基于发射光谱层析方法的火焰光强场三维重建研究

发布时间：2020-07-09 22:52

【摘要】：对复杂流场的物理参数分布进行诊断是现代航空航天技术、能源工程、仪器制造等方向的关键的技术。但是,物理参数的单点、单线或单面诊断已远远满足不了要求,对复杂流场物理参数的三维空间分布进行整体诊断是现阶段工业发展的迫切要求。光谱强度是复杂流场的重要物理参数之一。若已知火焰场光谱强度的三维分布,结合黑体炉或热电偶标定,可以诊断出火焰场的三维温度场分布;若已知等离子体射流的三维光谱强度分布,再通过静电探针或微波干涉等方法进行标定,可诊断出动态等离子体射流的三维电子密度场分布。光谱强度三维重建方法分为两类:发射光谱层析方法与透射光谱层析方法。发射光谱层析方法利用流场在多个方向的投影数据来重建流场光谱强度的三维分布,它具有非接触、无扰动、瞬态和三维全场测量的优点。与透射光谱层析方法相比,它结构简单,无需复杂光学设备,对实验环境要求低。近年来,随着相机技术的发展,发射光谱层析方法成为研究热点,但是其中仍存在平行投影假设、层间无相关性、空间定位不准确、近似计算等问题。针对这些问题,本论文对发射光谱层析算法做了深入研究:1、介绍了发射光谱层析技术,阐述了传统面层析方法重建三维光谱强度的原理。通过实验数据分析了面层析重建算法的性能,指出变换类重建算法需要较多的投影方向数,对投影数据的完备性和均匀性具有较高的要求;而迭代类重建算法在投影方向数少的情况下可以得到较好的重建结果。2、分析了面层析方法存在的局限性,提出了一种适合非完全数据下的体层析新方法——基于射影几何模型的体层析重建方法。其中采用相机射影几何模型确定二维图像平面与三维空间的对应关系,使用多相机标定技术来精确定位三维空间位置;创新地提出了利用投影凸多边形和亚像素分割的方法来计算空间体素格子对像素的投影贡献率;根据质量守恒定律和能量守恒定律,提出了对投影权重矩阵进行局部归一化的方法。最后,建立了体层析优化目标函数,并迭代求解模型最优解。3、在数值仿真实验中,采用对称和非对称流场,验证了本文重建方法的正确性;同时讨论了图像分辨率、投影方向数(相机视角数)、噪声水平对流场三维重建精度的影响;另外,通过实验结果,分析了使用验证方向的误差侧面反映三维流场重建精度的合理性。4、对真实火焰场进行了三维光谱强度重建。其中,因不同相机对相同强度的光强具有不同的灰度响应,本文提出了利用多段线性变换法对不同相机的灰度响应曲线进行一致化校正;为了降低计算量,又提出了利用多目可视壳技术约束重建空间区域。真实实验使用8台相机从8个不同视角方向拍摄三维空间的火焰,得到8个二维投影图像,采用其中7个方向的投影图像参与三维重建,余下1个相机的拍摄图像作为验证方向图像,将三维重建结果重投影到验证方向图像上,重投影误差(平均相对误差、最大相对误差、均方根误差)分别为1.46%、14.72%、9.40%。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O433
【图文】：

维恩位移定律,波长,复杂流场,物理参数分布

复杂流场的物理参数分布能够直接反应相关设备的计、加工、开发和优化等方面提供关键的理论分析和的物理参数分布大多都是单点、单线或单面诊断，已迫切需要对复杂流场物理参数的三维空间分布进行整参数的三维分布诊断引起了国内外科研人员的高度关具有空间分布复杂、高温和高速传播的特点，其性态，这些特点导致复杂流场的三维诊断异常困难。杂流场中重要的物理参数，对间接诊断复杂流场中的作用。如图 1.1 所示，如果已知燃烧流场的光谱强温度，可以诊断出燃烧火焰流场的三维温度场分布；度分布，再通过谱线绝对强度法或谱线相对强度法等维温度场分布，通过静电探针或微波干涉等标定方法电子密度场分布。因此对复杂流场的三维光谱强度的至关重要。

燃烧流场,方法,时间相移法

西安电子科技大学硕士学位论文Pfeifer 等人[24]使用三步时间相移法对莫尔条纹光强分布满足正弦结构。但时间相移法因无法复杂流场的瞬态测量和动态显示。孙志、宋e扑惴ǎ锰岢龅目占湎嘁颇阄黾际踔卮∩希又亟ㄕ凵渎实娜植嫉玫搅吮栈餥27]利用条纹跟踪法实现对被测场莫尔条纹激波被测场折射率的三维分布重建诊断。高测量灵敏度，在恶劣的测试环境中易受到震发生剧烈变化时，会发生诸如干涉条纹断裂等问题。此外，由于干涉仪器设备的经济成本很有限，因此该方法的应用受到很大的限制，

二维切片,三维重建

西安电子科技大学硕士学位论文有的传统光学层析技术是一种准三维的诊断方法，这是因为它是通过对的二维切片进行单独重建堆砌而成的三维重建场，如图 1.3 所示。该方必须处于同一平面，探测射线被完全约束到二维平面内传播且假设探测。而在实际应用中，采用相机进行探测时，很难保证相机处于同一平面件并不满足，重建精度会受到影响。因此，从二维面层析转换到更加符三维体层析是光学层析技术发展的必然需求，近年来，三维体层析技术析研究中的重点。

【相似文献】