通过三维背景导向纹影层析成像（BOST）理解野火蔓延

《Proceedings of the Combustion Institute》：Understanding wildfire spread via 3D background oriented schlieren tomography (BOST)

　　

这项研究展示了一种经济高效、非侵入式三维光学诊断技术的概念验证，用于可视化燃烧植被上方热气体的扩散。该系统采用一系列商用电荷耦合器件（CCD）相机，每台包括镜头约600欧元，使得无需高成本（>5000欧元）科学成像设备即可实现。研究人员燃烧了由不同直径树枝组装而成的小型植被样本。此类有机材料的燃烧通常不完全，产生烟雾和灰烬，对光学诊断构成挑战。然而，火灾固有的三维性质要求能够捕获完整体积信息的实验方法。研究人员采用背景导向纹影层析成像（BOST）重建燃烧植被上方的三维折射率场，揭示不同气体密度的区域。BOST利用光流算法将从多个视角通过密度变化流场记录的背景图案与参考图像（无流场）进行比较。这允许计算二维偏转，用于三维折射率场的重建。早期研究已将单视角背景导向纹影成像（BOS）应用于野火对流，但这里该方法扩展至三维BOST，以揭示树枝直径如何控制燃烧行为以及热气体如何扩散。

近年来，野火因其破坏性的环境和经济影响成为全球日益关注的焦点，尤其在南部欧洲、北美和澳大利亚等地，火灾在升温与干旱条件下迅速蔓延，凸显了理解火动力学以改进预测模型和减缓策略的迫切性。当前研究面临的核心问题包括：火灾固有的三维结构难以通过传统光学方法捕获，燃烧有机材料产生的烟雾和灰烬对诊断形成干扰，且现有简化羽流模型（如高斯分布假设）无法准确表征湍流火羽流的复杂结构。为此，研究人员开展了这项概念验证研究，旨在利用成本较低、非侵入式的三维背景导向纹影层析成像（BOST）技术可视化燃烧植被上方的热气体扩散，并探讨树枝直径对燃烧行为的影响。该论文发表在《Proceedings of the Combustion Institute》。研究中搭建了由15台商用CCD相机组成的BOST系统，燃烧不同直径的樱桃月桂树枝样本（分为细、中、粗三组），重建其上方热气体的三维折射率场，量化羽流的几何扩展与质量损失率。结论表明：较细树枝更易点燃且更快燃尽，较粗树枝产生更多烟雾且燃烧更持久；热羽流横向扩展随高度增加，符合经典羽流理论；亚像素图像配准算法可有效恢复由背景或相机微小位移引起的测量误差。这项工作为野火研究提供了一种高效、可扩展的三维诊断工具，有助于验证数值模拟并推动大规模野火传播模型的改进。

研究人员采用的主要关键技术包括：（1）三维背景导向纹影层析成像（BOST）系统，由15台商用电荷耦合器件（CCD）相机和三个大型平面小波噪声背景组成，相机半圆形排列，背景置于2米后，用于捕获热羽流引起的折射率梯度偏转；（2）光流算法，用于从多视角背景图案与参考图像的比较中计算二维偏转向量；（3）进化重建技术（ERT），基于岛型遗传算法对三维折射率场进行离散化重建（体素分辨率2 mm）；（4）亚像素图像配准算法（基于互相关的FFT方法），用于校正实验或幻影研究中背景或相机的微小移位；（5）同步质量损失率测量（Mettler PM30力传感器，1 Hz）与监控视频记录（Nikon 1 V3相机），通过绝对时间戳匹配分析燃烧阶段。样本来源为杜伊斯堡-埃森大学Heinz-Luck消防检测实验室内的樱桃月桂树枝，经干燥一年以上后用于燃烧实验。

研究结果部分：

4. 结果与讨论
通过质量损失率测量发现，所有植被样本的质量随时间变化曲线分为挥发和炭氧化两个阶段：挥发阶段因纤维素分解导致快速质量损失并伴随可见火焰，炭氧化阶段质量损失率降低至平稳。较细树枝（BV1和BV2，直径0–5 mm）更早进入平稳期，而较粗树枝（BV5，直径>10 mm）需更多乙醇辅助点燃且最大质量损失率更低，但燃烧持续时间更长，这与文献中燃料尺寸增大导致点火延迟和火焰停留时间延长的结论一致。样本BV3因密集排列表现出最高质量损失率，BV4因稀疏排列出现双峰质量损失率。利用BOST重建的三维折射率场（等值面n=1.00026）显示了热羽流的形态与水平切片，表明较大结构可被较好解析，无显著线伪影，验证了相机标定的成功。为量化热气体的几何扩展，计算了每个高度z处折射率偏差n′=n_∞?n的加权质心与加权标准差σ(z)。结果表明，BV2和BV3的σ(z)均随高度增加，符合经典羽流理论中环境空气卷吸导致热气体横向膨胀的机制。均值n′(z)显示BV2在挥发阶段热释放率峰值时数值较高，并在约z=525 mm处出现下降，指示卷吸效应最强烈的位置；BV3的n′(z)随高度递减，但卷吸效应可能在视场外更下游发生。通过幻影研究模拟了BOS背景或相机意外移位的情况，利用亚像素图像配准算法校正后，重建质量（以L₂范数、皮尔逊相关系数σ和结构相似性指数（SSIM）衡量）显著提升，接近完美数据的结果。随相机视角数N_v增加，重建质量提高，但超过12个视角后改善趋于饱和。在实验数据中，尽管发现轻微背景移位（校正如du=0.04像素，dv=0.05像素），但其对重建无明显影响，但该校正方法在大规模野外测量中可能至关重要。

讨论部分总结了实验中的挑战，包括烟雾、碎片和火焰遮挡相机视野，以及背景板因气流产生微小变形导致的非物理偏转噪声。未来研究将采用光学滤光片和扩展重建域来缓解这些问题。研究结论部分翻译如下：
5. 结论
这项工作成功展示了三维BOST作为一种非侵入式、经济的诊断方法应用于燃烧植被样本上方热气体羽流可视化的概念验证。研究调查了六组由不同直径天然树枝组成的植被样本，重建了三维羽流形状，并量化了树枝厚度与质量损失率的关系——较细树枝更易点燃且更快燃尽，较粗树枝产生更多烟雾。实验中出现了一些挑战，包括碎片和火焰延伸至相机视野对BOS测量的干扰，未来将通过光学滤光片和扩展重建域来减少或避免这些问题。同时量化了羽流横向扩展和折射率随植被上方高度的演化，这为BOST作为理解野火蔓延的诊断技术铺平了道路。通过幻影研究应用了图像配准算法，能够恢复因背景或相机意外移位而损坏的偏转测量，对于小型移位，亚像素图像校正有助于提高重建结果，避免重复实验。这对于未来在户外大规模野外测量中采用三维BOST具有重要价值，例如校正由风引起的背景或相机运动。然而，扩展至此类环境还面临烟雾、颗粒污染、阳光干扰和更复杂火动力学等额外挑战，需在后续应用中谨慎处理。尽管本研究在小型室内条件下进行，其结果充分证明了三维BOST适用于野火研究，可助力模拟验证。从这类小规模实验研究中开发的模型随后可转移并纳入大规模野火研究，从而改进预测性火蔓延模型中羽流行为和挥发性气体传输的表征。此外，三维BOST有潜力超越羽流可视化，用于量化对流换热等参数，有助于加深对植被燃料火传播的理解。