近日，课题组以“Simultaneous measurement of the soot concentration and flame temperature distribution through a novel hybrid reconstruction algorithm based on multispectral light-field imaging”为题，在仪器仪表领域权威期刊《IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement》（SCI影响因子7.0，JCR Q1区）上发表研究型论文。博士生李金键同学为论文第一作者，张彪副教授、许传龙教授为论文通讯作者。本论文获得国家自然科学基金No.52176167和No.52576179资助。
论文信息
引用格式：
Li J J, Zhang B*, Huang Y Z, Li J, Xu C L*. Simultaneous measurement of the soot concentration and flame temperature distribution through a novel hybrid reconstruction algorithm based on multispectral light-field imaging [J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2026, 75: 5009517.
论文链接：https://doi.org/10.1109/TIM.2026.3693414
主要贡献者：
研究背景
碳烟是烃类燃料不完全燃烧的主要产物，不仅降低燃烧效率，还对气候和人体健康构成严重威胁。温度是碳烟生成与氧化的核心驱动力，二者通过辐射吸收、发射和散射相互耦合，共同决定火焰的热结构和碳烟演化过程。因此，实现碳烟浓度与火焰温度三维分布的同步、非侵入式测量，对于理解燃烧过程、评估燃烧效率和控制污染物生成至关重要。
图1 光谱光场成像原理
光场成像技术因能在单次曝光下同时获取空间与角度信息，被认为是受限光学环境下火焰诊断的极具潜力的技术路线。然而，现有基于彩色光场相机（CPC）的测量方案存在两个核心局限：其一，光谱信息获取精度不足——CPC采用拜尔滤光片，光谱通道固定为红绿蓝（RGB）三通道，且半峰宽（FWHM）超过100 nm，导致传感器获取的是通道积分辐射强度而非模型所需的窄带值，严重制约测量可靠性；其二，重建算法的计算效率与鲁棒性不足——现有LMBC-NNLS混合算法中，非负最小二乘（NNLS）组件的计算复杂度过高，且在体素规模增大时，中间变量被迫归零导致雅可比矩阵计算异常、目标函数陷入局部最优而无法收敛。
图2 光谱光场相机与传统光场相机的光谱带宽比较
团队从“光谱信息获取”和“重建算法”两个层面提出改进。在信息获取端，采用多光谱光场相机（MSPC）替代传统CPC——MSPC将滤光片阵列置于主镜头孔径光阑处，可在单次曝光下灵活获取多个窄带光谱通道（FWHM < 40 nm）的光场信息，从源头提升光谱信息精度。在算法端，开发了LMWLS-WNNLS混合重建算法：在碳烟浓度重建阶段采用带权重最小二乘（WLS）替代原有算法中的NNLS组件，避免中间变量被迫归零导致的梯度异常和收敛停滞；在温度重建阶段引入基于光谱辐射强度的自适应权重矩阵，增强低强度光线的贡献，显著提升噪声鲁棒性；同时通过压缩映射保证碳烟浓度的非负性，确保重建结果的物理合理性。
研究结果
(a) 重建误差对比 (b) 重建效率对比
图3 算法的重建误差和重建效率对比
数值模拟全面验证了算法的综合性能。在计算效率方面，LMWLS-WNNLS相比LMBC-NNLS的最小加速比达20.60:1，解决了原算法在大规模体素下的收敛失败问题。在噪声鲁棒性方面，40 dB噪声下碳烟浓度平均相对误差降低10.78%，顶部区域最大误差降低84.19%。在多光谱通道方面，四通道配置相比两通道，模型Lipschitz常数降低41.65%，碳烟浓度最大误差降低15.03%；当通道带宽从100 nm收窄至20 nm时，带宽引起的误差增量从3.66%降至0.5%以下，验证了窄带光谱信息对重建精度提升的关键作用。
(a) 通道数量的影响 (b) 通道带宽的影响
图4 MSPC光谱通道对于重建的影响
在乙烯层流扩散火焰（Guilder burner）上的实验进一步证实了方法的可行性。相比两通道配置，四通道配置的碳烟浓度和温度相对误差分别降低了60.80%和5.04%，碳烟浓度最大误差为2.22 ppm，温度最大误差为64.98 K，对应的最大不确定度分别为0.98 ppm和27.98 K。重建结果与热偶测温、CARS测温、消光法和DTTS采样等基准数据吻合良好——碳烟浓度相对DTTS和消光法的平均偏差分别为0.52 ppm和0.69 ppm，温度相对热偶和CARS的平均偏差分别为36.47 K和39.64 K，充分验证了方法的测量准确性。
(a) 碳烟浓度 (b) 碳烟浓度
图5 高度为30mm下的重建结果对比
该研究将多光谱光场成像技术与新型混合重建算法相结合，从“光谱信息获取”和“重建算法”两个层面同时突破，实现了碳烟浓度与火焰温度的高精度同步三维测量。研究成果为工业燃烧诊断提供了重要的技术支撑，在燃烧效率优化、污染物排放控制等方面具有广阔的应用前景。