火焰辐射光场成像光线采样特性

为了研究全光相机对火焰等半透明介质的光场采样并优化全光相机的参数,基于近轴光学,建立了全光相机的逆向光线追迹模型。在此基础上,针对弥散介质沿采集方向的半透明特性,提出了像素采样锥形角以及物方采样角度等评价光线角度采样的性能指标,据此分析了全光相机像素和微透镜的位置对光场采样特性的影响,以及全光相机光学参数变化对光线方向采样性能的影响。结果表明:采集火焰辐射光场时,较小的微透镜直径有利于提高光场采样的单方向性,并减小主镜头入瞳直径,而较小的主镜头焦距有利于增大物方采样角度。     

聚焦光场成像三维粒子场重建方法

层析重建是层析粒子图像测速(Tomo-PIV)技术实现三维粒子位置和强度信息(三维粒子场)重构的核心步骤。相比于多相机的Tomo-PIV技术,单聚焦光场相机通过一次成像能够同时采集示踪粒子的散射光的方向和位置信息。因此,提出一种单聚焦光场相机的层析重建技术用于重构流场中的三维粒子场信息。为了验证本文方法的可行性及准确性,利用几何光学建立了示踪粒子的光场成像模型,利用光线追迹技术计算了粒子在聚焦光场相机中的成像,对比了被测流场中位于不同深度位置的粒子在聚焦光场相机中的成像差异;建立了基于单聚焦光场相机的层析重建数学模型,利用乘法代数重构技术(MART)对模拟所得的光场图像进行反演计算,实现了三维粒子场的重构,并利用归一化互相关系数来表征粒子的重建质量。结果表明,单个粒子在Z轴方向上的位置精度为±0.35 mm,初步证明了基于聚焦光场成像理论的三维粒子场重建方法的可行性。     

基于近场散射的颗粒粒径分布测量

针对传统的前向小角散射粒径测量系统中心光过强、杂散光干扰、散射角过小等缺点,本文采用一种新型的近场散射(NFS)方法测量前向小角散射光,研究并搭建了基于近场散射的颗粒粒径测量系统,将最大散射角提高到40.5°;在无需空白测量的情况下采用差分方法对透射光和散射光干涉成的散斑图像进行处理,有效去除中心光和杂散光的影响;对差分散斑图像进行快速傅里叶变换(FFT)频谱处理得到散射光强分布,利用Chahine算法对颗粒粒径进行了反演。最后,利用已知粒径(39.2μm和67.3μm)的标准颗粒对测量系统的准确性进行了单峰分布的验证,测量误差在5%之内;对于粒径为39.2μm和67.3μm的混合颗粒进行了双峰分布验证,在43.3μm和74.1μm处出现峰值,测量误差在10%左右。     

基于光场成像的燃烧颗粒粒径与速度测量方法

为实现固体推进剂中金属燃料动态燃烧的精细化表征,提出一种基于光场成像的固体推进剂中燃烧颗粒粒径与速度三维动态同步测量方法。构建固体推进剂燃烧光场成像测量系统,获得金属颗粒动态燃烧过程的光场图像,通过重聚焦算法得到燃烧颗粒场的重聚焦图像;进一步开展光场相机标定实验,获取深度与最佳重聚焦参数的关系曲线;利用图像分割算法对重聚焦图像中的颗粒进行识别和定位,获取燃烧颗粒的粒径大小,并结合三维粒子跟踪技术对颗粒的轨迹和速度进行重构;开展推进剂药条燃烧实验验证研究。结果表明：光场成像技术能够获得不同深度的颗粒信息,跟踪颗粒的动态燃烧过程,并实现对燃烧金属颗粒粒径与三维速度的同步测量。     

烟气覆盖表面红外温度测量的实验分析

为了研究辐射参与性烟气对红外测温法金属壁面温度测量的影响,首先根据实验中红外探测器测量得到的表面温度分布的特点,建立了一维表面红外测温模型;然后根据红外热成像测温原理及辐射传输理论,利用源项多流法分析模型计算了烟气覆盖表面在不同烟气厚度和不同表面温度下红外探测器获得的温度;最后利用马弗炉模拟不同温度的表面,振动筛模拟不同浓度和厚度的烟气环境,在实验室条件下设计搭建了模拟烟气覆盖表面的红外测温实验系统,实验验证了源项多流法分析模型,实验测量得到的温度与分析模型预测的温度吻合较好,并提出了利用反演方法修正红外测温的设想。     

基于波动光学的显微光场成像点扩散函数

光场Micro-PIV通过Lucy-Richardson（L-R）算法对光场图片进行反卷积重建,从而获得示踪粒子的三维坐标信息,准确的点扩散函数（PSF）是L-R算法完成重建的前提,而现有PSF模型不适用于光场Micro-PIV系统。为此,建立了基于波动光学的显微光场成像PSF模型,进行了数值仿真,获得了模拟PSF图像,并通过结构相似性算法计算了模拟PSF图像与实际PSF图像的相似度,进一步利用L-R算法结合PSF对单个粒子和不同浓度下示踪粒子的流场进行了三维重建。结果表明:模拟PSF图像与实际PSF图像相似度大于0.94,表明PSF模型具有较高的准确性;单个粒子的三维坐标误差在一个像素以内,并可准确地获得不同浓度下示踪粒子的三维坐标信息,进一步验证了模型的准确性,为光场Micro-PIV实现瞬时三维速度场测量奠定了基础。      

基于多紫外相机的旋流火焰三维锋面层析重建

旋流火焰锋面可表征火焰宏观结构和燃烧稳定性，其瞬态三维结构测量对旋流燃烧机理研究和旋流燃烧器优化设计具有重要意义。提出一种基于多紫外相机成像的测量方法，构建了基于多紫外相机阵列的化学发光层析成像（Computed Tomography of Chemiluminescence, CTC）系统，实现了低成本、高准确度的旋流火焰瞬态锋面化学发光信息获取；发展了基于预识别技术的联合代数重建算法（Simultaneous Algebraic Reconstruction Technique, SART），通过光线追踪识别零强度体素，从而减少计算量和重建伪影。开展了数值模拟研究，以验证重建算法的准确性和抗噪性。最后搭建了甲烷-空气预混旋流燃烧实验台，开展了基于多紫外相机的化学发光成像系统标定和低旋流火焰锋面特性实验研究。结果表明，旋流火焰锋面反投影重建精度达到0.97以上，同时计算量减小了59.6%；稳定燃烧工况下，低旋流火焰在喷嘴出口处扩张，锋面呈现涡旋状的碗形结构；随着当量比的增大，火焰推举高度略有上升，火焰体积逐渐增大，燃烧稳定性增强。