声学法深海热液温度场测量及重建算法研究

介绍了利用声学方法测量深海热液温度场的基本原理。对单峰温度场模型和双峰温度场模型,采用最小二乘法进行重建仿真,给出了重建温度场的三维图和等温线图,计算了重建温度场的绝对误差、相对误差和均方根误差。比较了增加声学测量路径后单峰温度场模型的重建结果。仿真结果表明:最小二乘法具有较高的重建精度,增加声学测量路径能有效地提高温度场重建精度。湖试实验结果表明,最小二乘法可基本还原单峰温度场。     

海底热液口温度场高精度声学测量方法研究

介绍了海底热液口温度场原位声学测量的基本原理、总体最小二乘重建方法和抛物插值算法。在云南省龙陵县茄子山水库进行湖底试验研究,基于总体最小二乘重建方法准确地还原出湖底热泉的温度场原位分布;将抛物插值算法应用于声波飞渡时间延时估计,并对抛物插值前后重建出的温度场进行最大绝对误差、最大相对误差和均方根误差分析。实验表明:总体最小二乘重建方法和抛物插值算法可用于海底热液口温度场的原位测量,且重建精度比较高。     

正则化参数自适应选取的声学CT温度场重建

声学CT温度场重建为不适定逆问题。正则化参数的选取对重建精度有重要影响。提出一种正则化参数自适应选取的温度场重建算法——ARPSM(adaptive regularization parameter selection by minimum change criterion)算法。该算法采用一种新的、称为最小变化法的正则化参数选取法,自适应地选取正则化参数,兼顾温度场细节重建和噪声抑制。模型温度场和实验室内均匀温度场的重建结果表明,与常用的L曲线法相比,最小变化法确定的正则化参数对应着更小的温度场重建误差。ARPSM算法具有较高的重建精度和较强的噪声抑制能力,可望用于仓储粮食温度分布监测等对重建质量有较高要求的应用场合。     

正则化优化修正的电容层析成像图像重建算法

提出一种基于正则化优化修正的电容层析成像图像重建算法。首先利用 Tikhonov正则化法求解系统的逆问题 ,解决逆问题解的不适定性 ;然后利用优化修正法对初始图像进行修正 ,以提高重建图像的质量。实验结果表明 ,该法在重建图像质量和图像重建速率两方面均具有优势。     

基于平面散乱点集的曲线重建算法

在反求工程中,基于散乱数据点的曲线重建研究有着重要的意义。本文给出了一种基于投影的移动最小二乘(MLS)曲线重建方法。首先快速搜索散乱点的K邻近,并引入相关性概念,应用MLS法细化散乱点集,最后通过排序和简化重建曲线。实验表明,细化点集准确地反映了数据点的形状和走向,拟合效果良好,效率较高。本文算法可应用于运动曲面重建中的轮廓线拟合。     

电容层析成像图像重建的总变差正则化算法

针对电容层析成像（ECT）逆问题解的不适定性,本文提出一种基于总变差（total variation,TV）正则化的图像重建算法。同传统的2范数Tikhonov正则化方法相比,该算法（基于1范数正则化）不仅保证了逆问题求解的稳定性,而且提高了对介质非连续分布的区域成像的分辨能力,具有良好的保边缘性。仿真及实验结果表明,该算法在重建图像质量和重建速度两方面均具有优势。     

异面直线公垂线段中点算法为基的三维点重建

对基于二维图片的三维点重建关键技术进行研究.利用基于3D标定块的Tsai两步法对相机进行精确标定,在此基础上对三维重建算法中的基于异面直线公垂线段中点算法进行详细深入的研究.从几何学的角度出发,推导出基于异面直线公垂线段中点算法的计算公式,并将此方法与最小二乘法进行了误差比较.实例表明,异面直线公垂线段中点法比最小二乘法具有更高的重建精度.     

最小交叉熵图像重建算法

CT技术通过扫描和图像重建算法,获取被检物场断层图像.由于具有非侵入性、可视化等特点,该技术在工业领域获得广泛应用.为了提高CT系统重建图像的分辨率,提出一种信息扩充策略,并以此为基础采用两种最小交叉熵算法--MAP和SMART,对多相流CT系统进行图像重建.与传统ART算法相比,最小交叉熵算法有效提高了重建图像的分辨率,减少重构图像伪影.仿真和实验结果表明,基于信息扩充的SMART算法不仅改进了重建图像质量,而且提高了实时性.     

基于主成分分析的温度分布重建优化算法

针对传感器测量噪声影响温度分布重建准确性的问题,提出基于主成分分析的温度分布重建优化算法.采用主成分分析算法对测量数据进行降噪处理.将处理后的测量数据应用于温度分布重建,实现对温度分布重建计算过程的优化.为验证算法的可行性,进行了仿真实验与燃烧实验.实验数据表明:优化算法对比原始温度分布重建算法,提高了温度重建精度,降...     

改进正则化半阈值算法的 ECT 图像重建

针对电容层析成像技术应用于工业多相流管道检测时,图像重建中存在的不适定性、病态性问题,提出一种改进正则化半阈值算法。以L1/2范数为惩戒函数,改进求解L1/2范数所用的半阈值迭代算法中的阈值算子,并以加入加速项的Landweber算法解向量为修正向量,引入改进半阈值正则化模型,优化加速Landweber算法。实验的结果表明,改进正则化半阈值算法在重建图像中相关系数平均达0.91,图像误差平均降至0.21,成像速度保持0.04 s。复杂流型辨识中,改进算法比Landweber迭代算法相关系数提高21.67%,相对误差降低37.01%;比Tikhonov正则化算法相关系数提高22.61%,相对误差降低37.08%;比半阈值算法相关系数和误差分别提高14.85%和降低28.26%。结果表明改进正则化半阈值算法对ECT研究有较好应用前景。     

声学法炉内温度场与速度场协同测量方法研究

实时监测炉内燃烧温度场和烟气速度场是保证锅炉安全、经济运行的重要手段,声学法测物理场被认为是一种非侵入性和有效的测量方法。本文提出了一种基于声波法的炉内温度场和烟气速度场的协同测量新方法,建立了基于径向基函数的多物理场重建模型,采用Tikhonov正则化算法求解不适定问题,同时考虑了声波的折射效应对物理场的重建影响。采用典型的炉内物理场模型进行了数值模拟,模拟结果表明,本文方法能够很好的协同重建温度场和速度场。当考虑声线弯曲时能够显著提高各物理场的重建质量。算法具有较好的适应性和良好的抗噪性能,重建精度较高,标准均方根误差在10%以下。模拟实验平均计算时间为31.4 s,可保证炉内声学测量的实时性。声学法协同测量多物理场可为优化炉膛燃烧过程提供依据。     

基于收发分体声波换能器的二维温度场重建

基于声学测温原理,运用发射端和接收端之间的声波信号飞行时间进行温度场重建,是工业应用领域中燃烧或加热处理过程温度测量的研究热点。本文采用收发分体声波换能器,确定其合理安装方式,运用Markov径向基拟合待测区域的声速分布,通过声速矩阵的奇异值分解,反演计算出温度场。仿真实验中设计了复杂程度不同的4种模型温度场,并考虑声波飞行时间在不同水平下的测量误差对重建结果的影响;实际测试中验证了本文方法在室温无加热、单峰对称、单峰偏斜的温度分布下的重建效果。实验结果表明,本文提出的收发分体声波换能器安装方式结合基于Markov径向基拟合的重建算法,在温度场重建中具有较高的精度和较强的抗干扰性。     

基于固定视点的视觉标定算法研究

针对在固定视点中机器视觉标定过程复杂、效率低、标定精度不高的问题,对目前普遍应用的摄像机标定和手眼标定算法进行了研究,提出了可一次性完成固定视点的视觉标定算法。利用实验室的MOTOMAN-UP6工业机器人对该标定算法进行了验证,首先由机器人末端夹持一个棋盘格完成一系列的运动,每次运动结束时摄像机拍摄一幅棋盘格图像,并记录下机器人末端的位姿,等所有运动完成后,采用张正友标定算法对摄像机进行标定,接着采用基于最小二乘法的标定算法对摄像机与基座关系进行简便高效的标定。研究结果表明:该算法标定过程简单、求解速度快并且结果精度高,具有很强的实用性。     

基于RBF神经网络的温度场重建算法研究

在声学法锅炉炉膛温度场测量中，重建算法是实现炉膛温度场重建的关键。本文提出一种基于径向基函数神经网络的复杂温度场重建算法。该算法首先对被测温度场用离散余弦变换，建立离散余弦变换低阶次项DCT系数向量与声波路径平均温度向量的映射关系，然后利用RBF神经网络良好的函数逼近能力实现该映射关系，并通过正交最小二乘法进行学习和训练，实现被测温度场的重建。本文对3种原型温度场进行了重建，并在40dB、30dB和20dB等3种不同噪声水平下进行了重建实验。仿真及初步实验结果表明，该算法具有温度场重建精度高、速度快、抗干扰能力强的特点。     

基于少量声波飞行时间数据的温度场重建

为依据少量声波飞行时间数据较高精度地重建温度场,提出了一种基于径向基函数和奇异值分解的声学CT温度场重建新算法.采用新算法对单峰和双峰温度场模型进行了仿真数据重建,重建结果表明,与高斯函数正则化重建算法、代数重建算法相比,新算法的重建精度有明显改善.采用新算法对实验室内的均匀温度场和加热温度场进行了实测数据重建,重建结果与被测温度场一致,且均匀温度场的重建均方根百分误差仅为0.31%.由于新算法重建速度快、重建精度高、抗干扰能力较强,可望用于复杂温度场的在线重建.     

基于改进正则法的ECT图像重建算法

电容层析成像图像重建是一个典型的病态问题,其解是不稳定的。为获得良好的重建效果,需要采用既保证解的稳定性且又能提高重建图像质量的算法。本文提出了一种新的图像重建算法。在分析标准Tikhonov正则法的基础上,针对ECT逆问题的病态性进行改进,并推导出两步图像重建算法：第一步利用标准Tikhonov正则法的计算值获得权矩阵的估计;第二步采用本文所推导的改进Tikhonov正则法获得最终的重建图像。数值实验表明,该算法所获得的图像重建质量得到了明显的提高,且该算法无需迭代,保证了算法实时性。     

湖底热泉声学测温控制系统的研究

针对海底热液口温度场原位长期观测存在的问题,以湖底热泉为研究对象,将声学技术应用到湖底热泉温度场测量中。提出了利用16个水下声学换能器,以构建湖底热泉口声学测温系统的方法,阐述了温度场声学测量的基本原理。声源信号自动切换电路由单片机控制模块、电源模块、滤波模块和驱动模块组成,并介绍了该电路的原理与功能。基于LabVIEW平台,开发设计了自动数据采集程序,包括串口通信模块、信号发生模块、数据采集与存储模块。进行了云南省茄子山水库实验研究,验证了湖底热泉口声学原位一体化测温装置的可行性,精确地重建出了湖底热泉温度场。研究结果表明,构建的声学测温控制系统,能够满足湖底热泉口声学测温的实际工程需要,且精度较高。