基于光场相机的火焰三维温度场重建

作     者：赵大成 

作者单位：中国计量大学 

学位级别：硕士

导师姓名：单良;雷李华

授予年度：2020年

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 0803[工学-光学工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：光场成像 数字重聚焦 光学分层 火焰测温 图像处理 

摘      要：燃烧现象广泛存在于冶金、航空航天、火电发电等生产和生活领域,而温度是燃烧火焰参数中最重要的之一。对火焰温度场的准确测量能更好地揭示火焰燃烧的本质和燃烧规律,从而提高能源利用率以及保障安全和降低污染。当前的火焰三维温度场测量的方法存在设备复杂、时延性高等问题,针对这些问题本文提出了基于光场相机对火焰三维温度场进行重建的方法,开展了理论和实验研究。介绍了光场的概念和参数化表征,研究了光场成像的数字重聚焦原理,以及基本的光学成像和分层成像原理。实现了光场图像的解码以及重聚焦程序,并将光场相机重聚焦技术应用于光学分层成像系统,可使用光场相机一次拍摄后重聚焦获取各分层图像。进行了基于光场相机分层成像系统的标定工作,对标定原理及方法进行了研究。提出基于阶梯尺的重聚焦参数标定方法,提高了标定的精度和易用性,实现了光场重聚焦参数与对应深度距离的标定。分层成像重建过程中还需要用到点扩散函数,本文采用了高斯点扩散模型,并使用刃边法进行了点扩散函数参数的标定。探究了光学分层成像所需的重建算法,对两种算法进行了模拟仿真对比,并采用最近邻域法进行分层重建实验,结果证明了该重建算法的可行性。并在测温之前开展了基于双色测温法的黑体炉标定实验,标定了测温系数和温度之间的关系。开展了基于光场相机的火焰三维温度场重建实验,使用光场相机对火焰进行采集,将火焰分为三个断层面,结合之前的工作基础对三个分层的原始亮度分布和温度场进行了重建。对结果进行了分析和评价,重建的火焰温度场基本符合燃烧火焰的结构特点,并采用热电偶测温进行对比,结果表明此测温方法可行性和可靠性,可用于火焰三维温度场的测量。