基于截断奇异值分解的三维火焰温度场重建研究

利用CCD摄像机得到的火焰辐射能图像进行炉膛三维火焰温度场重建，但温度重建矩阵方程是一个不适定方程组，从而重建问题是一个不适定问题.应用截断奇异值分解(truncated singular value decomposition，TSVD)的正则化方法对该不适定方程组进行求解，并且采用了L曲线法对正则化参数进行选取.结合重建算例，采用奇异值分解(singular value decomposition，SVD)与离散Picard条件对这个不适定问题进行了分析.重建结果表明，在不同的模拟测量误差下，TSVD能够成功得到合理的解，重建温度场较好的再现了原始假设温度场的特征.     

基于正则化SVD算法的三维温度场声学重建

针对电站锅炉炉内三维温度场重建问题,基于声学理论构建数学模型.提出两种基于奇异值分解法(Singular Value Decomposition,SVD)的正则化算法,利用少量声学数据,对炉膛火焰分布的几种典型模型进行仿真重建.采用不同标准差的高斯噪声对两种算法的抗噪声能力进行检验.仿真结果表明,正则化SVD算法可以解决严重不适定的重建问题,重建温度场能够准确反映温度场分布,并且算法具有一定的抗噪声能力.TSVD正则化算法重建速度更快,抗噪声能力更强,适用于燃烧情况复杂的电站锅炉.     

基于阻尼LSQR-LMBC的火焰三维温度场重建

光场相机可以解决辐射测温多相机系统光路复杂、同步触发难等问题,在辐射成像三维温度重建时有其独特优势. LSQR是求解基于大型稀疏矩阵最小二乘问题的经典算法,该算法用于重建三维温度场时对温度初值依赖较大,在信噪比较低的情况下重建精度不理想.本文提出阻尼LSQR-LMBC重建算法,通过在LSQR方法中添加阻尼正则化项,提高火焰三维温度场重建的抗噪性能,并结合LMBC算法,实现吸收系数和三维温度场同时求解.在数值模拟部分,随着信噪比逐渐降低,阻尼LSQR的重建效果比LSQR更加稳定,在信噪比达到13.86 d B时,重建精度大约提高30%.阻尼LSQR-LMBC的平均重建误差为6.63%.用丁烷火焰进行了实验,重建的丁烷火焰三维温度场分布符合辐射火焰燃烧的特征,和热电偶的测温数据结果进行对比,相对误差在6.8%左右.     

火焰温度场测量中的图像重建算法融合技术

稀疏角度下图像重建算法的研究是发射光谱层析技术在场分布测量方面应用的关键问题。代数重建算法、同时迭代重建算法以及联合代数重建算法是其中应用较为广泛的迭代类图像重建算法。以蜡烛火焰为重建对象,利用均方差、峰值信噪比、结构相似性和图像平均梯度等图像质量评价指标来分析评价不同算法的图像重建效果,并发展了一种多指标优化算法融合的技术,充分利用三种算法的恢复重建优势,实现了火焰三维温度场的分区重建,重建温度误差在5%以内。实验结果证明,所发展的算法融合技术适用于火焰三维温度场的高质量重建。     

非对称碳氢扩散火焰内烟黑浓度与温度联合重建模型研究

基于烟黑热辐射传递过程,提出了非对称碳氢扩散火焰断面内烟黑浓度和温度分布的联合层析重建模型.应用最小二乘QR矩阵分解算法模拟分析了传感器数量和布置方式对重建结果的影响以及模型的抗噪能力.计算结果表明,当4个320像素线阵电荷耦合辐射投影传感器(CCD)成非正对布置时,浓度场重建结果最大误差小于2.5%,温度场重建结果最大误差小于0.2%.此外CCD正对布置将导致重建误差向中心聚集.从对含噪声数据的重建结果看,应用联合层析重建模型,辐射能传感器的信噪比不应低于60dB. 关键词： 非对称火焰 层析重建 最小二乘QR矩阵分解算法 联合重建     

声学CT复杂温度场重建研究

为提高声学CT复杂温度场重建能力,提出一种利用Markov径向基函数逼近和Tikhonov正则化的温度场重建算法,简称MTR算法。该算法首先用Markov径向基函数的线性组合,逼近介质中的复杂声速场分布,然后利用介质中多路径声波传播时间和Tikhonov正则化法,求解声速场分布,进而利用声速与温度的关系获得温度分布。对单热点、三热点和五热点温度场模型进行了仿真重建,结果表明MTR算法热点定位精度高,重建误差小。开发了声学CT温度场重建实验系统,用电加热器在内装1200 kg大豆的实验粮仓中形成热点,MTR重建结果能正确反映热点位置,热点温度重建误差1.3%。可见,MTR算法复杂温度场重建能力强,可望用于实际储粮温度分布监测。      

加热炉断面温度场和固相辐射参数检测研究

通过在一台步进式加热炉均热段的南北侧墙上安装2支火焰探测器,获取火焰在红、绿波长下的近似单色辐射强度图像,利用修正的Tikhonov正则化方法从绿色单色辐射强度信息中重建炉内温度分布,同时以红色单色辐射强度作为最优化目标重建炉壁和空间固相辐射参数分布。检测结果表明,该重建算法可以较好地同时重建出温度场与固相辐射参数。     

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。     

SPSO同时反演乙烯火焰温度和碳黑浓度的实验研究

本文用一台测量范围为500～1100nm的便携式光谱仪对乙烯火焰30mm和50mm两个高度进行扫描,通过黑体炉标定对测量值进行修正得到单色辐射强度,进一步采用随机微粒群算法(SPSO)同时重建出火焰在这两个高度处的温度和碳黑浓度分布.与Abel逆变换以及Tikhonov正则化算法的对比,表明了SPSO方法在同时重建轴对...     

扇束辐射层析技术重建三维流场

运用扇束扫描数据采集系统获得三维流场辐射谱强度数据,并采用重排算法及MART技术相结合作为扇形束辐射层析重建算法.通过数值模拟进行了算法检验并确定了系统旋转及扫描参数.最后,根据该扇束辐射层析技术进行了热等离子体三维流场重建实验.结果表明：用该方法重建的温度场与文献所得结果相近(重建温度范围都在4000～14000 K之间),重建三维等离子场电子(离子)数密度场范围在10×1015～70×1015个/cm3之间.     

The application of regularization technique based on partial optimization in the nearfield acoustic holography

The regularization technique for stabilizing the reconstruction based on the nearfield acoustic holography(NAH) was investigated on the basis of the equivalent source method.In order to obtain higher regularization effect,a regularization method based on the idea of partial optimization was proposed,which inherits the advantages of the Tikhonov and another regularization method—truncated singular value decomposition(TSVD).Through the numerical simulation,it is proved that the proposed method is stabler than the Tikhonov,and more precise than the TSVD.Finally the validity and the feasibility of the proposed method are demonstrated by an experiment carried out in a semi-anechoic room with two speakers.     

光偏折层析的Tikhonov正则化重建技术

从不适定问题的求解思想出发,建立了使用Tikhonov正则化方法计算流场参量分布的光偏折层析重建技术。理论上详细讨论了偏折信息的转化、投影方程组的正则化、以及由共轭梯度法实现求解等三个主要步骤。用数值模拟考察该方法对非对称温度分布的重建效果,分别计算了对应不同采样数的欠定与超定投影方程组。结果表明,10次迭代后重建分布的平均误差和峰值误差分别为2.1%和5.2%。使用正则化方法对采集的多方向叠栅偏折投影进行计算,重建出双峰温度场。结果表明,使用正则化方法的双峰值相对误差略高,迭代次数减少,可提高重建效率。     

三维复杂温度场高精度声学测量方法

声学温度场检测技术通过多路径声波传播时间数据,反演被测区域的温度分布。提供了一种高精度的三维复杂温度场的声学测量方法。首先从射线声学角度给出了三维非均匀温度场中声波传播路径的数学模型。在此基础上,将三维温度场的重建问题转化为声波传播路径的求解和温度场的反演问题,建立了基于多项式修正径向基函数(RBF-PR)和改进的Tikhonov正则化三维温度场重建算法。采用两种典型的炉膛三维温度场模型,在信噪比SNR=35 dB下进行了数值模拟,分析了声波传播路径在非均匀温度场中的弯曲特性、算法的重建质量和抗噪性,同时进行了实际炉膛内二维温度场的重建。结果表明了提出的考虑声线弯曲的温度场重建算法具有精度高,抗噪性强、适用性好的特点,为实现高精度的复杂温度场的声学测量提供了有效方法。      

Transient nearfield acoustic holography based on an interpolated time-domain equivalent source method

Transient nearfield acoustic holography based on an interpolated time-domain equivalent source method (ESM) is proposed to reconstruct transient acoustic fields directly in the time domain. Since the equivalent source strengths solved by the traditional time-domain ESM formulation cannot be used to reconstruct the pressure on the source surface directly, an interpolation function is introduced to develop an interpolated time-domain ESM formulation which permits one to deduce an iterative reconstruction process. As the reconstruction process is ill-conditioned and especially there exists a cumulative effect of errors, the Tikhonov regularization is used to stabilize the process. Numerical examples of reconstructing transient acoustic fields from a baffled planar piston, an impulsively accelerating sphere and a cube box, respectively, demonstrate that the proposed method not only can effectively reconstruct transient acoustic fields in the time domain, but also can visualize acoustic fields in the space domain. And, in the first numerical example, the cumulative effect of errors and the validity of using the Tikhonov regularization to suppress the errors are described.     

联合波叠加法的全息理论与实验研究

当空间声场中同时存在多个相干声源时，运用常规近场声全息方法无法重建每个相干声源表面的声学信息，当然也无法预测每个声源单独产生的空间声场，相干声场的全息重建与预测已成为全息技术推广应用过程中亟待解决的问题.在提出联合波叠加法并将其应用于空间声场变换的基础上，对其进行了实验研究.通过对实际相干声场的全息重建与预测，验证了常规波叠加法在相干声场重建中的局限性、联合波叠加法在相干声场全息重建与预测过程的可行性和准确性，还研究了Tikhonov正则化方法在抑制声学逆问题的非适定性中的有效性和滤波系数的选择原则的可行性，以提高全息重建与预测的精度. 关键词： 近场声全息 联合波叠加 相干声场 Tikhonov正则化     

Spatial resolution limits for the reconstruction of acoustic source strength by inverse methods

One method for deducing the strength of an acoustic source distribution from measurement of the radiated field involves the inversion of the matrix of frequency response functions relating the field measurement points to the strengths of a number of point sources used to represent the source distribution. In practice, the frequency response function matrix to be inverted may very often be ill-conditioned. This ill-conditioning will also often result in an ill-posed problem and thus regularization algorithms are used to produce reasonable solutions. For this purpose, Tikhonov regularization has been applied, and generalized cross-validation (GCV) has been introduced as an effective method for determining the proper amount of regularization without prior knowledge of either the source distribution or the contaminating errors. In the present work, the emphasis is placed on the relationship between the spatial resolution of the reconstructed source distribution and the small singular values of the frequency response function matrix to be inverted. However, the use of Tikhonov regularization often suppresses the effect of small singular values and these are in turn often associated with high spatial frequencies of the source distribution. Thus, the process of regularization produces a useful estimate of the acoustic source strength distribution but with a limited spatial resolution. Furthermore, in the field of Fourier acoustics, the spatial resolution of the reconstructed source distribution is usually limited by the wavelength of the radiation. This paper expresses the relationship between estimation accuracy, spatial resolution, noise-level and source/sensor geometry, when a range of inverse sound radiation problems are regularised using Tikhonov regularization with GCV. The results presented form the basis of guidelines that enable the reconstruction of acoustic source strength with a resolution that is finer than the intrinsic half-wavelength limit.