一种声光耦合三维火焰区域温度场监测系统及运行方法

本发明属于非接触测量，具体涉及一种利用传声器接收的声信号进行互相关分析以获取声波飞渡时间的声光耦合三维火焰区域温度场监测系统及运行方法。

背景技术：

1、根据声速法测温原理，基于声速对温度的依赖性，可以在目标区域(roi)中获得传声器对之间的声波飞渡时间(tof)，然后由重构算法获得roi内的温度分布。

2、理论上，声速取决于气体温度:

3、

4、式中：c为声速(m/s)，γ为绝热气体常数，r为摩尔气体常数，r＝8.314j/(mol·k)，m为气体的平均分子量(g/mol)，t为绝对温度(k)，z为气体组成和性质决定的气体常数。

5、沿单条声路l积分得到tof:

6、

7、式中f为roi中特定点声速的倒数，s/m。

8、类似地，在多条声路和网格化的待测区域中，有：

9、

10、式中lij为第i条声路在第j个网格内的长度。fj为roi第j个网格的声速倒数。ti是第i条声路的tof。m为声路径数，n为roi网格数。a为系数矩阵，b为tof矩阵，x为声速倒数矩阵。

11、系数矩阵a可由待测区域具体尺寸和扬声器、传声器的具体布置方式计算获得，tof矩阵b可由声波信号到达传声器之间的时间差进行时延估计获得，进而通过温度场重建算法求解该线性方程组可得声速倒数矩阵x，最后代入声速与气体温度的关系式以重建待测区域的网格平均温度。

12、双色法测温使用ccd相机拍摄火焰的辐射亮度信息，从得到的图像的红(r)、绿(g)、蓝(b)三基色中选取任意两种基色的比值，结合ccd相机与黑体炉标定结果进行温度计算，实现火焰温度场的测量。双色法测量精度可达95～98％，使用简单，但是一般ccd相机只能拍摄二维火焰图像，难以对三维实际火焰实施高精度高速度测量。

13、现有的炉内温度测量，通常选取的技术路线是接触式测温方法测量关键点温度，以及二维声波测温技术的优化算法与应用场景拓展。

14、现有的接触式测温方法、二维声速法测温技术和双色法测温技术仍存在一定的缺陷，包括：

15、1、接触式测温方法影响并参与炉膛内热质交换过程，干扰炉内正常工作，降低测量精度；

16、2、依靠热平衡原理的接触式测温元件在复杂变化环境下测量即时性不佳；

17、3、接触式测温元件在恶劣环境下使用寿命下降，可靠性降低；

18、4、目前的二维声学测温系统在实际应用中仍面临重建数据量较少、图像分辨率较低、重建精度有待提升等问题；

19、5、目前的二维声学测温系统普遍使用自相关特性尖锐、易于检测的气动声源，但其具有和炉膛本底噪声相同的概率分布，使得背景噪声影响声波飞渡时间测量过程，造成待测区域温度测量不准确；

20、6、目前的二维声速法测温技术仅能测量二维截面温度场，无法精准地测量三维空间温度场；

21、7、双色法测温一般使用ccd相机，只能拍摄二维火焰图像，对三维实际火焰实施高精度高速度测量需要通过多ccd相机系统或者单ccd相机时序控制，成本高、实现复杂、测量耗时长、装配精度要求高，不适用于高温、震动、飞灰环境的工业燃烧设备监测。

22、综上，亟需一种新的声光耦合三维火焰区域温度场监测系统及运行方法。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种声光耦合三维火焰区域温度场监测系统及运行方法，以解决目前存在的接触式测温方法影响炉膛内热质交换过程，依靠热平衡原理的接触式测温元件在复杂变化环境下测量即时性不佳，接触式测温元件在恶劣环境下使用寿命和可靠性下降，二维声学测温重建数据量较少分辨率较低，背景噪声、声波衰减、空间混响等因素降低声速法测温精度，单ccd相机难以完成三维实际火焰高精度高速度测量，对炉膛三维温度场高精度实时监测研究不足的技术问题中的一个或多个。

2、本发明利用非接触式的声速法测温原理测量三维空间内气体介质的整体温度，提高了重建数据量和分辨率，对三维待测区域内的温度做出更全面的监测。本发明使用光场相机，一次曝光可以同时记录整个四维光场全部信息，结合了光场分层成像可以从单张光场图像还原多个二维分层火焰原始亮度图像的优点和双色法测温技术使用简单、精度高、可靠性高的优点，成功实现利用单光场相机实现三维火焰整体温度场的测量，提升了三维火焰温度测量的效率。本发明将声速法、光场分层成像和双色法进行耦合，利用声速法突破了双色法以及光场分层成像无法测量透明气体介质的限制；并且最大限度减少了测量过程对待测区域的干扰，提升了测量精度。

3、为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

4、一种声光耦合三维火焰区域温度场监测系统，包括计算机1、功率放大器2、继电器3、三维台架4、扬声器5、传声器6、信号分析仪7、光场相机8和黑体炉9；

5、所述计算机1模拟信号输出端与功率放大器2信号输入端连通，功率放大器2信号输出端与继电器3信号输入端连通，继电器3信号输出端与扬声器5的输入端连通，扬声器5的输出端与传声器6信号接收端连通，传声器6信号输出端与信号分析仪7的输入端连通，信号分析仪7的信号输出端与计算机1的usb端口连通；扬声器5和传声器6为多组，每组扬声器5和传声器6位于三维台架4上的同一位置；所述光场相机8的信号输入端分别与三维台架4内的三维火焰和黑体炉9相连，光场相机8的信号输出端与计算机1的信号输入端相连；所述黑体炉9用于光场相机8标定二维分层火焰原始亮度图像的灰度与辐射强度之间的关系，光场相机8采集的全部黑体炉9数据最终传输至计算机1进行储存、计算和分析；该声光耦合三维火焰区域温度场监测系统的测量目标为三维台架4所包围的内含三维火焰的三维待测区域内的气体温度以及三维火焰温度。

6、声学方法部分，所述计算机1声卡将预设扫频信号的音频文件转化为模拟信号；模拟信号先经功率放大器2放大，再由继电器3到达指定扬声器5转化为声波信号输出；传声器6接收声波信号并转化为电信号传输至信号分析仪7进行调节、采集，然后将采集数据送至计算机1进行处理：通过互相关分析得到声波从指定扬声器5到达传声器6所需的声波飞渡时间；完成多轮声波飞渡时间的测量后，声波飞渡时间已知，三维台架4和扬声器5及传声器6之间的位置关系已知，由最小二乘qr分解(lsqr)方法计算三维台架4所包围三维空间内的气体介质的整体温度的火焰所在位置温度值，进行三维温度场重建。

7、光学方法部分，所述光场相机8拍摄三维台架4内的三维火焰，得到三维火焰的原始光场图像，再将拍摄所得数据传输至计算机1，利用光场分层成像，从光场图像还原多个二维分层火焰原始亮度图像；对光场分层成像获得的多个二维分层火焰原始亮度图像使用双色法，获取多个二维分层火焰温度场，再插值获取三维火焰整体温度场。

8、声光耦合部分：在计算机1中将光场分层成像结合双色法测温所得的三维火焰整体温度场作为真值，代替声速法测温所得的三维空间内气体介质的整体温度的火焰所在位置温度值，不断迭代声速法测温结果直至收敛，得到新的包含三维火焰的整体三维空间内的三维气体温度场。

9、作为非接触测量设备的扬声器5和传声器6位于三维待测区域外部的三维台架4上，作为非接触测量设备的光场相机8位于三维台架4外部，并未干扰三维待测区域内的热质交换。

10、优选的，在三维台架4每边的端点和中点处设置安装位点，共设置有20个安装位点，用于安装20个扬声器5和20个传声器6；在三维台架4的安装位点上，单个扬声器5和传声器6在同一位置相邻安装，近似认为二者处于相同位置。

11、优选的，所述继电器3为多路串口继电器，在测温系统中控制线路通断以控制多个扬声器5依次发射相应的扫频声波信号；通过继电器3控制测量顺序，提升了测量的速度和效率。

12、优选的，所述扬声器5为电动声源，将输入的模拟信号转化为声波信号并输出。

13、优选的，所述传声器6为无指向性测量传声器，多个传声器6在测量过程中保持开启并将接收到的声信号转化为电信号，再传至信号分析仪7进行调节、采集。

14、优选的，所述信号分析仪7集成了信号调理功能以及信号收集功能，其多路采样通道实现数字化声波的多通道连续信号采集，并支持后续通路扩展，信号分析仪7采集的全部数据最终传输至计算机1进行储存、计算和分析。

15、优选的，所述光场相机8通过单次拍摄获得三维台架4内的三维火焰的火焰原始光场图像，包含火焰全部四维光场信息。光场相机8采集的全部数据最终传输至计算机1进行储存、计算和分析。

16、优选的，所述三维台架4为正方体台架。

17、所述的一种声光耦合三维火焰区域温度场监测系统的三维温度场测量方法，根据声速法测温原理，基于声速对温度的依赖性，在目标区域获得声波在三维待测区域内部传播的声波飞渡时间；具体而言，所述三维台架4上有多个扬声器5和传声器6安装点位，当两个安装点位的连线位于三维待测区域内部而非其三维台架表面上时，测量声波在这两个安装点位之间的声波飞渡时间，由此多个声波飞渡时间需要测量；

18、该声光耦合三维火焰区域温度场监测系统通过计算机1的声卡将预设扫频信号的音频文件转化为模拟信号；由于声波的衰减，为保证声信号到达传声器6时的强度，模拟信号经功率放大器2进行放大后，由继电器3依次控制多个扬声器5将计算机1输出的模拟信号转化为声波信号发射；

19、继电器3控制单个扬声器5在发射声波信号后，多个传声器6全程工作，并将接收的多路声信号转化为电信号传至信号分析仪7调节、采集后最终传至计算机1进行储存和互相关分析。具体而言，三维台架4上与指定的扬声器5相邻安装的传声器6最先接收指定的扬声器5发射的声信号，然后远离指定的扬声器5的其他传声器6陆续接收指定的扬声器5发射的声信号，此时对与指定的扬声器5相邻的传声器6接收的信号和其他传声器6接收的信号进行互相关分析用于获得声信号从与指定的扬声器5相邻的传声器6传播至其他传声器6的声波飞渡时间；因此在继电器3依次控制不同扬声器5工作后，最终由计算机1得到所需的多个声波飞渡时间；

20、根据测量得到的多个声波飞渡时间以及三维台架4与扬声器5和传声器6之间的位置关系，经由最小二乘qr分解(lsqr)方法对三维台架4所包围的三维空间内的气体介质的整体温度的火焰所在位置温度值进行计算，进而得到三维空间内的火焰所在位置三维温度场。

21、光场相机8拍摄三维台架4内的三维火焰，得到三维火焰的原始光场图像，再将拍摄所得数据传输至计算机1进行光场分层成像：假设所拍摄的火焰为一个厚度为δ的三维半透明发光体，根据分层成像理论在火焰内部预设n个分层位置。由于火焰是半透明的，各层火焰图像是各层的原始亮度分布和其他层离焦信息的叠加像；根据傅里叶光学理论，在线性移不变光学成像系统中，像面上各层光亮度函数是相应物面上的实际光强函数和光学成像系统点扩散函数的卷积：

22、

23、式中，hz'-z(x,y)为光学成像系统聚焦在z'平面成像时的点扩散函数psf，通过光场相机8的参数校准获得。f(x,y,z)是与光轴平行的z轴上的光亮度分布；g(x,y,z')是z轴上某一平面z'的聚焦像和其他平面的离焦像的叠加像的像面光亮度分布，由光场相机8的数字重聚焦功能复现不同断层面的火焰二维图像后经计算机1处理计算获得。

24、保持光学成像系统与物体的空间位置恒定，沿光轴z方向依次获取n个分层聚焦图像，得到三维发光体的离散化序列图像为：

25、

26、上式n个方程，有n个未知量f(x,y,iδz)，结合反卷积算法即可求解方程组，解得f(x,y,iδz)即为三维发光体i层面的原始亮度图像，完成光场分层成像。

27、从光场图像还原多个二维分层火焰原始亮度图像后，利用光场相机8拍摄黑体炉9的光场图像并传输至计算机1，计算机1分别提取r、g、b三个通道的灰度数据，计算每个通道下灰度值的平均值，根据黑体炉的设定温度值，结合普朗克定律完成辐射强度和灰度平均值间关系的标定；根据标定结果，对光场分层成像获得的多个二维分层火焰原始亮度图像使用双色法测温，获取多个二维分层火焰温度场，再插值获取三维火焰整体温度场。

28、在计算机1中将光场分层成像结合双色法测温所得的三维火焰整体温度场作为真值，代替声速法测温所得的三维空间内气体介质的整体温度的火焰所在位置温度值，不断迭代声速法测温结果直至收敛，得到新的包含三维火焰的整体三维空间内的三维气体温度场。

29、相对于常规的二维炉内声学测温系统，本发明中的声光耦合三维火焰区域温度场监测系统仅需在原有的二维炉内声学测温系统基础上改变二维传声器与扬声器位置，增设数个传声器与扬声器，同时将ccd相机更换为光场相机，增加黑体炉等标定设备，而这些设备本身结构简单、价格低廉、性能稳定，所以该声光耦合三维火焰区域温度场监测系统有望取得显著的节能及经济效益，可以达到如下有益效果：

30、(1)本发明利用非接触式的声速法测温原理测量三维空间内气体介质的整体温度，提高了重建数据量和分辨率，对炉膛重点区域的温度做出更全面的监测。

31、(2)本发明利用已成熟的传声器和扬声器等设备与工艺，通过继电器控制，依次对待测区域中的多条声路径上的声波飞渡时间进行测量，提升了测量的速度和效率。

32、(3)本发明仅在三维待测区域外部搭建台架以安装传声器和扬声器，在三维待测区域外部设置光场相机，测量元件未接触三维待测区域内的流场，最大限度减少了测量过程对待测区域的干扰，提升了测量精度。

33、(4)本发明考虑测量背景噪声、声波衰减、混响等因素影响，根据实际情况选取电动声源和线性扫频信号为声源信号，选取互相关分析为时延估计方法，选取最小二乘qr分解(lsqr)方法为温度场重建算法，提升了整体的声波飞渡时间测量精度和最终的三维温度场重建精度。

34、(5)本发明使用光场相机，一次曝光可以同时记录整个四维光场全部信息，结合了光场分层成像可以从单张光场图像还原多个二维分层火焰原始亮度图像的优点和双色法测温技术使用简单、精度高、可靠性高的优点，成功实现利用单光场相机实现三维火焰整体温度场的测量，提升了三维火焰温度测量的效率。

35、(6)本发明运用光学方法修正声速法重建数据量较少、图像分辨率较低、重建精度有待提升的问题；同时利用声速法突破了双色法以及光场分层成像无法测量透明气体介质的限制。

36、(7)本发明中声光耦合三维火焰区域温度场监测方法可以拓展至正方体以外的其他形状三维待测区域内气体温度测量和分析，仅需改变三维台架的形状和尺寸、传声器和扬声器在三维台架的数量和布置方式以及光场相机相对于三维台架内火焰的位置和距离，具有较好的适用性。