多相机火焰三维温度场测量系统中机位的优化布置设计

论文总字数：23676字

摘 要

火焰温度场的重建研究，为探究燃烧化学的本质、调整燃烧方式、优化燃烧过程以及控制燃烧污染物生成等提供重要数据支撑，具有重要的科学意义和应用价值。针对现有火焰温度测量系统复杂、调试繁琐等问题以及相应测量装置在辐射信息采样与重建方面的不足，本文提出了基于光场成像技术的火焰三维温度场测量中光场相机机位的优化布置方法,开展了系统的理论与实验研究。

本文从针对光场相机对火焰场采样特性的优化入手，着重研究了非中心对称的多峰火焰特性与重建方法，提出了利用多光场相机系统的火焰温度场的测量方法，并进一步对火焰场的重建进行了数值模拟。

通过对火焰光线追迹模型和辐射传输计算模型的分析，得出了用于计算火焰辐射强度的方程组，为之后的优化和重建提供了数据处理的基础。

本文以探测权重矩阵标准差作为其均匀度的衡量标准，从火焰微元体划分数量、火焰衰减系数分布特点以及相机的配置方案等方面，分析了光场相机采样特性的影响因素。使用了LSQR方法对虚拟火焰的重建进行了数值模拟，对比了相机布置对重建结果的影响，分析了优化布置的优越性。

关键词：光场相机，采样均匀度，群体智能优化算法，温度场测量

Abstract

The reconstruction of the flame temperature field provides important data support for exploring the nature of combustion chemistry, adjusting the combustion mode, optimizing the combustion process, and controlling the generation of combustion pollutants. It has important scientific significance and application value. In view of the complexity of the existing flame temperature measurement system, the cumbersome debugging and the deficiencies of the corresponding measurement devices in the sampling and reconstruction of radiation information, this paper proposes the optimal arrangement of the light field camera position in the flame three-dimensional temperature field measurement based on the light field imaging technology. The method was carried out to carry out systematic theoretical and experimental research.

This paper focuses on the reconstruction characteristics and method of non-central symmetry multi-peak flame. The method of measuring the flame temperature field using the multi-light field camera system is proposed, and the numerical simulation of the temperature reconstruction of flame is further carried out.

Through the analysis of the flame ray tracing model and the radiation transmission calculation model, the equations used to calculate the flame radiation intensity are obtained, which provides the basis for data processing for subsequent optimization and reconstruction.

In this paper, the standard deviation of the weight matrix is used as the measure of uniformity. The influence factors of the sampling characteristics of the light field camera are analyzed from the aspects of the number of flame micro-body partitions, the distribution characteristics of the flame attenuation coefficient and the configuration scheme of the camera. The LSQR method was used to simulate the virtual flame reconstruction. The influence of camera layout on the reconstruction results was compared, and the superiority of the optimized layout was analyzed.

KEY WORDS: Light field camera, Evenness of sampling, Optimization algorithm of swarm intelligence, Temperature field measurement

目 录

摘 要 III

Abstract IV

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.2.1火焰温度测量技术研究现状 2

1.2.2 群体智能优化算法研究现状 5

1.3本文研究内容 5

第二章 火焰辐射光场成像的测温原理 7

2.1 火焰辐射光场成像模型 7

2.1.1 光场相机成像原理 7

2.1.2 成像光线的追迹原理 8

2.2 火焰辐射传输计算模型 9

2.3 利用量子微粒群算法对采样均匀性计算进行优化 10

2.4 本章小结 11

第三章 多光场相机的采样特性及其优化方案 12

3.1光场采样特性评价 12

3.2 采样特性优化方法 13

3.3 采样特性优化结果分析 14

3.3.1 采样角度数的影响 14

3.3.2 采样范围的影响 15

3.3.3 火焰微元体数目的影响 16

3.3.4 衰减系数突变分布的影响 17

3.3.5 衰减系数渐变的影响 19

3.4 本章小结 20

第四章 火焰三维温度场重建研究 22

4.1 二维火焰多相机测温模型 22

4.1.1 火焰及相机参数设定 22

4.1.2 温度场重建过程中噪声与误差的定义 23

4.2 优化布置对火焰场重建结果的影响 24

4.3叠加噪声强度不同对重建结果的影响 26

4.4 本章小结 27

总 结 28

参考文献 29

致 谢 30

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

燃烧广泛存在于日常生活和钢铁、冶金、电站、航空航天等工业生产过程。燃烧火焰三维温度场的重建研究,为探究燃烧化学的本质、调整燃烧方式、优化燃烧过程以及控制燃烧污染物生成等提供重要数据支撑，具有重要的科学意义和应用价值。

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