光学分层热成像法重建火焰三维温度场分布研究.pdfVIP

光学分层热成像法重建火焰 三维温度场分布的研究+ 王式民 陆永刚 胡斌宗徐益谦 (末南大学热瞳工程研究所南京210096) ■要：奉文叙述光学分层■射成鼍法重建火焰三雏墨度蠕分布的理论和方法。用一 十固定位置CCD摄像机丹别聚焦火焰的不同截面，得到一累捌的叠加火焰田像，对诫组圈 侏建立模型，采用图像反清算法，可以重建业焰不同藏面的辐射分布。理论和实验研究证 明，诫测量方法实验设备简单，具有较高的空问和时闻分辨率。 1 引言 火焰温度是燃烧研究中一个最主要参数，从火焰三雏辐射场．温度场可以推演火焰的密度场、 浓度橱。对全面研究分析火焰的反应速度、三维结构、组分生成、整体特性有决定性作用。因而， 火焰三肇沮度场的温量是火焰研究中的一个十分重要的研究课题。 三维置度场的非接触式测量研究难度很大。国内外很多学者在此课题上进行了大量而深入 的研究。近年，计算机断层(or)技术有了很大的发展，也已用于火焰场舶三维测量。基于各种原 理的cT技术层出不穷，并形成了一个独特的学科一火焰cT技术．如干涉火焰cT、垒息干涉火焰 等…。业已存在的基于不同原理的测量火焰三维温度场分布的各种方法．各有技术特色，在对火 焰的测量和研究中发挥了重要作用。但这些方法都警追存在结构复杂，设备昂贵的缺点．实验室 实理难度很大，现场应用更是困难。 本文提出了一种测量火焰三维温度场分布的新方法：光学分层幅射成像法。光学分层成像法 物样本的荧光图像．获得了生物体样品不同截面的原始图像。该方法用一十固定位置的光学糖头 实现了三维成像的方法：光学分层显徽成像法(Optedse甜砌丑g Mic：roe∞py，OSM)。该方法一提出， 在各个研究顿域引起了广泛的注意，尤其在生物样本的三雏成像中得刊了应用o】。 本文在深人研究OSM理论的基础上．将OSM理论结合现代数字图像处理技术用于三肇火焰 温度场的重建，首次提出了光学分层幅射图像法(OpeadSectloaing11-％呻卿hy．OST)重童三堆火 焰沮度插的理论和方法。理论和实验研究说明，OST理论严密．方法可行，与其它火焰cT技术相 比，实验设备简单可靠，具有较高的空间和时阿分辨奉，更具实际应用价值。 2 OST的基本理论 图1所示为应用单一成像透镜系统的光学分层成像法的基本原理图。厚度为T的三维透明 ’目毫自嚣科学基金费肋疆目 一凹l一 物体发出单色非相干光，光亮度分布为f(x．Y．z)，经光学透镜成像系统对其进行光学成像。成像 透镜系统的焦距为F、材臣为dr像距为d．的。假定三雏物空间坐标原点在物体左边界，z轴与光 轴重合。物空间座标为(x，y，z)，像面坐标为(一，Y’，z，)。 田1光学丹层戚●法的基奉曩喜 如果对位于一的发光平面(光亮度分布为g(x，y，z’))在像平面上聚集成像，得像面光亮度分布 g’(x，，Y’，z，)，月s，(一，Y’，g’)是z’平面的在像平面上的聚集像和其它各发光层面分别在悼平面上 所有青焦像的叠加像。根据FOURIER光学理论，对于线性空不变光学成像系统，像面上光亮度函 数是相应橱面上的光强函敷和点扩散函数的卷积。尉得自(x，Y，z『)=f(x，Y，气)’h(x，Y，毛一=)，’ 为卷积符号。h(x，Y．7,1一一)是由于离焦量(毛一g’)而引起的光学系统点扩散函数。因而透奠系统 聚焦发光z’平面戚像于像平面时，像平面上图像的光亮度分布为： r g($，Y，，)=I“*，Y．z)’h(1，Y，一一z)d=(2—6) t 离教化，尉得： Ⅳ 掌(；，Y，，)=芝W#．，，池)’^(#．，，z7一洫)止 丽 层敷N=1协z，△l为每层之问的间隔。即可把任何三雏物体看戚由N层平行的二维剖面的组合。 保持成