(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の燃焼場画像を構成する各ピクセルごとにスペクトル情報を対応付けてなるハイパースペクトルデータを用いて燃焼場における燃焼を解析する燃焼解析装置であって、
ハイパースペクトルデータ取得装置から所定の燃焼場における一次元の前記ハイパースペクトルデータを取得するハイパースペクトルデータ取得部と、
取得した前記ハイパースペクトルデータに基づいて、所定の波長に対応する一次元の燃焼場画像を時系列に沿って表示手段に表示する燃焼場画像表示部と、
前記表示手段に表示される前記燃焼場画像の波長を変更するインタフェースに波長の変更を指示する入力手段と、
前記燃焼場画像上において任意に指定された指定位置を検出する指定位置検出部と、
前記指定位置における分光スペクトルを前記表示手段に表示する分光スペクトル表示部と、
前記分光スペクトルのうち燃焼を示す遊離基の波長に相当するスペクトル強度を補正するスペクトル強度補正部と、
を有する燃焼解析装置。
【請求項２】
前記スペクトル強度補正部は、前記スペクトル強度を波長方向にローパスフィルタ処理して黒体輻射成分を取得し、前記スペクトル強度から前記黒体輻射成分を減算することにより補正する、請求項１に記載の燃焼解析装置。
【請求項３】
前記燃焼場画像および前記スペクトル強度に基づいて、前記遊離基の生成量を評価する遊離基生成量指数（ＯＨＩ）、および／または前記黒体輻射成分を構成する煤の発生量を評価する煤発生量指数（ＳＴＩ）を下記式（１），（２）を用いて算出する評価指数算出部と、
ＯＨＩ＝Ｋ・（ａ−ｂ）・ΔＶｃ・ΔＴｃ  …式（１）
ＳＴＩ＝ｂ・ΔＶｓ・ΔＴｓ              …式（２）
ただし、Ｋ：比例定数，ａ：補正前のスペクトル強度，ｂ：黒体輻射のスペクトル強度，ΔＶｃ：遊離基の生成領域，ΔＴｃ：遊離基の燃焼時間，ΔＶｓ：煤の燃料領域，ΔＴｓ：煤の燃焼時間
前記遊離基生成量指数または前記煤発生量指数と、前記燃焼場に対応する燃焼装置の燃焼性能に関する実測値との回帰式を算出する回帰式算出部と、
前記回帰式に基づいて、前記燃焼装置を設計する際の設計パラメータが前記燃焼性能に与える影響を評価する燃焼性能評価部と、
を有する、請求項１または請求項２に記載の燃焼解析装置。
【請求項４】
前記ハイパースペクトルデータ取得装置によって受光された１ライン分の光出力を位置合わせを行うためのアライメント映像として前記表示手段に表示するアライメント映像表示部を有し、前記アライメント映像の上下端に、撮影対象領域の両端に設定されたマーカを合致させることで、前記ハイパースペクトルデータ取得装置が位置合わせされる、請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃焼解析装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の燃焼解析装置と、前記ハイパースペクトルデータ取得装置とを有する、燃焼解析システム。
【請求項６】
所定の燃焼場画像を構成する各ピクセルごとにスペクトル情報を対応付けてなるハイパースペクトルデータを用いて燃焼場における燃焼を解析する燃焼解析プログラムであって、
ハイパースペクトルデータ取得装置から所定の燃焼場における一次元の前記ハイパースペクトルデータを取得するハイパースペクトルデータ取得部と、
取得した前記ハイパースペクトルデータに基づいて、所定の波長に対応する一次元の燃焼場画像を時系列に沿って表示手段に表示する燃焼場画像表示部と、
前記表示手段に表示される前記燃焼場画像の波長を変更するインタフェースに波長の変更を指示する入力手段と、
前記燃焼場画像上において任意に指定された指定位置を検出する指定位置検出部と、
前記指定位置における分光スペクトルを前記表示手段に表示する分光スペクトル表示部と、
前記分光スペクトルのうち燃焼を示す遊離基の波長に相当するスペクトル強度を補正するスペクトル強度補正部と
してコンピュータを機能させる、燃焼解析プログラム。
【請求項７】
所定の燃焼場画像を構成する各ピクセルごとにスペクトル情報を対応付けてなるハイパースペクトルデータを用いて燃焼場における燃焼を解析する燃焼解析方法であって、
ハイパースペクトルデータ取得装置から所定の燃焼場における一次元の前記ハイパースペクトルデータを取得するハイパースペクトルデータ取得ステップと、
取得した前記ハイパースペクトルデータに基づいて、所定の波長に対応する一次元の燃焼場画像を時系列に沿って表示手段に表示する燃焼場画像表示ステップと、
前記表示手段に表示される前記燃焼場画像の波長を変更するインタフェースに波長の変更を指示する入力ステップと、
前記燃焼場画像上において任意に指定された指定位置を検出する指定位置検出ステップと、
前記指定位置における分光スペクトルを前記表示手段に表示する分光スペクトル表示ステップと、
前記分光スペクトルのうち燃焼を示す遊離基の波長に相当するスペクトル強度を補正するスペクトル強度補正ステップと、
を有する燃焼解析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハイパースペクトルデータを用いて燃焼場における燃焼を解析するのに好適な燃焼解析装置、燃焼解析システム、燃焼解析プログラムおよび燃焼解析方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関内の燃焼場における燃焼を解析する技術が提案されている。例えば、特開２００５−２２６８９３号公報には、火炎の各自発光に対応させて設けられた各受光手段と、各受光手段からの受光信号に基づいて演算処理をなす演算処理装置と、燃焼データベースとを備え、各自発光の発光強度を検出し、各自発光の発光強度の発光強度比を算出し、発光強度比に基づいて空燃比を検出し、空燃比に基づいて燃焼状態を診断する燃焼診断装置が開示されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２２６８９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、燃焼場から輻射された発光スペクトルには、燃焼を示すＯＨラジカルやＣＨラジカル等の輝線スペクトルだけではなく、燃焼ガスで加熱された煤等からも黒体輻射成分（バックグラウンド成分）が背景光として混在してしまうと考えられる。このため、特許文献１に記載された発明を含め、火炎のラジカル発光を計測する従来技術においては、火炎の自発光スペクトルに黒体輻射成分が含まれていることから、正確な燃焼解析ができないという問題がある。
【０００５】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、ハイパースペクトルデータによって燃焼場における分光スペクトルを把握し、燃焼に関係のある発光のスペクトル強度を正確に補正することができる燃焼解析装置、燃焼解析システム、燃焼解析プログラムおよび燃焼解析方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る燃焼解析装置は、所定の燃焼場画像を構成する各ピクセルごとにスペクトル情報を対応付けてなるハイパースペクトルデータを用いて燃焼場における燃焼を解析する燃焼解析装置であって、ハイパースペクトルデータ取得装置から所定の燃焼場における一次元の前記ハイパースペクトルデータを取得するハイパースペクトルデータ取得部と、取得した前記ハイパースペクトルデータに基づいて一次元の燃焼場画像を時系列に沿って表示手段に表示する燃焼場画像表示部と、前記燃焼場画像上において任意に指定された指定位置を検出する指定位置検出部と、前記指定位置における分光スペクトルを前記表示手段に表示する分光スペクトル表示部と、前記分光スペクトルのうち燃焼を示す遊離基の波長に相当するスペクトル強度を補正するスペクトル強度補正部とを有する。
【０００７】
また、本発明の一態様として、前記スペクトル強度補正部は、前記スペクトル強度を波長方向にローパスフィルタ処理して黒体輻射成分を取得し、前記スペクトル強度から前記黒体輻射成分を減算することにより補正してもよい。
【０００８】
さらに、本発明の一態様として、前記燃焼場画像および前記スペクトル強度に基づいて、前記遊離基の生成量を評価する遊離基生成量指数（ＯＨＩ）、および／または前記黒体輻射成分を構成する煤の発生量を評価する煤発生量指数（ＳＴＩ）を下記式（１），（２）を用いて算出する評価指数算出部と、
ＯＨＩ＝Ｋ・（ａ−ｂ）・ΔＶｃ・ΔＴｃ  …式（１）
ＳＴＩ＝ｂ・ΔＶｓ・ΔＴｓ              …式（２）
ただし、Ｋ：比例定数，ａ：補正前のスペクトル強度，ｂ：黒体輻射のスペクトル強度，ΔＶｃ：遊離基の生成領域，ΔＴｃ：遊離基の燃焼時間，ΔＶｓ：煤の燃料領域，ΔＴｓ：煤の燃焼時間
前記遊離基生成量指数または前記煤発生量指数と、前記燃焼場に対応する燃焼装置の燃焼性能に関する実測値との回帰式を算出する回帰式算出部と、前記回帰式に基づいて、前記燃焼装置を設計する際の設計パラメータが前記燃焼性能に与える影響を評価する燃焼性能評価部とを有していてもよい。
【０００９】
また、本発明の一態様として、前記ハイパースペクトルデータ取得装置の位置合わせおよびピント調整を行うためのアライメント映像を前記表示手段に表示するアライメント映像表示部を有していてもよい。
【００１０】
本発明に係る燃焼解析システムは、請求項１から請求項４のいずれかに記載の燃焼解析装置と、前記ハイパースペクトルデータ取得装置とを有する。
【００１１】
本発明に係る燃焼解析プログラムは、所定の燃焼場画像を構成する各ピクセルごとにスペクトル情報を対応付けてなるハイパースペクトルデータを用いて燃焼場における燃焼を解析する燃焼解析プログラムであって、ハイパースペクトルデータ取得装置から所定の燃焼場における一次元の前記ハイパースペクトルデータを取得するハイパースペクトルデータ取得部と、取得した前記ハイパースペクトルデータに基づいて一次元の燃焼場画像を時系列に沿って表示手段に表示する燃焼場画像表示部と、前記燃焼場画像上において任意に指定された指定位置を検出する指定位置検出部と、前記指定位置における分光スペクトルを前記表示手段に表示する分光スペクトル表示部と、前記分光スペクトルのうち燃焼を示す遊離基の波長に相当するスペクトル強度を補正するスペクトル強度補正部としてコンピュータを機能させる。
【００１２】
本発明に係る燃焼解析方法は、所定の燃焼場画像を構成する各ピクセルごとにスペクトル情報を対応付けてなるハイパースペクトルデータを用いて燃焼場における燃焼を解析する燃焼解析方法であって、ハイパースペクトルデータ取得装置から所定の燃焼場における一次元の前記ハイパースペクトルデータを取得するハイパースペクトルデータ取得ステップと、取得した前記ハイパースペクトルデータに基づいて一次元の燃焼場画像を時系列に沿って表示手段に表示する燃焼場画像表示ステップと、前記燃焼場画像上において任意に指定された指定位置を検出する指定位置検出ステップと、前記指定位置における分光スペクトルを前記表示手段に表示する分光スペクトル表示ステップと、前記分光スペクトルのうち燃焼を示す遊離基の波長に相当するスペクトル強度を補正するスペクトル強度補正ステップとを有する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ハイパースペクトルデータによって燃焼場における分光スペクトルを把握し、燃焼に関係のある発光のスペクトル強度を正確に補正することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る燃焼解析装置を含む燃焼解析システムの一実施形態を示すブロック図である。
【図２】ハイパースペクトルデータの一例を示す図である。
【図３】本実施形態において、表示手段に表示される画面の一例を示す図である。
【図４】本実施形態において、アライメント映像を用いた位置合わせを示す図である。
【図５】本実施形態において、燃焼場における燃焼の遷移を示す図である。
【図６】分光スペクトルの一例を示す図である。
【図７】本実施形態の燃焼解析装置、燃焼解析システムおよび燃焼解析プログラムによる燃焼解析方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る燃焼解析装置、燃焼解析システム、燃焼解析プログラムおよび燃焼解析方法の実施形態について図面を用いて説明する。
【００１６】
本実施形態の燃焼解析システム１０は、燃焼場における燃焼を解析するためのものであり、図１に示すように、本実施形態の燃焼解析装置１と、この燃焼解析装置１にハイパースペクトルデータを提供するハイパースペクトルデータ取得装置２とを有している。以下、各構成について説明する。
【００１７】
なお、本発明において、燃焼場とは、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、ロケットエンジン、ガスタービンエンジン等の内燃機関のように、燃焼が起こるあらゆる場を含む概念である。
【００１８】
まず、ハイパースペクトルデータ取得装置２は、所定の燃焼場における一次元のハイパースペクトルデータを取得するものである。具体的には、図２に示すように、ハイパースペクトルデータは、一次元（Ｙ軸の１ライン分）の燃焼場画像を構成する各ピクセルごとに複数の波長におけるスペクトル情報（ハイパースペクトル情報）を対応付けて構成されているものである。
【００１９】
本実施形態において、ハイパースペクトルデータ取得装置２は、図１に示すように、主として、燃焼場からの光を受光する紫外対物レンズ２１と、この紫外対物レンズ２１からの光をライン状に絞るスリット２２と、このスリット２２を通過した光を平行光線にする紫外コリメータ２３と、当該平行光線を複数の波長領域に分光する分光モジュール２４と、分光した光を再結像させる紫外再結像用対物レンズ２５と、再結像させた映像の輝度を増幅するイメージ・インテンシファイア２６と、このイメージ・インテンシファイア２６を制御するコントローラ２７と、このコントローラ２７のゲインを調節するインターフェース回路２８と、高いフレームレートを有する高速カメラ２９とから構成されている。
【００２０】
以上の構成により、エンジン等の内燃機関から出力されたスタート信号が、高速カメラ２９およびインターフェース回路２８に入力されて、エンジンの回転に同期させる。また、スリット２２によってライン状に絞られた光は、分光モジュール２４によって複数の波長領域に分光される。さらに、再結像されて増幅された光は、高いフレームレート（約５０００〜１００００ｆｐｓ）で１ラインごとに高速カメラ２９によって結像され、画像信号として燃焼解析装置１に出力される。なお、本実施形態では、０．１ｍｓ毎に上述したハイパースペクトルデータを取得するようになっている。
【００２１】
なお、ハイパースペクトルデータ取得装置２の構成は、上記構成に限定されるものではなく、一次元のハイパースペクトルデータを取得し得るものであればよい。例えば、上述したスリット２２、紫外コリメータ２３および分光モジュール２４からなるハイパースペクトルセンサ用モジュールに代えて、図示しないバンドパスフィルタを備えたバンドパスフィルタ用モジュールを設けて分光するようにしてもよい。
【００２２】
燃焼解析装置１は、パーソナルコンピュータ等のコンピュータから構成されており、図１に示すように、主として、入力手段３と、表示手段４と、記憶手段５と、演算処理手段６とを有している。以下、各構成手段について詳細に説明する。
【００２３】
入力手段３は、マウスやキーボード等で構成されており、後述するとおり、燃焼場画像上において分光スペクトルを表示させる位置を任意に指定したり、ユーザによる各種の選択や指示を入力するものである。
【００２４】
表示手段４は、液晶ディスプレイ等で構成されており、図３に示すように、一次元（Ｙ方向）の燃焼場画像を時系列（Ｔ方向）に沿って表示する燃焼場画像表示エリア４１と、燃焼場画像上において任意に指定された指定位置における分光スペクトルを表示する分光スペクトル表示エリア４２と、ハイパースペクトルデータ取得装置２の位置合わせおよびピント調整を行うためのアライメント映像を表示するアライメント映像表示エリア４３とを有している。
【００２５】
また、図３に示すように、燃焼場画像表示エリア４１の下部には、表示させる波長を変更するスライダーバーが設けられている。さらに、分光スペクトル表示エリア４２の右側には、入力手段３によって指定された燃焼場画像上の位置を示す座標値（Ｙ座標およびＴ座標）と、燃焼を示す遊離基（ラジカル）の波長に相当する登録波長１〜３におけるスペクトル強度が表示される。
【００２６】
なお、表示手段４には、図示しないが、上記以外にも連続表示のオンオフを指定するボタン、マニュアル撮影か外部信号撮影かを指定するボタン、データの保存および読み込みを指示するボタン、燃焼場画像表示エリア４１および分光スペクトル表示エリア４２における画像データ（ＢＭＰ）および生データ（ＣＳＶ）を保存するボタン、詳細設定等が表示されるようになっている。
【００２７】
なお、本実施形態では、入力手段３および表示手段４をそれぞれ別個に有しているが、この構成に限定されるものではなく、タッチパネル等のように表示機能および入力機能を兼ね備えた表示入力手段を用いてもよい。
【００２８】
記憶手段５は、各種のデータを記憶するとともに、演算処理手段６が演算処理を行う際のワーキングエリアとして機能するものである。本実施形態において、記憶手段５は、ハードディスク、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、フラッシュメモリ等で構成されており、図１に示すように、プログラム記憶部５１と、遊離基波長記憶部５２と、ハイパースペクトルデータ記憶部５３とを有している。以下、各構成部についてより詳細に説明する。
【００２９】
プログラム記憶部５１には、本実施形態の燃焼解析装置１を制御するための燃焼解析プログラム１ａがインストールされている。そして、演算処理手段６が、当該燃焼解析プログラム１ａを実行することにより、燃焼解析装置１としてのコンピュータを後述する各構成部として機能させるようになっている。
【００３０】
なお、燃焼解析プログラム１ａの利用形態は、上記構成に限られるものではない。例えば、ＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤ−ＲＯＭ等のように、コンピュータで読み取り可能な記録媒体に燃焼解析プログラム１ａを記憶させておき、当該記録媒体から直接読み出して実行してもよい。また、外部サーバ等からＡＳＰ（Application Service Provider）方式やクラウドコンピューティング方式で利用してもよい。
【００３１】
遊離基波長記憶部５２は、燃焼を示す遊離基（ラジカル）、すなわち燃焼を可視化するのに適した遊離基の波長を記憶するものである。本実施形態では、黒体輻射の影響が少なく、かつ、燃焼反応領域を直接捉えることができる波長帯を考慮して、ＯＨ（水が分解したラジカル）の波長（約３０６ｎｍ）を登録している。なお、ＯＨ以外にも、Ｏ２ラジカル（約３５１ｎｍ）、ホルムアルデヒド（約３９０ｎｍ、約４２４ｎｍ）、ＣＨ（約４３１ｎｍ）等も計測可能である。
【００３２】
ハイパースペクトルデータ記憶部５３は、後述するハイパースペクトルデータ取得部６２によってハイパースペクトルデータ取得装置２から取得された燃焼場における一次元のハイパースペクトルデータを記憶するものである。
【００３３】
演算処理手段６は、ハイパースペクトルデータ取得装置２からハイパースペクトルデータを取得し、燃焼を解析する演算処理を実行するものである。本実施形態において、演算処理手段６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等で構成されており、記憶手段５にインストールされた燃焼解析プログラム１ａを実行することにより、図１に示すように、アライメント映像表示部６１と、ハイパースペクトルデータ取得部６２と、燃焼場画像表示部６３と、指定位置検出部６４と、分光スペクトル表示部６５と、スペクトル強度補正部６６と、評価指数算出部６７と、回帰式算出部６８と、燃焼性能評価部６９として機能するようになっている。以下、各構成部についてより詳細に説明する。
【００３４】
アライメント映像表示部６１は、ハイパースペクトルデータ取得装置２の位置合わせおよびピント調整を行うためのアライメント映像を表示手段４のアライメント映像表示エリア４３に表示するものである。具体的には、ハイパースペクトルデータ取得装置２によって受光された１ライン分の光出力がリアルタイムで表示されるようになっている。
【００３５】
なお、位置合わせの方法としては、図４に示すように、燃焼場画像を撮影しようとするラインの両端位置に向けて半導体レーザ等を照射してマーカとする。そして、各マーカがアライメント映像の上下端に合致するように調整することで、ハイパースペクトルデータ取得装置２が所望の位置に位置合わせされる。
【００３６】
ハイパースペクトルデータ取得部６２は、ハイパースペクトルデータ取得装置２から燃焼場における一次元のハイパースペクトルデータを取得するものである。本実施形態では、一次元のハイパースペクトルデータを時系列毎に取得するようになっている。また、本実施形態におけるハイパースペクトルデータ取得部６２は、ハイパースペクトルデータ取得装置２の高速カメラ２９から出力された画像信号を１ラインごとにハイパースペクトルデータとして取得するようになっている。
【００３７】
燃焼場画像表示部６３は、取得したハイパースペクトルデータに基づいて、一次元の燃焼場画像を時系列に沿って表示手段４の燃焼場画像表示エリア４１に表示するものである。具体的には、燃焼場画像表示部６３は、上述したスライダーバーによって指定されている波長に対応する燃焼場画像をハイパースペクトルデータ記憶部５３から読み出し、当該燃焼場画像を時系列に沿って表示する。
【００３８】
ここで、例えば、燃焼場における燃焼が、時系列に沿って図５に示すような形状で遷移する場合、後述する遊離基生成量指数（ＯＨＩ）および煤発生量指数（ＳＴＩ）に対応する時空間のフラックスが、図３に示すような燃焼領域として燃焼場画像表示エリア４１に表示されることになる。また、本実施形態では、入力手段３によってスライダーバーを左右方向に移動させるだけで、表示させる波長を変更可能に構成されているため、煤（背景光）の影響が少なく、かつ、ＯＨや他の粒子の発光が見やすい波長を容易に探せるようになっている。
【００３９】
指定位置検出部６４は、燃焼場画像上において任意に指定された指定位置を検出するものである。本実施形態では、燃焼場画像表示エリア４１に表示された燃焼場画像上において、入力手段３としてのマウスを用いて所望の位置をクリックすると、当該クリック位置の座標（Ｙ座標およびＴ座標）を検出する。なお、検出された指定位置の座標値は、図３に示すように、分光スペクトル表示エリア４２の右サイドに表示される。
【００４０】
分光スペクトル表示部６５は、指定位置における分光スペクトルを表示手段４の分光スペクトル表示エリア４２に表示するものである。本実施形態において、分光スペクトル表示部６５は、指定位置検出部６４によって検出された指定位置に対応するスペクトル情報をハイパースペクトルデータ記憶部５３から読み出す。そして、図３に示すように、横軸を波長とし、縦軸をスペクトル強度とする分光スペクトルをグラフ表示するようになっている。
【００４１】
また、本実施形態において、分光スペクトル表示部６５は、スペクトル強度補正部６６によって黒体輻射成分（バックグラウンド成分）が補正された場合、当該補正後の分光スペクトルを分光スペクトル表示エリア４２に表示するようになっている。なお、分光スペクトル表示部６５は、遊離基波長記憶部５２に登録されている波長を読み出し、図３に示すように、当該波長に対応するスペクトル強度を個別に表示するようになっている。
【００４２】
スペクトル強度補正部６６は、分光スペクトルのうち燃焼を示す遊離基の波長に相当するスペクトル強度を補正するものである。例えば、図６に示すような分光スペクトルが得られた場合、登録した遊離基波長における補正前のスペクトル強度ａは、遊離基の輝線スペクトルと、燃焼ガスで加熱された煤等からの黒体輻射成分ｂ（バックグラウンド成分）とが混在している。
【００４３】
このため、本実施形態において、スペクトル強度補正部６６は、スペクトル強度を波長方向にローパスフィルタ処理して黒体輻射成分ｂ（連続スペクトル）を取得する。そして、スペクトル強度ａから当該黒体輻射成分ｂを減算することにより、燃焼に関係のある発光のスペクトル強度を正確に補正し、遊離基の輝線スペクトル強度（ａ−ｂ）を取得するようになっている。
【００４４】
なお、補正後のスペクトル強度は、分光スペクトル表示エリア４２において目視で確認することができる。その結果、黒体輻射成分の減算量が過剰または不足していた場合、上記ローパスフィルタ処理に用いる波長方向のカットオフ周波数を適宜変更し、再度補正をやり直すことが好ましい。このため、本実施形態では、補正前の生データおよび補正後のデータを両方保存するようになっている。なお、ローパスフィルタの精度が悪い場合には、フィルタの次数を二次や三次に上げたり、フーリエ変換して高次の成分をカットするようにしてもよい。
【００４５】
また、スペクトル強度補正部６６による補正は、上述したローパスフィルタ処理に限定されるものではなく、黒体輻射成分を補正できるものであればよい。例えば、高速フーリエ変換（Fast Fourier Transform：ＦＦＴ）やウェーブレット変換を用いることにより、高周波成分を除去して黒体輻射成分ｂを取得するようにしてもよい。
【００４６】
評価指数算出部６７は、燃焼場画像およびスペクトル強度に基づいて、燃焼に関する評価指数を算出するものである。具体的には、評価指数算出部６７は、遊離基の生成量を評価する遊離基生成量指数（ＯＨＩ）と、黒体輻射成分を構成する煤の発生量を評価する煤発生量指数（ＳＴＩ）とを下記式（１），（２）を用いて算出するようになっている。
ＯＨＩ＝Ｋ・（ａ−ｂ）・ΔＶｃ・ΔＴｃ  …式（１）
ＳＴＩ＝ｂ・ΔＶｓ・ΔＴｓ              …式（２）
ただし、Ｋ：比例定数，ａ：補正前のスペクトル強度，ｂ：黒体輻射のスペクトル強度，ΔＶｃ：遊離基の生成領域，ΔＴｃ：遊離基の燃焼時間，ΔＶｓ：煤の燃料領域，ΔＴｓ：煤の燃焼時間
【００４７】
上記式において、ΔＴｃ（遊離基の燃焼時間）およびΔＴｓ（煤の燃焼時間）は、図３に示すように、燃焼場画像表示エリア４１に可視化された燃焼領域の開始時刻および終了時刻から取得される。また、ΔＶｃ（遊離基の生成領域）およびΔＶｓ（煤の燃料領域）は、燃焼場画像表示エリア４１に可視化された燃焼領域の面積にスペクトル強度を乗算したものの積分値として取得することができる。なお、本実施形態では、評価指数算出部６７が、遊離基生成量指数（ＯＨＩ）および煤発生量指数（ＳＴＩ）の両方を算出しているが、いずれか一方のみでもよい。
【００４８】
回帰式算出部６８は、遊離基生成量指数（ＯＨＩ）または煤発生量指数（ＳＴＩ）と、所定の燃焼装置の燃焼性能に関する実測値との回帰式を算出するものである。本実施形態において、燃焼装置は、遊離基生成量指数（ＯＨＩ）または煤発生量指数（ＳＴＩ）の算出に用いた燃焼場に対応するエンジン等である。そして、当該エンジンの燃焼性能として、高速エンジン出力（ｋＷ）、低速トルク（Ｎｍ）、噴射ペネトレーション（ｍｍ）、煤発生量（ｇ／ｋＷ）、推力（Ｎ）、燃焼効率等を測定し、実測値を取得しておく。
【００４９】
回帰式算出部６８が回帰式を算出する手順としては、まず、横軸に遊離基生成量指数（ＯＨＩ）または煤発生量指数（ＳＴＩ）をとる一方、縦軸には上述した燃焼性能の一つをとってプロットする。そして、当該プロットによって表された曲線を何らかの近似曲線にフィッティングすることで、回帰式の係数を求めるようになっている。
【００５０】
燃焼性能評価部６９は、算出された回帰式に基づいて、燃焼装置を設計する際の設計パラメータが燃焼性能に与える影響を評価するものである。上記設計パラメータとしては、燃料インジェクタの形状、長さ、噴射角、数、圧力等が挙げられる。本実施形態において、燃焼性能評価部６９は、回帰式に基づいて、上記設計パラメータの値を適宜変更したときの各評価指数と実測値とを比較し、燃焼性能に与える原因と効果を定量的に評価する。
【００５１】
具体的には、遊離基生成量指数（ＯＨＩ）は、燃焼反応を促進するエネルギー量に相当するため、投入エネルギーに対して遊離基生成量指数（ＯＨＩ）が大きいほど燃焼効率が高いと評価できることとなる。一方、煤発生量指数（ＳＴＩ）は、熱輻射によるエネルギー損失を表すものであるから、投入エネルギーに対して煤発生量指数（ＳＴＩ）が小さいほど燃焼効率が高いと評価できることとなる。
【００５２】
つぎに、本実施形態の燃焼解析装置１、燃焼解析システム１０、燃焼解析プログラム１ａおよび燃焼解析方法による作用について説明する。
【００５３】
本実施形態の燃焼解析装置１、燃焼解析システム１０および燃焼解析プログラム１ａにより実現される燃焼解析方法によって燃焼場における燃焼を解析する場合、まず、図７に示すように、アライメント映像表示部６１が、アライメント映像表示エリア４３にアライメント映像をリアルタイムで表示する（ステップＳ１）。
【００５４】
これにより、ユーザは、当該アライメント映像を見ながら容易にハイパースペクトルデータ取得装置２の位置合わせやピント調整が可能となる（ステップＳ２）。なお、位置合わせの手順としては、上述したとおり、撮影対象領域（ライン）の両端に設定されたマーカをアライメント映像の上下端に合致するように調整することで、ハイパースペクトルデータ取得装置２が位置合わせされる。
【００５５】
つぎに、ハイパースペクトルデータ取得部６２が、ハイパースペクトルデータ取得装置２から燃焼場における一次元のハイパースペクトルデータを時系列に沿って取得する（ステップＳ３）。これにより、取得されたハイパースペクトルデータは逐次、ハイパースペクトルデータ記憶部５３に保存される。
【００５６】
つづいて、燃焼場画像表示部６３が、一次元の燃焼場画像を時系列に沿って燃焼場画像表示エリア４１に表示する（ステップＳ４）。これにより、撮影したライン上の各点における時間変化が可視化され、時間軸上から俯瞰的に燃焼過程を視認することができる。また、燃焼場画像で視認される燃焼場の時間的および空間的な広がりに、光強度を掛け合わせたもの（空間×時間×光強度）が燃焼領域の積算値、つまり燃焼の大きさの絶対量を意味する。このため、当該絶対量が各種の燃焼装置の性能を判断する目安となる。
【００５７】
つぎに、燃焼場画像表示エリア４１に表示された燃焼場画像が見え難い場合、図３に示すスライダーバーを操作し、表示させる波長を変更する（ステップＳ５：ＹＥＳ）。これにより、燃焼場画像を表示させる波長として、煤（背景光）の影響が少なく、かつ、ＯＨや他の粒子の発光が見やすい波長が容易に選択される。なお、波長の変更操作に伴って、変更後の波長での燃焼場画像がリアルタイムで表示される（ステップＳ４）。
【００５８】
燃焼場画像が最も見えやすい状態に設定されると、波長の変更操作をストップし（ステップＳ５：ＮＯ）、当該燃焼場画像上で所望の位置が指定されるのを待機する（ステップＳ６）。そして、所望の位置が指定されると（ステップＳ６：ＹＥＳ）、指定位置検出部６４が当該指定位置を検出するとともに、分光スペクトル表示部６５が、当該指定位置における分光スペクトルを分光スペクトル表示エリア４２に表示する（ステップＳ７）。
【００５９】
つぎに、分光スペクトル表示エリア４２に表示された分光スペクトルを目視で確認し、スペクトル強度の補正が適切に完了したか否かを判定する（ステップＳ８）。その結果、補正が行われていない場合、または補正が不適切であった場合（ステップＳ８：ＮＯ）、スペクトル強度補正部６６が、分光スペクトルのうち燃焼を示す遊離基の波長に相当するスペクトル強度を補正する（ステップＳ９）。
【００６０】
これにより、燃焼に関係のある発光のスペクトル強度は、黒体輻射成分（バックグラウンド成分）を分離して、遊離基の輝線スペクトルのみが残り、正確に補正される。また、補正後のスペクトル強度は、分光スペクトル表示エリア４２にリアルタイムで表示される（ステップＳ７）。このため、補正の適否や度合を随時確認しながら、ローパスフィルタのカットオフ周波数を変更したり、ローパスフィルタの次数を上げたり、フーリエ変換して高次の成分をカットする等の措置をとることで、より適切な補正が実行される。
【００６１】
黒体輻射成分（バックグラウンド成分）が正しく分離されると、補正が適切に完了したと判断し（ステップＳ８：ＹＥＳ）、補正後のデータを記憶手段５に保存する。また、本実施形態では、補正前の生データについても合わせて記憶手段５に保存することで、後から補正式を修正したくなった場合等でも補正をやり直すことが可能となる。
【００６２】
スペクトル強度が正しく補正された後（ステップＳ８：ＹＥＳ）、評価指数算出部６７が、遊離基生成量指数（ＯＨＩ）および煤発生量指数（ＳＴＩ）を算出する（ステップＳ１０）。このとき、各評価指数を算出するための各パラメータは、燃焼場画像表示エリア４１に可視化された燃焼領域から容易に取得される。
【００６３】
つぎに、回帰式算出部６８が、遊離基生成量指数（ＯＨＩ）または煤発生量指数（ＳＴＩ）と、所定の燃焼装置の燃焼性能に関する実測値との回帰式を算出する（ステップＳ１１）。これにより、当該回帰式が燃焼性能と評価指数との関係を明らかするため、各種の燃焼性能が評価指数に対する依存性によって推定される。そして、燃焼性能評価部６９が、燃焼装置を設計する際の設計パラメータが燃焼性能に与える影響を評価する（ステップＳ１２）。これにより、燃焼性能を最適化するための設計パラメータが取得される。
【００６４】
以上のような本実施形態によれば、以下のような効果を奏する。
１．ハイパースペクトルデータによって燃焼場における分光スペクトルを把握し、燃焼に関係のある発光のスペクトル強度を正確に補正することができる。
２．黒体輻射成分を分離して、燃焼を示す遊離基の発光スペクトルを正確に求めることができる。
３．燃焼装置の燃焼性能を最適化するための設計パラメータを取得することができる。
４．内燃機関の性能を向上させられ、燃料のインジェクタ形状等を最適化することができる。
５．燃焼場画像により可視化された燃焼領域を解明することができる。
６．ハイパースペクトルデータ取得装置２の位置合わせやピント調整を容易に実行することができる。
【００６５】
なお、本発明に係る燃焼解析装置１、燃焼解析システム１０、燃焼解析プログラム１ａおよび燃焼解析方法は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜変更することができる。
【００６６】
例えば、上述した本実施形態では、燃焼場画像表示エリアに表示させる燃焼場画像の波長を変更する手段として、スライダーバーを採用しているが、この構成に限定されるものではない。すなわち、波長を変更しうるインタフェースであれば、数値を直接入力するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００６７】
１  燃焼解析装置
１ａ  燃焼解析プログラム
２  ハイパースペクトルデータ取得装置
３  入力手段
４  表示手段
５  記憶手段
６  演算処理手段
１０  燃焼解析システム
２１  紫外対物レンズ
２２  スリット
２３  紫外コリメータ
２４  分光モジュール
２５  紫外再結像用対物レンズ
２６  イメージ・インテンシファイア
２７  コントローラ
２８  インターフェース回路
２９  高速カメラ
４１  燃焼場画像表示エリア
４２  分光スペクトル表示エリア
４３  アライメント映像表示エリア
５１  プログラム記憶部
５２  遊離基波長記憶部
５３  ハイパースペクトルデータ記憶部
６１  アライメント映像表示部
６２  ハイパースペクトルデータ取得部
６３  燃焼場画像表示部
６４  指定位置検出部
６５  分光スペクトル表示部
６６  スペクトル強度補正部
６７  評価指数算出部
６８  回帰式算出部
６９  燃焼性能評価部
【要約】
【課題】  ハイパースペクトルデータによって燃焼場における分光スペクトルを把握し、燃焼に関係のある発光のスペクトル強度を正確に補正することができる燃焼解析装置、燃焼解析システム、燃焼解析プログラムおよび燃焼解析方法を提供する。
【解決手段】  ハイパースペクトルデータを用いて燃焼場における燃焼を解析する燃焼解析装置１であって、燃焼場における一次元のハイパースペクトルデータを取得するハイパースペクトルデータ取得部６２と、一次元の燃焼場画像を時系列に沿って表示する燃焼場画像表示部６３と、燃焼場画像上で任意に指定された指定位置を検出する指定位置検出部６４と、指定位置における分光スペクトルを表示する分光スペクトル表示部６５と、燃焼を示す遊離基の波長に相当するスペクトル強度を補正するスペクトル強度補正部６６とを有する。
【選択図】  図１【図１】
0005647369.tif 000002
【図３】
0005647369.tif 000003
【図４】
0005647369.tif 000004
【図５】
0005647369.tif 000005
【図６】
0005647369.tif 000006
【図７】
0005647369.tif 000007
【図２】
0005647369.tif 000008