利用气体吸收系数计算气体浓度可通过牛顿迭代算法进行求解，求解结果为火焰中的气体(气态水)浓度。同时对n个体积元进行气体浓度的并行求解计算，则可以得到火焰中的气体浓度分布。对图4中的3张火焰光谱图像进行气体浓度场重建计算，重建火焰上方5mm水平面的气体浓度场，重建获得的气体浓度场如图7所示。
本发明还提供了一种基于高光谱图像的动态火焰测量装置，如图8所示，该装置包括：
分光镜4，用于将入射的火焰辐射光束至少分成三束辐射光发出；
至少三台工作在不同成像波段的高光谱成像系统(高光谱成像系统包括前端镜头5、液晶可调滤波片6、光学延迟镜头7、ccd摄像机8)，由分光镜4分得的至少三束辐射光中的每一束被工作在对应波段的一台高光谱成像系统接收并成像；
数据采集卡9，通信连接各高光谱成像系统，用于将各高光谱成像系统的成像图像信息发送给上位机；
上位机10，通信连接数据采集卡9，用于根据数据采集卡9发送的成像图像信息计算炉内火焰温度分布、颗粒浓度分布和气体浓度分布。关于上位机计算火焰温度分布、颗粒浓度分布和气体浓度分布的具体方法在上述的动态火焰测量方法中已作了具体阐述，在此不再赘述。
本动态火焰测量装置将对火焰辐射光束进行成像并将成像图像发送给上位机的过程简述如下：
请参照图8，火焰1发出的火焰辐射光束2通过图像采集通道3入射到分光镜4，分光镜4将入射的辐射光束一分为三，分得的三束光分别被工作在对应波段的高光谱成像系统接收并成像，高光谱成像系统将成像的火焰光谱图像发送给数据采集卡9，数据采集卡9将火焰光谱图像转发给上位机作炉内火焰温度分布、颗粒浓度分布和气体浓度分布计算。
需要声明的是，上述具体实施方式仅仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等。但是，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。另外，本申请说明书和权利要求书所使用的一些术语并不是限制，仅仅是为了便于描述。
本文用于企业家、创业者技术爱好者查询，结果仅供参考。
