基于光偏折层析的脉动火焰四维测量方法技术

本发明专利技术涉及一种基于光偏折层析的脉动火焰四维测量方法，所述方法构建4D-CT多视角投影有序阵列偏折成像系统，针对被测流场的结构特点，确定最佳的采样角度，将激光源发出的激光束进行扩束准直和空间滤波器后，使用光束分束器进行二次分束，产生多条投射光束，进而生成莫尔偏折条纹阵列；使用基于波前恢复的条纹图处理技术，提取投影条纹的光偏折信息；构建基于偏折角修正重建的压缩传感重建算法对偏折投影信息进行反演计算，得到不同条纹图截面的二维参量分布；使用单阈值分割法对重建后的二维温度分布进行阈值分割，使用基于Marching Cubes面绘制算法和Ray Casting体绘制算法的Visualization Tool Kit技术，实现脉动燃烧流场及火焰结构的三维体数据动态显示。

【技术实现步骤摘要】
基于光偏折层析的脉动火焰四维测量方法
本专利技术属于激光技术应用领域，具体涉及一种基于光偏折层析的脉动火焰四维测量方法。
技术介绍
脉动燃烧是当代先进的非常规燃烧技术，它是指在燃烧和声脉动相互激励和反馈的条件下，温度、压力、气流速度及热释放率等状态参数随时间周期性波动的一种特殊的不稳定燃烧过程。脉动燃烧具有燃烧强度高、传热效率高、低NOx排放等常规稳燃无可比拟的优势，对于节约能源、控制污染物排放、研究高效动力机械等具有重要意义，因而受到了美国、日本、中国和欧洲多国的高度重视。然而其燃烧机理、燃烧特性、应用技术的研究同样受制于流场结构、参量分布、燃烧过程的定量测量和精确描述。近几十年来，结合光学与激光技术、计算机技术、电子技术、信息处理技术而产生的粒子图像测速技术(PIV)、激光诱导荧光技术(LIF)、激光全息干涉技术(LIH)、激光－超声技术(LUM)、相干反斯托克斯喇曼散射(CARS)等新一代流场显示与测量方法蓬勃发展，从而使复杂流动的研究取得突破性进展，这其中具备非接触测量、多参量分析、定量计算等特质的光学计算层析(ComputedTomography(CT))技术已成为复杂流场测试领域的有力工具。光学CT(干涉CT、光偏折CT等)利用激光光波作为信息敏感器，获取光线通过被测流场多方向的投影数据反演二维乃至三维分布。相比于干涉CT，光偏折CT具有对光源要求不高、抗干扰能力强、光路简单易调等优点。更为重要的是，对于高温、高速、非稳态相位流场，光偏折成像的低敏感性使它具备了宽广的动态测试范围，成为其测量复杂流场的显著优势。现有技术方案光偏折CT理论发展和实际应用的关键技术主要有两方面：其一是复杂流场多方向投影数据的获取，其二是由投影信息重建场分布。现有光偏折CT通过投影采样、投影信息提取、重建计算等流程可以实现流场的二维乃至三维分布。(1)光偏折CT的成像采样燃烧流场多方向光偏折成像的获取是实现流场三维结构呈现和参量定量测量的首要条件。基于光线偏折原理测量的成像方法主要有纹影法和叠栅法。在最新的研究中，基于背景导向纹影法(BOS)的光偏折CT流场测量不断取得突破，Masanori等人分别使用色带图背景纹影(SPBOS)CT和彩色网格背景纹影(CGBOS)CT实现了超音速流场的定量密度测量，赵玉新和田立丰等人也分别使用BOS进行了复杂气动流场测量。然而，Miranda等人通过分析和实验证明，在流场测量中条纹偏折法(FD)比BOS具有更高的测量精度，并且对应更少的数学处理。因此对于复杂的非对称湍流流场测量，叠栅层析是更可胜任的方法。在叠栅投影采样中，旋转扫描法光路简单、采样范围可控，并可实现全场视角采样，我们之前已将其应用于发热元件生成的非对称温度场和风洞中高速激波密度场测量。另一种分光路法能够实现多方向投影同时采集，可以对复杂的瞬态流场进行记录和测量。Floyd等人和高益庆教授的团队基于该思想分别开展了化学发光CT(CTC)和发射光谱层析(EST)流场测量。(2)光偏折CT的重建算法由投影信息反演被测流场一直是CT理论的核心和难点问题，光偏折成像的一阶偏导数积分投影原理更直接增加了重建难度。在将投影数据进行各种处理和转化后，以代数重建技术(ART)为代表的迭代类算法，因其在各种采样方案、非完全数据、噪声控制等方面的鲁棒性决定了它比解析(变换类)算法更适合解决实际的CT重建问题。近年来涌现的改进的序列子集联合代数重建技术(ISO-SART)]、基于Newton-Raphson算法的加速代数重建技术(AART)、定向代数重建技术(DART)、自适应联合代数重建技术(ASART)、改进的自适应代数重建技术(MAART)、自适应统计迭代重建技术(ASIRT)等研究不断改良着迭代类算法的重建性能。然而这些未考虑CT成像原理和特点的通用CT重建算法，无法体现光偏折CT本质(成像原理)上的优势。鉴于此，贺安之教授的团队从基本的偏折公式出发，推导出偏折角修正重建技术(DARRT)，并进行了多种复杂流场的光偏折CT测量。另一方面，燃烧非稳态流场的光偏折投影获取方法决定了CT重建只能在少数方向投影采样的条件下进行，这进一步增加了重建算法的难度。此类欠采样的非完全数据重建是近年来各种CT理论研究领域极为活跃的课题，AppliedPhysicsLetters和OpticsExpress等刊物上都发表了使用有限视场数据反演层析图像的最新成果。Liu等人使用结合最速下降策略的总变差最小化算法(TVM-SD)和结合软阈值滤波的全差分最小化算法(TDM-STF)重建有限角投影CT图像，并通过实验比较了两者在有限角投影重建图像中的效能。Ambartsoumian和Nquyen等人分别使用改进的最大期望值算法重建非完全数据CT图像。高益庆等人将最大熵、惩罚函数等技术与迭代算法相结合并应用于非完全数据光学CT重建。对于脉动燃烧等具有固定频率的振荡燃烧过程，现有光偏折CT二维乃至三维的稳态和瞬态测量，无法实现脉动燃烧湍流结构的实时显示和参量分布周期变化的定量描述，光偏折CT的关键方法亟待发展。(1)光偏折CT的成像采样该方案采用固定被测流场旋转光路系统(或固定光路系统旋转被测流场)的方法获取不同视角的投影条纹，但此方法的缺陷是无法真正实现对同一流场过程的同时采样，因此只适用于过程近似稳定且可重复的流场测量。分光路法的能够实现多方向投影同时采集，但将该原理应用于光偏折CT时，不仅需要多台CCD摄像装置并增加相应的成像元件，而且很难保证光路严格复制，从而增大测量误差。因此，现有的光偏折CT投影获取方法无法满足诸如脉动燃烧等非稳态复杂流场的采样要求，直接影响了光偏折CT在复杂流场测量领域的实用化。另一方面，脉动燃烧具有周期性的湍流结构和参量分布变化，这一重要的燃烧过程特性也对光偏折CT的投影采样提出了更高的要求。(2)光偏折CT的重建算法尽管针对于计算层析的代数重建技术不断发展，然而这些未考虑CT成像原理和特点的通用CT重建算法，无法体现光偏折CT本质(成像原理)上的优势。鉴于此，贺安之教授的团队从基本的偏折公式出发，推导出偏折角修正重建技术(DARRT)，并进行了多种复杂流场的光偏折CT测量。另一方面，燃烧非稳态流场的光偏折投影获取方法决定了CT重建只能在少数方向投影采样的条件下进行，这进一步增加了重建算法的难度，此类欠采样的非完全数据重建是近年来各种CT理论研究领域极为活跃的课题。前期工作中，我们建立了光偏折CT重建的Tikhonov正则化方法，并讨论了该方法对有限角投影数据的重建效能。然而对极度欠采样条件下的重建仍不能满足复杂结构湍流燃烧高精度测量的要求。
技术实现思路
本专利技术克服现有技术的不足，提出了一种基于光偏折层析的脉动火焰四维测量方法，所述方法克服了现有分光路系统需要多组成像元件和多台CCD摄像装置、难于保证光路严格复制等缺陷，在CCD单幅图像上完成即时6方向投影有序阵列可视化，实现多视角、同时、同光路条件采样，对全周期非稳态脉动燃烧流场进行显示和动态采样。本专利技术的技术方案为：一种基于光偏折层析的脉动火焰四维测量方法，所述方法首先构建4D-CT多视角投影有序阵列偏折成像系统，4D-CT多视角投影有序阵列偏折成像系统包括反射镜、空本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光偏折层析的脉动火焰四维测量方法，其特征是，所述方法首先构建4D‑CT多视角投影有序阵列偏折成像系统，4D‑CT多视角投影有序阵列偏折成像系统包括反射镜、空间滤波器、激光源、透镜、光束分束器、光栅、毛玻璃屏、高速摄像系统，然后依据下列步骤重建燃烧流场和火焰结构：1) 针对被测流场的结构特点，确定最佳的采样角度，将激光源发出的激光束进行扩束准直和空间滤波器后，使用光束分束器进行二次分束，产生多条投射光束，改变各光束方向，形成精确可控的多视角探测光束，经过被测流场；设计可调的反射镜阵列，将空间调制后的被测流场多视角光束形成同方向有序光束阵列，平行通过叠栅，形成莫尔偏折条纹阵列；使用高速摄像系统实现莫尔条纹阵列的可视化与采样；2) 使用基于波前恢复的条纹图处理技术，提取投影的光偏折信息；3) 构建基于偏折角修正重建的压缩传感重建算法对偏折投影信息进行反演计算，得到不同条纹图截面的二维参量分布；4) 使用Sobel算子对重建后的二维温度分布进行单阈值分割，确定燃烧火焰边界，多幅阈值分割后的二维温度分布按位置顺序排列，使用基于Marching Cubes面绘制算法和Ray Casting体绘制算法的Visualization Tool Kit技术，实现脉动燃烧流场及火焰结构的三维体数据动态显示。...

【技术特征摘要】
1.一种基于光偏折层析的脉动火焰四维测量方法，其特征是，所述方法首先构建4D-CT多视角投影有序阵列偏折成像系统，4D-CT多视角投影有序阵列偏折成像系统包括反射镜、空间滤波器、激光源、透镜、光束分束器、光栅、毛玻璃屏、高速摄像系统，然后依据下列步骤重建燃烧流场和火焰结构：1)针对被测流场的结构特点，确定最佳的采样角度，将激光源发出的激光束进行扩束准直和空间滤波器后，使用光束分束器进行二次分束，产生多条投射光束，改变各光束方向，形成精确可控的多视角探测光束，经过被测流场；设计可调的反射镜阵列，将空间调制后的被测流场多视角光束形成同方向有序光束...

【专利技术属性】
技术研发人员：张斌，吴赵航，赵敏敏，
申请(专利权)人：青岛科技大学，
类型：发明
国别省市：山东;37