基于高光谱图像的动态火焰测量方法及装置与流程

技术特征：

1.一种基于高光谱图像的动态火焰测量方法，其特征在于，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。

2.根据权利要求1所述的动态火焰测量方法，其特征在于，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。

3.根据权利要求2所述的动态火焰测量方法，其特征在于，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。

4.根据权利要求3所述的动态火焰测量方法，其特征在于，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；

l^t表示系数矩阵l的转置。

5.根据权利要求3所述的动态火焰测量方法，其特征在于，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。

6.根据权利要求3所述的动态火焰测量方法，其特征在于，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；

表示第二气体吸收特性参数；

p表示所述体积元中的气体压力；

s表示第二中间变量。

7.根据权利要求6所述的动态火焰测量方法，其特征在于，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。

8.根据权利要求7所述的动态火焰测量方法，其特征在于，所述第一中间变量b通过以下公式(9)计算而得：

公式(9)中，表示第一气体吸收特性参数。

9.根据权利要求3所述的动态火焰测量方法，其特征在于，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。

10.一种基于高光谱图像的动态火焰测量装置，可实现如权利要求1-9任意一项所述的动态火焰测量方法，其特征在于，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。

技术总结
本发明公开了一种基于高光谱图像的动态火焰测量方法及装置，其中装置包括分光镜、至少三台工作在不同成像波段的高光谱成像系统、数据采集卡和上位机，分光镜将入射的火焰辐射光束至少分成三束辐射光发出；工作在对应波段的每台高光谱成像系统接收分光镜分出的一辐射光并成像；数据采集卡将各高光谱成像系统的成像图像信息发送给上位机；上位机根据火焰在同一时刻下的光谱维信息计算得到炉内火焰温度分布、颗粒浓度分布和气体浓度分布。本发明解决了传统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。

技术研发人员：王飞;谢正超
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2021.05.06
技术公布日：2021.08.06