[发明专利]一种燃烧火焰中气相碱金属质量浓度三维分布的检测方法

权利要求书

1.一种燃烧火焰中气相碱金属质量浓度三维分布的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)获取燃料燃烧火焰在可见光和近红外光波段内的火焰发射光谱图像，根据碱金属原子发射光谱的特征波长得到碱金属原子发射光谱强度图像；

(2)根据步骤(1)所述的碱金属原子发射光谱强度图像，建立碱金属原子发射光谱强度图像与燃烧火焰三维空间中气相碱金属源项辐射强度三维分布的碱金属原子光谱成像模型；

所述步骤(2)具体包括以下子步骤：

S1：火焰中碱金属原子光谱成像模型的建模步骤：在考虑火焰自吸收的情况下，沿火焰与检测设备之间光线传播方向即视线s方向上单位路径内碱金属原子发射光谱强度的变化的计算公式为：

其中，表示单位路径内碱金属原子发射光谱强度的变化，κ为火焰中介质的吸收系数，I_b,alkali为火焰中气相碱金属源项辐射强度，I_alkali为碱金属原子发射光谱强度；

S2：将火焰三维空间离散为M个单元，每个局部单元的气相碱金属源项辐射强度为I_b,alkali(i)，所述i的取值范围为1≤i≤M，且i为整数；由以下公式建立火焰中碱金属原子光谱成像模型：

其中，I_alkali(j)表示强度图像上j像素处的碱金属原子发射光谱强度，i_s表示位于视线s方向上的局部单元，p为从i_s局部单元发出的辐射沿视线s方向到达强度图像上像素j的路径；该模型得到了检测到的碱金属原子发射光谱强度图像与火焰三维空间中气相碱金属源项辐射强度三维分布的定量关系；

(3)根据步骤(2)所述的碱金属原子光谱成像模型，重建出燃烧火焰三维空间中气相碱金属源项辐射强度的三维分布；

(4)根据气相碱金属源项辐射强度与气相碱金属质量浓度的定量关系，获得燃烧火焰三维空间中气相碱金属质量浓度的三维分布。

2.如权利要求1所述的燃烧火焰中气相碱金属质量浓度三维分布的检测方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包括以下子步骤：

S1：燃烧火焰发射光谱图像的采集处理：获取燃料燃烧火焰在可见光和近红外光波段内的火焰发射光谱图像，并通过辐射标定将该发射光谱图像转换为强度图像I_f(λ_l，j)，其中：λ_l表示波长，l表示波长序数，1≤l≤L，且l为整数，L表示检测波长的总数；1≤j≤N，且j为整数，所述N表示每个波长下强度图像的像素数；

S2：根据碱金属原子发射光谱的特征波长λ_alkali，通过以下公式计算得到碱金属原子发射光谱的强度图像I_alkali(j)：

I_alkali(j)＝I_f(λ_a，j)-[I_f(λ_a+Δλ)+I_f(λ_a-Δλ，j)]/2；

其中：λ_a为λ_l中最接近λ_alkali的波长；Δλ为相邻两个波长的间隔；1≤j≤N，且j为整数，所述N表示每个波长下强度图像的像素数。

3.如权利要求1所述的燃烧火焰中气相碱金属质量浓度三维分布的检测方法，其特征在于，所述步骤(3)中，火焰中气相碱金属源项辐射强度三维分布的重建过程为，将获得的碱金属原子发射光谱强度图像设为N个像素，每个像素对应一条视线上的成像模型，得到N个方程，将该N个方程离散化写成矩阵形式的方程组，在获得碱金属原子发射光谱强度图像后，从所述矩阵形式的方程组中重建出气相碱金属源项辐射强度在火焰中的三维分布。

4.如权利要求1所述的燃烧火焰中气相碱金属质量浓度三维分布的检测方法，其特征在于，所述步骤(4)具体包括以下子步骤：

S1：火焰中气相碱金属质量浓度三维分布的计算：火焰中气相碱金属元素的原子在吸收火焰中的能量后，由基态变为激发态，处于激发态的碱金属原子跃迁回基态时，在特定的波长发出谱线；在满足局部热力学平衡的条件下，根据统计热力学理论，火焰局部单元的气相碱金属源项辐射强度表示为：

其中：h为普朗克常数，k为玻尔兹曼常数，A为跃迁几率，v为频率，g统计权重，E为激发能，m和n表示不同的能级，T为火焰温度，N_a为火焰局部空间单元中处于基态的气相碱金属原子数浓度；

S2：气相碱金属质量浓度C_alkali的计算公式为：C_alkali(i)＝N_a(i)×M/N_A；其中，C_alkali为气相碱金属质量浓度，M为碱金属元素的摩尔质量，N_A为阿伏伽德罗常数；计算得到火焰中每个局部单元的气相碱金属质量浓度，即可得到火焰中气相碱金属质量浓度的三维分布。