用于发射层析技术的多方向投影标定与非轴对称场层析重
建开题报告
【摘要】
发射层析技术将燃烧场发射光谱强度测量与计算层析原理相结合，直接用多个CCD相机接收被测场不同方向的发射光强度来重建三维发射强度分布。通常CCD相机以等角度间隔分布于围绕被测燃烧场半圆水平面上。然而在系统建立过程中CCD相机的位置及角度会存在误差，导致各个相机的投影之间出现不匹配，会影响层析重建的准确性及精度。利用相机标定技术可以确定各个CCD相机的空间位置以及内部参数。本课题的目的是基于相机标定结果对各相机的投影进行空间校正，以将多方向投影匹配到同一世界坐标系中，并对燃烧场的发射强度进行重建。
关键词：发射层析技术、燃烧场发射光谱、相机标定技术、投影、世界坐标系
1.燃烧场诊断
传统燃烧场的分析和测量方法主要包括利用工程应用类软件对燃烧场进行分析的数值模拟方法[1]、利用热电偶或探针测量燃烧场参数的接触式测量法[2]和光学测量方法。 其中，光学测量方法具有非接触的优点，可以在不干扰待测场的前提下实现对燃烧场参数的实时瞬态测量，测量结果具有较高的空间与时间分辨率，尤其适用于难以放置探针 的复杂和恶劣环境中的燃烧场诊断。目前，已发展出多种光学方法用于燃烧场测量，如用于测量流速的激光多普勒测速法[3,4]和粒子成像测速法[5]；用于测量辐射场温度的辐射测温法[6-8]和原子光谱法[9-11]；用于测量燃烧场和等离子体温度、浓度等参数的瑞利散射[12-14]、拉曼散射[15-18]、激光诱导荧光法[19-23]和光谱法[24]；用于燃烧场显示和折射率测量的纹影法[25]、阴影法[25, 26]、干涉法[27]和莫尔偏折法[28,29]等。
从点、线、面的测量，特别是各种高精密的光学测量技术的应用，使我们对燃烧过程有了很大的了解。实际中的燃烧场大多都是湍流场，会在大范围三维尺度内发生不稳定波动。湍流燃烧场内的不稳定和三维波动意味着要求我们提供进一步的空间和时间上三维结构数据以更深入地了解湍流燃烧。然而，传统的光学诊断方法直接得到的是燃烧场在探测方向上的二维积分信息，主要对燃烧场进行单点、多点或有限平面测量，不能实现多种物理参数的全场三维空间测量。对燃烧场参数的三维定量测量，特别是对湍流、漩涡等复杂多变的瞬态燃烧场，是研究燃烧场空间特性和燃烧场物理特性的重要前提。
光学层析技术（Optical Computerized Tomography，OCT）是将各种光学测量方法和计算机层析理论（Computerized Tomography，CT）相结合，利用包含待测场物理参数信息的多方向投影，重建待测场物理参数的三维分布。CT技术是二十世纪七十年代以后发展起来的一项综合性技术，其理论基础为 Radon 变换。1963 年 Cormark A. M.提出用断层多方向投影重建断层图像的实用计算方法[30, 31]和1968年英国EMI公司中央研究所 工程师 Hounsfield G. N.研制出用于头颅检查的医用 CT 装置[32]，标志着 CT 技术的诞生并开启了 CT 技术的蓬勃发展。经过数十年的发展，CT理论已相当成熟和完善。CT的思想由不同的探测介质和方法而发展成为适应不同要求的检测技术，如 X 射线、gamma;射线、电子、中子、质子、红外线、射频波、超声波及地震波 CT 等，广泛应用于工业静态和动态的无损检测、天体物理、医学诊断、地震波和地质构造检测等。光学层析技术作为 CT 技术在光学领域的重要分支，是用于流场诊断的一种有效而重要的方法，其具有稳定性、实时性和非接触性等特点，可实现被测流场物理参量的无损、瞬态、非接触、三维定量测量及全场三维显示，因此该技术在流动显示、燃烧诊断、风洞场诊断、爆炸场诊断等方面有较大的优势[33-35]。近年来，随着光学检测方法与技术的发展，产生了多种光学层析技术，可以对流场流速、温度、密度、折射率等参数进行全场测量，成为流场诊断领域的重要研究方向，并发挥出越来越重要的作用。
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