基于TDLAS的二维温度场分布反演软件设计

可视化的二维温度场分布反演软件对温度场重建分布起到了重要的作用。基于可调谐二极管激光吸收光谱(tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS)技术,结合代数迭代算法(algebraic reconstruction technique, ART)和Python设计语言,在读取两组积分吸光度的基础上,设计了二维温度场分布的可视化软件。软件结合激光吸收光谱技术和计算机断层扫描方法,封装了二维温度场重建的算法,在此基础上,添加可视化的操作界面,实现二维温度场重建的原始分布和插值后的分布。针对高斯分布的重建,与原始分布进行比较,结果显示,中心区域温度值较高,边缘较小。结果表明,ART算法和TDLAS技术的结合能够很好地实现二维温度场的反演,克服了TDLAS视线测量的缺陷。     

基于TDLAS检测技术的甲烷体积分数场重建研究

为了实现对甲烷体积分数场的2维分布重建,基于可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）检测技术,以甲烷为目标气体,采用直接吸收的测量方式,探测了甲烷氮气混合气的吸收光谱信号,通过代数重建算法对甲烷体积分数进行了模拟重建和实验研究,模拟重建采用了6×6共36个方格的正方形重建区域,假定一个方形区域内具有空穴的体积分数分布,模拟24条光束从4个方向穿过重建区域,获取了模拟光线下的投影值。结果表明,经过重复实验统计均方根误差在2.58%,对模拟投影信号加入不同信噪比（5%,10%,20%）的高斯白噪声之后再进行重建,均方根误差分别在4.17%~9.30%之间;实验研究采取面源泄露式扩散方式,并通过在中心附近放置石英柱的方式人为制造体积分数空穴,形成非均匀体积分数场,通过对放置障碍物前后的重建结果对比,能够看到在空穴位置有明显的体积分数下降。TDLAS技术与计算机断层重建技术在气体体积分数场的局部分布检测上有可行性,具备作为有毒有害气体云团体积分数分布检测手段的潜力。     

基于DSP的温度场重建

为了实现温度场的实时重建,采用高端数字信号处理器作为同时迭代重建算法的运算核心,实现发射光谱层析技术温度场的实时重建。通过实验取得了重建算法在高端数字信号处理器系统和PC系统下,所需要不同时间的数据。结果表明,通用PC无法实现发射光谱层折技术温度场实时重建,基于数字信号处理器的重建算法并结合通用PC机强大的控制和显示功能是温度场实时重建实现的较好方案。     

燃烧流场温度二维重建多吸收谱线重建方法

可调谐半导体激光层析技术可以实现对燃烧流场温度和组分浓度的二维分布测量。提出了一种基于多条吸收谱线组合的燃烧场温度二维重建方法,该方法利用每条吸收谱线对温度的敏感度不同,采取优化组合的方式得到每组吸收谱线对最佳的重建温度区域。文中使用四条H2O吸收谱线,模拟了温度在300~1 500 K范围时高斯分布和随机分布温度二维重建,比较了采用双线法和多条吸收谱线组合方法的温度重建结果。结果表明:采用吸收谱线组合方法和双线法的温度重建误差分别为0.039 6和0.095 2,吸收谱线组合方法可以有效提高重建结果质量。在实际工程应用中,当可以提前预估流场温度重建范围的情况,采用文中提出的多条吸收谱线组合方法可以二维重建结果质量。     

基于TDLAS的二维温度场重建算法

可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术结合层析成像(CT)算法能实现流场温度、浓度等信息的二维重建测量。为研究层析成像算法对温度场二维重建质量的影响,实现了两种典型重建算法:代数迭代重建算法(ART)和模拟退火(SA)算法。在不同的射线分布和吸收谱线数目情况下,使用两种算法对给定单峰温度场和双峰温度场分别进行重建仿真,比较分析了两种算法的重建结果。仿真结果表明,影响代数迭代重建算法重建质量的主要因素是射线分布,而模拟退火算法则对吸收谱线数较为敏感;对于单峰温度场,代数迭代重建算法重建结果的最大偏差为5.6%,略好于使用6条吸收谱线时模拟退火算法重建结果的6.2%;对于双峰温度场,模拟退火算法重建结果的最大偏差为5.5%,而代数迭代重建算法的最大偏差则高达22%。     

基于近红外TDLAS检测技术的甲烷浓度场重建研究

为了实现对气体浓度场二维分布重建,基于可调谐半导体激光吸收光谱技术,以甲烷作为目标气体,选取1653.72 nm的吸收峰位,采用直接吸收的测量手段,探测了浓度为2.97％的甲烷近红外光谱信息,通过断层重建算法对甲烷浓度场进行了模拟重建和实验研究.模拟重建采用了12×12共144个方格的正方形重建区域,假定了一个方形区域内的具有多个空穴的浓度分布,模拟72条光束从4个方向穿过重建区域,获取模拟光线下的投影值,经过实验统计代数重建算法均方根误差为5.58％,模拟退火算法均方根误差为8.38％;对模拟投影信号加入不同信噪比的高斯白噪声之后再进行重建,均方根误差在9.17％～15.30％之间.实验装置采用面源泄露扩散方法,通过在中心附近放置石英柱的方式人为制造浓度空穴,形成非均匀浓度场.通过对代数重建算法和模拟退火算法的重建结果对比,能够看到模拟退火算法在近红外吸收光谱层析重建方法中的应用可行性.     

基于1维子空间线性迭代射影重建

提出了一种基于1维子空间线性迭代的射影重建方法.该方法利用所有图像序列的行向量生成的子空间之和,与射影重建空间点的行向量生成的子空间是同一线性子空间,同时,由第1幅图像的3个行向量及另外一个行向量可以构成该线性子空间的一个基底的特性,线性迭代求取这个行向量及图像深度因子,最后完成射影重建.模拟实验和真实实验数据结果表明,该射影重建方法具有鲁棒性好、收敛性好以及重投影误差小等优点.     

二维光束整形的衍射光学元件设计

采用加权串行迭代算法(WSI)设计衍射光学元件(DOE)，将二维圆形高斯分布的激光光束分别整形为二维正方形和三角形的均匀光束，同时实现了光束形状改变及振幅分布均匀化的功能．模拟计算结果表明，用WSI设计得到的输出波形形状基本达到要求，转换到均匀区的能量效率分别达到95．3％、93．6％．     

光线偏折对激光测量火焰温度场干涉图的影响

以燃烧数值模拟所获得的层流乙稀扩散火焰的折射率和温度数据为基础,利用所获得的离散数据和折射率公式,得到了任意光线在火焰单一高度平面上圆域范围内前进的详细过程。分析了由于折射率不均匀造成的光线偏折对利用激光全息干涉法测量火焰温度场干涉图的影响;给出了不同平行光条数和不同离轴距离光线的偏移情况;对实验中激光穿过火焰区域后的高亮边界现象进行了讨论。计算和分析表明:利用该算法可以计算出任意光线前进的详细数据;不同平行光条数和不同离轴距离光的偏折效应不一样,离轴距离越大,光的偏折效应越明显;激光穿过火焰区域后的高亮边界现象是由于光的偏折造成的,为干涉图像处理中相位的提取提供了依据。     

二维谐波频率估计的高精度稳健迭代算法

本文运用基于两阶段的稳健迭代算法考虑了加性噪声中二维多分量谐波频率参数的估计问题。可以证明该算法仅需要三次迭代就能达到收敛,且最终估计量达到和最小二乘估计（LSE）相同的收敛速度以及估计方差达到Cramer-Rao下界。由于基于统计量的迭代估计充分利用了谐波模型的内在特性以及噪声分布特性,所以仅需要三步迭代就达到收敛,因而使得算法计算量很小且稳定,另外还可以证明三步迭代之后的估计量为二维谐波频率的无偏以及一致估计。本文证明了[9]中的单分量模型下的迭代算法可用于多分量情形下的估计,并且本文所采用的频率参数的平行估计方式避免了[9]中逐个估计方式下前一个已估计频率对分量对后一个要估计频率对分量的影响。最后模拟实验证实了估计的无偏性和一致性以及估计量在中样本情形下具备很高的估计精度。      

红外多谱线二维辐射温度场重建算法的研究

对于2000 K以上的温度场,采用热像仪对温度场进行检测时,由于热像仪存在饱和问题,所以采用热像仪重建温度场这种测量的方法已不再适用。利用多组光学探头通过光纤远传,实现多光谱多通道数据的测量。在无需预先假设发射率与波长之间的模型关系基础上,通过迭代算法获得表面某些点的真温。通过布置成十字测温结构的多光谱方法实现涡轮增压锅炉多点温度的测量,构建了整个高温温度场的温度分布。结果表明:该方法用来测量高炉温度场分布可行、预测误差较小,可以为高温温度场的分析诊断提供参考。     

利用声波法重建舰船排气温度场及红外辐射强度

为了提高舰船排气红外辐射监测水平,提出了一种基于声波法的排气烟羽温度测量和辐射强度计算方法.利用声速与温度的关系,建立排气温度场声学测量模型,通过声波传感器测量的声波传递时间,重建排气烟羽温度分布.利用该温度分布,通过解算红外辐射模型,获取排气红外辐射强度.通过仿真实例对该方法进行了验证,仿真结果表明:基于声波法的温度场重建方法在5%的测量误差水平内具有良好的重建效果,基本解决了舰船排气温度场和辐射强度实时计算的数学模型问题,为进一步开展舰船红外辐射实时监测技术的实船应用奠定了基础.     

基于声波的快速温度场重建系统研究

传统的声学测温系统往往需要设计复杂的算法来分析回波波形,以确定飞渡时间,降低系统工作效率。为此设计一种以超声波模拟前端TDC1000为核心,配套使用数字转换芯片TDC7200的时差测量系统,可直接获得相应飞渡时间。并在此基础上,针对最小二乘重建算法的边缘温度缺失问题,提出一种基于Reflected Sigmiod函数的温度场重建算法。经测试,该系统可测得纳秒级超声波飞渡时间,结合该文重建算法,能够较准确重建出被测区域温度图像。     

三维温度场声学测量重建及计算机仿真

相比单点温度测量而言,温度场的测量更加重要。温度场声学测量是目前最有发展前景的一种温度场测量方法,国内尚无人开展三维温度场声学测量的研究,为此,采用计算机模拟仿真的方法进行了三维温度场声学测量重建。以最小二乘方法为基础构建了三维温度场声学测量重建算法,以安装了32只声发射/接收传感器、并被均匀地分割成64个空间网格的正立方体型区域为测量空间,在考虑和不考虑＂声线弯曲效应＂的情况下,对球对称型模型温度场进行了仿真重建。仿真结果不仅与理论预测符合得较好,而且在考虑了＂声线弯曲效应＂后,温度场的反演精度有了很大提高,说明＂声线弯曲效应＂是影响温度场重建质量的重要因素之一。     

基于声波法的舰船排气红外温度场的仿真重建研究

根据声速与温度的关系,提出了一种基于声学法的舰船排气红外温度场重建方法。通过布置在烟囱边界的声波传感器,测量各声波传递路径的时间,进而解算温度场。分析了测量误差对重建结果的影响,结果表明基于声波法的温度场重建方法在5%的测量误差水平内具有良好的重建效果。该方法为红外辐射强度以及红外制导武器锁定距离的计算提供了重要支撑,为舰船实现红外隐身动态控制奠定了基础。     

Prediction of nanopattern topography using two-dimensional focused ion beam milling with beam irradiation intervals

Beam irradiation intervals are a critical parameter in the fabrication of nanopatterns via focused ion beam (FIB) milling. The beam irradiation intervals are defined in terms of the overlap. In this paper, the nanopattern height on a silicon surface is predicted using a mathematical FIB milling model that varies the overlap. The proposed model takes into account the angle dependence of the sputtering yield and redeposition effect, together with the superposition of a bi-Gaussian beam. The model was verified by comparing the results of a nanopattern machining experiment to those of a simulation based on the model. The simulation calculated the final two-dimensional geometry from ion milling parameters. The results of the simulation indicate that the proposed model is more precise than one that only considers the superposition of a Gaussian beam.     

Computer reconstruction of near-zone field from given far-zone data of two-dimensional objects

Using a complete set of cylindrical vector wave functions, it is shown that accurate near-zone electromagnetic field can be easily reconstructed from given far-zone data of two-dimensional objects. The validity of this approach was shown by the comparison of the reconstructed results with those obtained according to the exact solution of a two-dimensional slit problem.     

红外高温温度场中非完全温度点重建方法与预测精度的研究

在高温温度场重建过程中,仍然需要通过温度场的单点温度值来构建整个温度场的温度分布情况。以焊接温度场为例,通过反距离加权法、克里格法和样条函数法三种插值方法,分别对其空间变异和布局进行了分析和重建。结果表明:不同插值方法对预测精度影响不显著,而采样点数量则显著影响了温度场空间分布的重建精度。在温度场重建过程中,25个采样点进行重建是比较适宜的采样数量。将得出的结论与最佳采样公式进行比较,发现使用公式计算的最佳采样数量相对偏低,说明不考虑采样点实际的空间变异情况,仅使用最佳公式得到的采样数量进行温度场的重建会导致重建结果的不准确。     

目标运动对激光辐照温度场的影响

以地基激光辐照运动目标为研究背景,分析运动目标辐照参数特性对激光辐照温度场的影响。首先,在设定交互场景的基础上,求解激光辐照参数,总结运动目标激光辐照参数的特点为:平均功率密度随目标运动不断变化;辐照面域光束强度空间分布为椭圆形高斯分布;目标表面存在强制热对流。其次,利用有限容积法求解激光辐照运动目标温度场分布。最后,分析运动目标辐照参数特性对温度场分布的影响。分析结果表明:随着目标的运动,激光辐照平均功率密度不断增加,目标温升速率不断增加;激光束辐照运动目标的角度不同,辐照面域的光束强度空间分布不同,温升区域也不相同;运动目标表面存在强制热对流形式的能量交换,减缓了表面温升。