[发明专利]一种火焰光谱的三维重建装置和方法

说明书

本发明公开了一种火焰光谱的三维重建装置和方法。该装置由多台棱镜掩膜式拍摄系统和多面反射镜组成；棱镜掩膜式拍摄系统以待重建的燃烧区域为中心环形搭建；每一台棱镜掩膜式拍摄系统配有两面反射镜并且反射镜沿拍摄系统的轴线左右倾斜设置，使得火焰数据经反射镜反射后进入棱镜掩膜式拍摄系统，从而实现多角度上火焰高光谱数据的实时获取。该重建方法首先利用圆柱形标定柱实现待重建区域的获取；然后同步采集火焰高光谱数据并进行预处理；最后使用火焰光谱三维重建算法重建出火焰的三维光谱数据。本发明的方法所需的拍摄角度少、收敛速度快、消除了带状伪影，能够真实地重建出火焰的三维光谱数据。

技术领域

本发明涉及计算摄像学和燃烧诊断领域，特别是一种火焰光谱的三维重建装置和方法。

背景技术

虽然一直有新的CT重建算法被提出，但是无论是以Radon变换为理论基础的解析类重建算法，还是以解方程为主要思想的迭代类重建算法，在重建领域都有其局限性：前者抗噪性能差，对数据的完备性要求较高，后者存在着迭代类重建算法共有的缺陷——带状伪影。

火焰中的不同燃烧成分参与燃烧时具有不同的光谱特征，利用燃烧光谱可以有效分析参与燃烧反应的燃料成分。对于多种成分参与的复杂燃烧反应，获得燃烧光谱数据多维光谱特征的相关性分析可以反映各燃烧组分的内在关联。如何获得精确的三维光谱数据对于揭示燃烧现象的本质特征、探索燃烧过程的演化规律具有极其重要的意义。

人们目前获取火焰光谱信息的方式，大多靠的是单点式光谱仪，或者是扫描式光谱仪。但是，不管是前者还是后者，都无法获得动态的、具有三维空间分辨率的火焰光谱信息。已有的光谱层析技术：扫描激光光学层析成像技术(SLOT)，其通过单点扫描、旋转拍摄的技术，最后通过反投影算法重建出层析光谱。但是此技术限制条件较多，无法应用于燃烧诊断领域。

发明内容

针对现如今暂无获得火焰三维光谱的有效办法，本发明的目的在于提供一种火焰光谱的三维重建装置和方法，其重建出的结果拥有较高的数据精度，呈现的结果不仅仅是三维的，而且还包含高光谱信息。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案为：

一种火焰光谱的三维重建装置，由多台棱镜掩膜式拍摄系统和多面反射镜组成；所述棱镜掩膜式拍摄系统以待重建的燃烧区域为中心环形搭建；所述每一台棱镜掩膜式拍摄系统配有两面反射镜，并且两面反射镜沿拍摄系统的轴线左右倾斜设置，使得火焰数据经反射镜反射后进入棱镜掩膜式拍摄系统，从而实现多角度上火焰高光谱数据的实时获取。

本发明利用上述一种火焰光谱的三维重建装置的重建方法，该方法包括如下步骤：

(1)在待重建的燃烧区域放置一圆柱形标定柱，拍摄标定柱照片并提取照片中各方向上标定柱的角点坐标作为该方向上待重建区域的角点坐标；

(2)移走标定柱并使待重建的燃烧区域燃烧，利用多台棱镜掩膜式拍摄系统和多面反射镜从不同角度同步拍摄火焰的高光谱数据，并对数据进行预处理操作；

(3)利用火焰光谱三维重建算法重建出火焰各个光谱通道上的三维结构。

进一步地，所述步骤(2)中，预处理操作具体为：

首先，利用步骤(1)提取的待重建区域的角点坐标，将拍摄的火焰数据经透视变换处理至一个固定大小的矩阵内，从而实现对齐；然后，将对齐后的数据进行去噪，接着将同一层中不同拍摄角度获取的数据整合成一个向量，并将不同层、不同波段的向量组合成一个三维矩阵B，其中矩阵的三个维度分别表示的是投影射线、层、波段。