一种少投影光学层析新算法及其应用

研究少投影数情况下等离子体温度场重建问题。结合光学层析重建算法及等离子体光谱诊断中的谱线绝对强度法进行自由电弧等离子体温度场重建实验。理论上，详细讨论了一种基于最大熵准则及最优化原理的光学层析图像重建新算法。通过计算机数值模拟，考察了该算法对非对称温度场分布的重建效果。详细分析了投影噪声、投影方向数、场分布性质对重建精度的影响，并与代数迭代重建算法结果进行对比．结果表明，该算法以两个正交方向投影数据重建单峰余弦模拟场平均误差仅为0.3％，而代数迭代重建算法为3．81％；该算法以四个均匀角度间隔投影数据重建三峰随机高斯模拟场平均误差为1．77％，而代数迭代重建算法为2．02％。实验中，运用该算法结合谱线绝对强度法重建了自由电弧等离子体的温度分布。     

基于Curvelet和2DPCA的遥感图像融合算法

根据图像处理不同算法模型的特点,提出了一种基于Curvelet和2DPCA变换相结合的遥感图像融合算法。首先,对多光谱图像进行2DPCA变换,获得其最佳投影轴集合U及特征向量矩阵Q,按照投影规则将多光谱图像投影到U上,得到各主成分分量Yk;再将与多光谱图像进行过直方图匹配的高分辨率图像投影到Q上,获得其主成分PanM及其它主成分分量,将PanM与Yk分别进行Curvelet变换,得到对应的高、低频系数;然后,根据相应的融合规则,对处理后的系数进行Curvelet逆变换,得到融合子图像;最后,将高分辨率图像的其他主成分分量与融合子图像进行2DPCA逆变换得到融合后图像。应用多光谱图像和高分辨率图像进行了融合实验,并将实验结果与其他方法进行比较。实验结果表明,该方法能够在保持源数据光谱特性的同时,较好的提高空间分辨率。     

基于快速傅里叶变换和汉克耳变换的逆阿贝尔变换

激光等离子体实验中的轴对称的Ｘ光的体发射强度及光学全息干涉的测量,需要采用逆阿贝尔（Ａｂｅｌ）变换。用快速傅里叶变换（ＦＦＴ）和汉克耳（Ｈａｎｋｅｌ）变换的算法数值求解逆阿贝尔变换,具有精度高、可在频域内滤波的特点。     

考虑旋转中心标定误差的中子偏置计算机断层扫描成像方法

中子偏置CT(computed tomography)扫描是一种有效的大尺寸样品层析检测方法,但投影数据截断会导致较大的CT系统转台旋转中心标定误差,严重影响成像质量。基于投影数据对称性原理,提出了一种计算旋转中心左侧和右侧投影数据和之间方差的偏置CT扫描旋转中心精确标定算法。设计了对称补数据重建算法和投影数据预处理重建算法,验证得到,对称补数据重建算法对旋转中心标定误差更为敏感,较小的误差值会导致补齐后投影数据出现拼接缝以及拼接错位问题。提出了一种中子投影数据噪声仿真方法,设计的三维仿真模体验证了所提标定算法与投影数据预处理重建算法在不同旋转中心偏置大小以及不同强度投影噪声条件下的性能优势。基于反应堆中子源开展了中子偏置CT扫描成像验证实验,获得了样品清晰的内外部结构细节,中子CT成像系统的成像视野扩大了31.4%。     

用于电介质中空间电荷分布测量的Tikhonov反卷积算法

研究了使用压力波法测量平板电介质试样的空间电荷分布的数值解法,使用基于Tikhonov正则化方法的反卷积算法得到了真实的空间电荷分布.在反卷积算法中使用了相关的技术处理,如小波包过滤高频噪音,Tikhonov正则化方法处理积分方程等.利用数值实验研究了噪声对反卷积算法的影响,结果表明,在无噪或者低噪环境下,反卷积算法能够非常好地计算出电介质中的空间电荷分布;在处理有噪数据时,反卷积的结果受到明显的影响,但仍然有较高的计算精度.正则化参数α对空间电荷分布的数值解起着明显的光滑作用,但是对于解的积分值却影响不大.对实际测量数据进行处理的结果表明,反卷积算法成功地计算出了固体电介质中的空间电荷分布和电场分布.     

基于实时帧迭代反向投影算法的图像序列超分辨率处理

提出一种实时帧迭代反向投影算法实现对图像序列的超分辨率处理。通过建立虚拟全景图像及其迭代权阵,实现迭代反向投影的逐帧处理,从而可实时地对视频图像序列作超分辨率处理。另外还采用了基于光流计算的分层迭代图像配准、双线性插值模拟采样、阈值先验约束、坐标系同步变换等技术来提高算法的有效性。通过对仿真和实际视频序列的处理对算法进行了验证。     

迭代正则化方法求解电介质中空间电荷分布

首先介绍了迭代正则化方法的理论基础,建立了含有空间电荷密度分布的Fredholm第一类积分方程的反卷积算法,利用数值实验研究了加性高斯白噪声对迭代反卷积算法的影响,以及迭代停止标准对非适定问题的数值解的影响,最后使用该方法求解电介质样品中的空间电荷分布.结果表明,在无噪或者低噪环境下,反卷积算法能够非常好地计算出非适定问题的解.当噪声影响增大,信噪比降低时,反卷积的计算结果受到明显的影响.迭代停止标准对数值解的计算精度起着明显的作用.对实际测量数据进行处理表明,迭代正则化反卷积算法能够计算出固体电介质中的空间电荷分布.     

螺旋锥束CT中两种解析重建算法的研究

 研究了锥束螺旋Katsevich和FDK重建算法,并对这两种算法进行比较。实验结果表明：当投影数据没有噪声的时候,FDK算法和Katsevich算法均能取得较好的效果,当对实际物体进行重建的时候,投影数据含有噪声, Katsevich算法需要对投影数据求导,而它对投影数据的噪声较敏感,重建质量有所下降。     

电弧等离子体温度场中Abel逆变换的数值算法分析

针对电弧等离子体温度场分析中Abel逆变换的计算,提出了3种数值解法:三次样条插值法、Radon逆变换法以及离散数据曲线拟合法.通过对单峰、双峰型函数的验证,分析了3种方法各自的特点,得到这3种方法在精度、程序实现性以及积分奇异点处理等方面的比较,指出了在不同实际温度场分析计算中3种方法各自的优势.     

适合光学图像数据压缩的图像对称化方法研究

研究了对图像进行对称化处理和频域规范化处理后信息熵和数据总量的变化,将需传输的数据总量作为衡量标准,找到了适合光学图像数据压缩的最佳对称化处理方法,理论推导和实验结果均表明,采用四个象限全对称处理后的图像在频域全为实数且数据量较小,具有与离散余弦变换相同的频域特性,从而得到了采用光学方法实现离散余弦变换及图像数据压缩的一种可行的方法。     

Study on 3-D arc plasma fields with holographic interferometry

In this paper,serveral temperature(refractive index)fields which are de-scribed by different kinds of functions are reconstructed by computer simulations based onholographic tomography theory.The obtained results are compared and analyzed.We de-signed a special multibeam holographic system in which the disturbance from the intense arclight can be filtered.With the system multidirectional holographic interferograms of arc fieldscan be taken simultaneously.We also calculate the quantitative distributions of temperature,the number density of particles and ionicity at a typical section of the argon arc field from theexperimeantal data.     

基于Boltzmann光谱法的焊接电弧温度场测量计算

电弧等离子体是非均匀等离子体,其内部进行着复杂的能量和质量输运过程,等离子体的温度测量具有重要意义。Boltzmann作图法测量温度较谱线绝对强度法、标准温度法等测温方法更为方便。基于Boltzmann作图法原理,对TIG电弧进行实时的空间扫描,分析了谱线的选取原则,测量计算出TIG焊电弧等离子体的温度场分布。     

基于标准温度法的电弧高温区自动判别研究

在电弧等离子体的光谱诊断中,标准温度法测温原理与目前先进的图像传感技术相结合,通过特征谱图像完成电弧全场温度信息采集,因其良好的时、空分辨率而被广泛应用于电弧温度测量。但是谱线的发射系数与等离子体温度不是单调变化关系,传统标准温度法选取一条ArⅠ谱线完成对电弧等离子体的测量,在电弧内部的高温电离区域产生谱线辐射强度降低的现象,需要人为判定电弧不同位置所处的温度区间才能完成温度的计算,整个过程无法通过软件自主完成。针对此问题,根据电弧等离子体的局部热力学平衡条件,探索一种基于双特征谱线的标准温度法测温原理,通过融合电弧在外层低温区域聚集的Ar原子发出的ArⅠ谱线发射系数场,和在高温区域的Ar一次电离离子所发出的ArⅡ特征谱线发射系数场,将达到ArⅠ谱线标准温度的位置处的ArⅡ谱线发射系数作为电弧不同温度区域的判定依据,完成电弧等离子体高温区域的自动判别,继而应用ArⅠ谱线发射系数与温度对应关系在电弧高、低温区域分别计算电弧温度,消除单一的ArⅠ谱线发射系数场暗区给计算带来的不利影响;设计并搭建了一种镜前分幅采集系统,其中分光镜将弧光等能量分成两束,利用两组反射镜和窄带滤光片建立起两路光学通道,使CMOS在一次曝光中完成两组电弧特征谱图像的采集,并且两幅图像的采集时刻、焦距、光圈等拍摄参数完全一致,达到良好的时间、空间一致性,从而减小谱线融合时误差的输出,满足了原位获取两组电弧特征谱图像的需求;为验证测量系统可行性以及后期的电弧图像提取,以黑白棋盘为标靶,用Harris算子对系统采集的图像进行扫描,根据角点坐标证明系统所采集的两幅图像具有良好的一致性,并且据此将两幅图像做归一化处理,以便后期的电弧特征谱图像的提取;通过假设所测电弧等离子具有轴对称属性,以CMOS所采集的特征谱图像亮度信息作为电弧发射系数场在不同角度下的投影依据,经过中值滤波降噪后,利用ML-EM迭代重建算法求解电弧的三维发射系数分布。实验中,选择受自吸收效应影响较小的ArⅠ696.5 nm谱线和ArⅡ480.6 nm谱线为测量目标,并且在696.5 nm谱线的光通路中加入OD0.4的中性减光片,使两幅特征谱图像的最高亮度值保持一致。选取150A焊接等离子弧为测量对象,经ML-EM法三维还原后,将两条谱线发射系数场等像素融合,在ArⅠ谱线发射系数达到最大值的像素点位置处,ArⅡ谱线发射系数达到ε_rp,判定ArⅡ谱线发射系数大于ε_rp的像素点位置为电弧高温区域,其余位置为低温区域,最终在不同温度区域自动完成焊接等离子弧的温度计算。实验结果表明696.5 nm谱线和480.6 nm谱线发射系数场融合后可以自动识别电弧高温区域,继而完成电弧等离子体的自动测量,为电弧温度实时监测的实现提供更多可能。     

超声复合电弧声调控特性研究

超声复合电弧作为一种新的焊接热源, 在电弧焊接过程中可利用超声实现对熔融金属的深度处理, 但是超声与电弧等离子体间相互作用机理还不清晰, 这成为阻碍该技术工程应用的关键问题. 本文通过实验与相应理论针对外加超声场对焊接电弧调控特性进行了研究. 为说明电弧特性, 针对试验中高速摄像采集的电弧图片进行了处理. 对比未加超声情况, 超声复合电弧受内外声场共同作用等离子体拘束程度明显提高, 电弧亮度增强, 弧柱高温区范围扩展至阳极, 中间粒子出现团聚并以一定频率上下抖动. 通过改变超声激励电流大小和声发射端高度, 电弧结构产生显著变化, 在谐振点附近, 电弧挺直度最强, 脉动频率最大. 试验结果显示通过外加超声可以达到对焊接电弧热等离子体调控的目的. 最后结合波动方程和二维声边界元模型, 分析了电弧内部声传播过程以及声场结构对等离子体粒子的作用规律, 这为进一步理解超声对电弧的调控机理打下良好基础.     

Observation of arc modes in a magnetically rotating arc plasma generator

An arc plasma can present various forms under the influence of an external magnetic field. In this study, a magnetically rotating arc plasma generator has been developed to produce three arc modes, namely rigid arc, distorted arc, and diffuse arc, which are obtained by controlling the gas flow rate. The evolution of these arc modes are experimentally studied and discussed. Results show that, as the gas flow rate increases, the arc mode is first transformed from the rigid to the distorted mode, and then to the diffuse mode. Comparisons show that the location of the arc attachment is a key factor in determining the rigid and distorted modes. The diffuse arc is observed under larger gas flow rates, but the completely diffuse arc can exist only within a narrow range of gas flow rates. Compared to the distorted arc, the diffuse arc has not only better stability but also a wider high‐temperature plasma zone, which indicates that the diffuse mode may be more useful in industry.     

基于光谱诊断的氩-氮P-TIG焊引弧的动态电弧物理特性研究

焊接电弧等离子体的物理特性直接决定了焊接接头的成形形貌,分析双组分保护气体的脉冲钨极惰性气体保护焊（P-TIG）动态电弧物理特性,为深入开展混合气体保护焊的焊缝成形物理过程研究提供理论基础。氩-氮混合气体保护焊电弧具有高热特性可以增加熔深,但在焊接前混合均匀的保护气体,引弧后气体浓度会重新分布,使电弧等离子体物理特性的实时动态变化特点变得复杂。光谱诊断是电弧等离子体物理特性测量的最重要手段,但对双组分气体保护的P-TIG焊电弧特性的研究仍需深入进行,特别是对于易引起缺陷的起弧过程,其动态物理特性亟需深入分析。针对氩-氮混合气体P-TIG焊的引弧过程,以P-TIG焊产生的氩-氮双组分电弧等离子体为研究对象,提出利用窄带滤光片与CCD相结合的高速摄影实验系统采集双组分电弧等离子的动态光谱信息,获取特征谱Ar Ⅰ 794.8 nm和N Ⅰ 904.6 nm的P-TIG焊电弧光谱强度动态分布;提出利用双元素双组分标准温度法计算P-TIG焊引弧过程中距离钨极下方1,2,3和4 mm位置处电弧等离子体的动态温度及浓度,定量分析80%Ar+20%N₂保护的P-TIG焊从引弧至电弧稳定过程的电弧等离子体物理特性实时分布。实验结果表明,80%Ar+20%N₂保护的P-TIG焊电弧强度、电弧温度及浓度的变化均与脉冲电流的变化同步,焊接电流在3 ms内达到稳定状态,而电弧等离子体的强度、温度及浓度需要更长时间达到平衡状态。从起弧到电弧等离子稳定燃烧的过程中,基值期间和峰值期间的电弧等离子体强度均呈现先升高再降低的趋势;由于阴极的热传导及电流密度的变化,使得电弧等离子体轴向位置的峰值温度及基值温度均出现迅速升高再缓慢降低的现象;由于粒子间碰撞及摩擦力的影响,使得电弧等离子体的峰值及基值期间氩的浓度均呈迅速减小再缓慢增加的趋势,且氩的浓度均低于焊前浓度。     

多目标优化发射层析算法在等离子体场光谱诊断中的应用

提出一种基于多目标优化原理的发射光谱层析(EST)图像重建新算法MCIRT.通过计算机数值 模拟，考察了该算法对非对称发射系数场分布的重建效果.结果表明，与传统层析算法相比 ，MCIRT算法具有收敛快，重建精度高的优势，适合于非完全数据情况下的等离子体发射系 数场重建，并且实时性更好.作为一个应用实例, 运用谱线相对强度法重建了自由电弧等离 子体的三维温度及粒子数密度分布. 关键词： 等离子体诊断 图像重建     

Production of a large area diffuse arc plasma with multiple cathode

An arc channel at atmospheric pressure tends to shrink generally. In this paper, a non-transferred DC arc plasma device with multiple cathode is introduced to produce a large area arc plasma at atmospheric pressure. This device is comprised of a 42-mm diameter tubular chamber, multiple cathode which is radially inserted into the chamber, and a tungsten anode with a nozzle in its center. In argon/helium atmosphere, a large area and circumferential homogenous diffuse arc plasma, which fills the entire cross section surrounded by the cathode tips, is observed. Results show that the uniformity and stability of diffuse arc plasma are strongly related to the plasma forming gas. Based on these experimental results, an explanation to the arc diffusion is suggested. Moreover, the electron excitation temperature and electron density measured in diffuse helium plasma are much lower than those of constricted arc column, which indicates the diffuse helium plasma probably deviates from the local thermodynamic equilibrium state. Unlike the common non-transferred arc plasma devices, this device can provide a condition for axial-fed feedstock particles. The plasma device is attempted to spheroidize alumina powders by using the central axis to send the powder. Results show that the powder produced is usually a typical hollow sphere.     

引入6波段P-1辐射模型的三维空气电弧等离子体数值分析

引入了6波段P-1辐射模型,对三维空气电弧等离子体进行了仿真分析.其特点是不仅考虑了热辐射的发射问题,同时考虑了等离子体内热辐射的自吸收问题.通过计算获得了空气电弧等离子体温度和辐射能量的分布并进行了相应的分析.与净辐射系数方法相比较,P-1模型获得的温度分布较宽,其弧柱电压值更接近于实验测量值.研究表明,6波段P-1辐射模型能够更精确地求解空气电弧等离子体的辐射问题. 关键词： 热辐射 P-1模型 空气电弧等离子体 磁流体动力学