基于激光吸收光谱技术的燃烧场气体温度和浓度二维分布重建研究

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术和代数迭代算法（ART）实现燃烧场温度和浓度二维分布重建．采用时分复用技术,在1kHz扫描频率下分别扫描H2O的两条吸收谱线,7205．25和7416．05cm^-1,对温度分布在300-1100K范围内的气体温度场进行了重建．研究了投影角度和投影光线数目对温度场和浓度场重建结果的影响,并将温度场重建结果与热电偶测量结果进行比较,结果表明,采用四个投影方向时,温度场重建结果与热电偶测量结果除中心低温区域外基本符合．当光线数目减少时,通过在两条光线间增加虚拟光线,代入到迭代算法中,增加光线数目,提高了温度场和浓度场的重建效果．但此方法受到燃烧场温度梯度大小的影响,即在两条光线之间气体温度梯度较大,增加虚拟光线提高温度场重建效果不明显．     

基于PMD的反射镜面检测实验分析

将相位测量偏折术应用于非球面反射镜面形检测,并对实验检测结果的中高频误差进行了分析研究。计算机产生正弦性条纹图,并且显示在薄膜场效应晶体管显示屏上。摄像机通过被测反射镜观察并拍摄显示屏上的条纹图。利用相移技术和相位展开技术计算得到相位分布。以相位信息为载体对光线进行追迹,并根据反射定律得到面形梯度分布,由数值积分重建面形分布。最后使用泽尼克多项式拟合分析了其中高频误差。     

平面光学元件PMD面形检测的调整技术研究

针对相位测量偏折术(PMD)检测平面光学元件面形的光路结构,系统地分析了各部件因各自由度的不确定度变化对重建面形的影响,并且提出了一种高精度的平面元件调整方法。通过对相移算法得到的显示器坐标与通过光线追迹得出的参考面显示器坐标进行比较,能够将被测镜调节至理想测试状态,从而能准确求出被测面上各点斜率,再采用波前重建算法,实现了光学元件面形重建。实验结果显示,有效口径为Ф140mm的平面元件在去掉Zernike多项式前6项的面形数据与干涉仪的测量结果差值在RMS=5nm以内,结果远优于未经过该方法调整的结果。因此,该调整方法可行,能够有效完成对平面元件的精密调整,具有很大的应用价值。     

基于L-K局域光流的空间视线坐标法面形测量技术

提出了一种基于L-K局域光流的空间视线面形测量技术.测量系统由一个投影仪和一个CCD摄像机组成,采用小投影角度的投影方式.通过投影光线与视线(观测光线)的交点坐标,直接计算得出被测物体三维面形高度分布,其中条纹图中观察位置的变化由L-K光流算法计算得到.建立了在点光源投影条件下投影光线与视线交点坐标、光流与被测物体面形高度之间的关系.模拟与实验结果证明该方法能够准确恢复被测物体高度.与传统面形测量方法不同,视线光流面形测量技术不需要采集多幅条纹图像,也无需计算条纹频率和物体相位值,只需两幅条纹图即可恢复物体面形高度分布.     

基于空间直线预标定检测光学元件面形的研究

基于斜率检测的相位偏折术能够快速、简单、准确地测量光学元件面形和透射光学元件畸变波前。借助点光源显微测量系统对参考点坐标的准确测量提出了空间直线预标定的方法,利用它得到了相机中CCD面阵上每个像素对应每条光线的方向向量,通过每条光线的方向向量和被测面方程,追迹得到了被测面的世界坐标,从而求出被测面上各点斜率,采用波前重建算法,实现了光学元件面形的准确重建。实验结果显示,拟合面形去掉Zernike多项式前4项的RMS数据与干涉仪的测量结果最大相差仅约10nm,并且实验中重建的面形与利用张正友提出的标定方法坐标计算重建的面形几乎相同。因此,空间直线预标定法切实可行,可以实现高精度的反射光学元件面形测量,且测量系统简单,具有应用价值。     

基于光线偏折的复杂流动密度重建方法

由穿过扰动流场的光线偏折角测值重建流场密度,对深入认识复杂流动现象具有重要的意义。在由风洞视频测量方法得到穿过扰动流场光线偏折角的基础上,开展了复杂流动密度重建方法的研究。根据密度与折射率、光线偏折角的关系,运用变分法推导了带有先验信息的密度偏微分方程;通过人工神经网络对测量数据进行建模,有效抑制了由局部峰值丢失带来的误差放大问题。数值仿真和风洞实验结果表明,本文方法所得的密度重建结果明显优于直接求偏导数方法,尤其是在峰值处,本法方法在量值上具有更高的精准度,为复杂流动结构的定量分析提供了新途径。     

网格基任向偏导实现及层析应用

将光线偏折方程中的任向偏导转化为数值差分形式,并应用于层析线性运算.网格化待测场,将微分待测场的每一正方形网格及相应折射率近似为曲面底的正圆锥体,圆锥体顶端的折射率值对应该网格的折射率,在底面的投影对应网格的中心.假设紧邻三网格中心间的折射率分布共平面,在一个网格宽度内将偏导转化成数值差分形式.结果发现：基于上述近似和假设,可以将任意探测光线相关的偏导转化为数值差分形式,将非线性偏导方程转化为线性差分方程,建立层析方程.于是,偏折角可以作为投影直接重建.     

基于结构光的光线追迹与波前重建方法

提出一种基于结构光条纹成像的光线追迹和波前重建方法.以结构光条纹相位为信息载体,采用相移技术精确地测量结构光条纹成像过程中相位的变化,实现高分辨的光线追迹,得到点列图.由于光线传播方向与波前垂直,凶此可以实现波前重建.将一个液晶显示器(LCD)置于点光源后,显示正弦灰度调制光栅图样以产生标准条纹光束.条纹光束通过被测光学元件后,发生变形.CCD记录下变形条纹图样,根据相移技术进行处理,计算后完成测量.由于调制光栅图样是由计算机产生的,所以光栅的周期和方向可以灵活设置,并可以实现精确的相移.实验验证了该方法的可行性.     

三维面形测量中基于模版匹配的变形条纹修复

在基于条纹投影和相位分析的三维面形测量中,由于被测物体表面标志点或复杂面形的阴影遮挡存在,会造成变形条纹局部区域的条纹数据缺失,影响相位和高度信息的最终重建,需要人为地对缺失图像信息进行修复。提出了一种新的缺失条纹数据修复方法——基于模版匹配的图像修复算法,通过图像中已有条纹信息(特别是与待修复区域周围相位信息相似度较高的已知条纹信息)对缺失的变形条纹信息进行估算,实现数据修复。该方法修复效果好,运算过程无需人为参与,便于计算机自动实现,尤其适合于待修复图像整体结构明显、纹理清晰图像的数据修复,有助于提高被测物体相位计算质量和在此基础上的三维面形重建质量。     

重力作用功能梯度材料一维凝固过程数值模拟

本文用数值计算的方法对重力浇铸下功能梯度材料的凝固过程进行了数值模拟,分析了各种因素对颗粒分布的影响,并与实验结果进行了比较。结果表明,在形成的凝固体上部有一颗粒体积分数近于零的区域,而在靠近底部的区域内颗粒形成一种梯度分布．高的初始过热度或高的冷却温度将会使底部梯度区内颗粒体积分数略有增大,低的颗粒初始体积分数或小的颗粒尺寸会使底部梯度区范围增大,而梯度区内颗粒体积分数减小。     

基于多波长激光吸收光谱技术的气体浓度与温度二维分布遗传模拟退火重建研究

利用可调谐半导体激光吸收光谱技术实现气体浓度温度二维分布重建.设计了气体浓度温度二维分布重建测量系统,采用四路波分复用技术以减少投影光路布置数量和增加气体吸收测量信息.针对于图像重建过程中建立的非线性投影方程组,将遗传算法与模拟退火算法相结合进行求解,在实现全局最优搜索基础上提高算法搜索效率.建立燃烧环境下H2O浓度温度二维分布模型,借助于近红外波段1.3—1.5μm范围内4条H2O气体吸收谱线,利用数值模拟计算方法进行了气体分布重建,重建结果与模型符合得很好.通过在投影数据中添加不同比例的随机误差,考察其对气体分布重建结果的影响.研究表明,气体浓度分布重建结果对于投影误差不敏感,而增加投影误差幅值将导致温度分布重建均方误差增大。     

基于聚焦型光场相机的火焰温度场重建

光场成像技术可以在一次曝光中,同时记录下入射光线的空间分布信息和传播方向信息,能够得到更丰富的热辐射信号。本文利用聚焦型光场相机对三维火焰进行了光场采集,并利用这些光场信息通过截断奇异值分解(TSVD)重建了不同火焰的三维温度场分布,在重建过程中考虑了光场相机白图像的特点,剔除了对重建不利的无效像素,并且分别对均匀分布、轴对称分布和非轴对称分布的火焰进行了温度场重建,重建结果表明均匀温度分布的重建结果最佳,轴对称分布的重建结果次之,非轴对称分布的重建结果最差。最后考察了不同测量误差下重建结果,重建结果表明在一定的测量误差范围内,TSVD方法的重建效果对测量误差不敏感。     

基于激光自混合干涉的物体旋转中心确定方法

在被测物体上设置一低反射率反射镜,激光器输出的激光束入射到反射镜上,激光束经反射镜反射反馈回激光器内.入射光线若偏离被测物体的旋转中心,当被测物体旋转时,将引起激光器的输出功率随角度变化的自混合干涉信号.当入射光线通过被侧物体的旋转中心时,被测物体的角度变化将不会导致回馈光的光程变化,被侧物体旋转时也就观测不到自混合干...     

H2O温度二维分布的滤波反投影重建

利用可调谐半导体吸收光谱技术实现燃烧场温度二维分布重建。设计H2O模型温度分布范围为300~1300 K,高斯型分布,利用Radon变换模拟实验测量结果。采用滤波反投影算法重建了两条吸收谱线强度场,进而得到气体温度二维分布,重建结果与模型符合较好。研究了不同投影数目和随机噪声对重建结果的影响,结果表明:随着投影数目的减少和噪声幅值的增加,重建温度分布均方误差增大,图像重建效果变差。当投影数目减小到4个,重建温度场已不能完全反映原始温度场信息。     

脉冲射线源三维中子成像重建算法研究

借鉴计算机层析成像方法,通过多角度成像的方式得到氘氚燃烧区三维分布信息.介绍了球谐函数分解、最大期望代数迭代两种具有代表性的极少角度三维图像重建算法,并提出将球谐函数分解重建结果作为最大期望代数迭代初始值的重建约束方法.该方法利用了激光、Z箍缩聚变靶具有一定球对称性的物理先验,既改善了球谐函数在极少角度投影重建表示能力...     

基于相移偏折法的高反射表面面形测量技术

利用单相机所采集的图像实现了对光滑高反射表面面形的直接检测.首先利用相机获取参考平面在标准平面镜中的镜像,然后通过参考平面上的点与归一化成像平面上图像点之间的密集折返对应关系,求得待测镜面的深度距离,从而实现对高反射表面面形的测量.通过光线追迹将该测量过程转化为求解物空间中关于两对应光线束之间的相交问题.以相位为载体获取面形梯度分布,求得该表面的法向量场,并求解相应的反射光线束.通过光线追迹对该光线束与相应入射光线束求“交点”检测高反射表面.对标准平面镜进行实验检测,测量得到的面形平面度为0.19 mm.采用传统方法与本文所提方法对汽车后视镜进行检测,所得检测结果对应点之间的平均距离为0.15 mm,验证了本文方法检测镜面面形的有效性.     

一种新的层次粒子滤波的目标跟踪方法

提出一种新的层次粒子滤波算法,选择局部区域特征点和颜色信息建立目标模型,引入粒子的二阶采样过程.算法通过粒子的一阶权重更新获得好的初始分布,二阶权重更新保证粒子的高置信度和高的采样效率,当粒子数目小于一定阈值时进行重要性重采样,利用仿射模型对目标区域精确定位及姿态修正.实验表明:改进算法将目标局部特征分布与目标颜色信息相结合,通过二阶采样过程,保证了局部特征跟踪的稳定性,解决了经典理论中误匹配导致的采样点发散问题,在目标部分遮挡情况下也可以完成实时目标跟踪.     

一种新的层次粒子滤波的目标跟踪方法

提出一种新的层次粒子滤波算法,选择局部区域特征点和颜色信息建立目标模型,引入粒子的二阶采样过程.算法通过粒子的一阶权重更新获得好的初始分布,二阶权重更新保证粒子的高置信度和高的采样效率,当粒子数目小于一定阈值时进行重要性重采样,利用仿射模型对目标区域精确定位及姿态修正.实验表明:改进算法将目标局部特征分布与目标颜色信息相结合,通过二阶采样过程,保证了局部特征跟踪的稳定性,解决了经典理论中误匹配导致的采样点发散问题,在目标部分遮挡情况下也可以完成实时目标跟踪.     

基于遮挡图像多尺度重建的表面缺陷检测

遮挡图像重建是无监督异常检测的主要方法之一，通过生成式模型对遮挡后的图像重建，根据重建差异来估计图像区域的异常分数，高异常分数区域即为缺陷区域。然而，现有方法仅采用若干个尺度相互独立的遮挡策略，使得模型缺乏对非规则遮挡图像的重建能力；在重建过程中图像缺失部分与完整部分的全局依赖性未被充分考虑。针对上述问题，提出多尺度网格的遮挡策略，并采用自注意力机制增强自编码器重建过程中对全局依赖性的刻画。实验结果验证了所提方法的有效性，与其他方法相比获得了更优的表面缺陷检测性能。     

基于分数阶Tikhonov正则化的激光吸收光谱燃烧场二维重建光路优化研究

为探究基于激光吸收光谱技术的燃烧场二维测量光路布置方式,实现有限投影下更精确的燃烧场二维重建,根据分数阶微积分理论,提出一种基于分数阶Tikhonov正则化的光路优化方法.将经典的整数阶Tikhonov正则化推广到分数阶模式,建立了基于分数阶Tikhonov正则化的光路设计目标函数.利用遗传算法分析(0,1)范围内不同阶数的计算结果,得到最佳光路布置方式.采用近红外波段7185.6 cm^-1的H₂O特征吸收谱线结合20条测试光路对10×10离散化网格区域进行计算,对比分析五种光路布置方式对多种分布模型的重建结果,结果表明,基于分数阶Tikhonov正则化的光路布置方式具有最佳重建效果.研究结果对有限投影条件下激光吸收光谱二维测量光路的优化设计理论研究具有重要意义,可以促进激光吸收光谱技术在复杂发动机燃烧场二维重建及燃烧效率提升方面的应用.