基于波长调制吸收光谱的燃烧流场二维重建

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术是进行燃烧流场关键参数测量的有效有段。采用近红外水蒸汽的两条吸收线(7168.44 cm~(-1)与7185.60 cm~(-1)),分别利用直接吸收法与波长调制法对不同噪声干扰下的高斯峰流场进行了温度重建的数值仿真。将波长调制法和直接吸收法的二维重建结果进行对比,结果显示基于波长调制法的二维重建有更强的抗噪声能力。以McKenna平面燃烧炉产生的甲烷-空气预混火焰为测量对象,进行了二维温度重建。实验结果显示基于直接吸收法和波长调制法的二维重建的最大偏差分别为8.5%和5.9%,均方相对误差分别为0.0469和0.0268。弱吸收下基于波长调制法的二维重建技术显示了更好的重建效果。     

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%。     

基于波长调制光谱技术的气体温度和组分浓度场二维重建测量方法研究

提出了基于波长调制光谱(WMS)方法实现非均匀燃烧场气体温度和H_2O组分浓度场二维重建的测量方法。利用实验测得的2f/1f信号,通过数值仿真与迭代实现了激光穿过非均匀燃烧场后积分吸光度的测量,进而利用重建算法实现了燃烧场的二维分布测量。选用H_2O的两组谱线对针对单高斯分布和阶跃分布模型开展了数值仿真研究,并采用频分复用方法在平面燃烧火焰中开展了实验研究。结果表明:基于WMS方法的二维重建测量精度较高,在单高斯分布模型中,7185.60cm~(-1)和7454.45cm~(-1)谱线对的温度和H_2O浓度的重建误差分别小于2%和2.5%;在对温度敏感的区间内,所选谱线对的重建误差较小,在对温度不敏感的区间内,重建误差较大;火焰中心区域的重建结果与预测值一致,温度重建误差小于3.2%,在温度阶跃变化的边缘区域,重建效果较差,原因在于WMS方法和代数迭代算法对温度阶跃变化流场不敏感。     

非均匀流场CO2浓度分布测量方法研究

在使用TDLAS技术测量高温燃烧环境下CO2浓度分布时,由于流场的分布非均匀性以及近红外波段的CO2谱线吸收较弱且容易受H2O的吸收干扰,使得二维浓度场的重建测量尤为困难.为解决上述问题,本文提出了一种基于TDLAS技术的非均匀流场二维浓度分布重建方法.该方法利用CO2的吸收谱线R(50)具有R2f/1f在中心频率处的...     

燃烧流场波长调制光谱吸收模型的研究

基于可调谐半导体吸收光谱的波长调制技术,建立了精确的吸收模型。通过两条已知吸收中心的吸收谱线,对标准具自由光谱范围进行标定,并利用更贴近激光器出光特性的描述模型,得到激光器频率-时间响应,结合实验室标定和HITEMP数据库的杂合吸收谱线参数,建立了可与实际吸收直接比较的精确模型,以诊断燃烧流场。本研究以H_2O为目标分子,选取吸收中心为7185.60 cm~(-1)和6807.83 cm~(-1)两条吸收线,利用扣除背景的归一化二次谐波信号峰值反演流场温度,并在管式高温炉上进行实验验证,最高测量温度为1500 K,相对误差小于3.1%。吸收模型的准确性决定了所测流场参数的准确性,该模型可应用到更为复杂的燃烧流场环境,实现流场参数的精确测量。     

光线分布对基于TDLAS温度场二维重建的影响

基于可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术采用代数迭代算法实现燃烧场温度二维重建。在有限入射光线数目下为获得最佳重建结果,研究了扇形光束和平行光束分布下光线数目、网格数目对温度场重建结果的影响规律。提出虚拟光线方法,通过在相邻光线间增加虚拟光线,减小网格间距以增加网格数目,满足在光线数目较少情况下,实现了较为细致的二维温度场重建。计算结果表明当光线间距与网格间距比在0.6~1范围内时,重建温度场相对均方误差最小。在相同入射光线数目情况下,虚拟光线法可以有效降低重建温度场相对均方误差,提高重建二维温度场精确度。     

预混燃烧火焰的光偏折层析三维动态可视化

使用光偏折层析(CT)方法研究了非稳态预混燃烧流 场的参数测量及火焰结构表征。建立了适用于瞬态流场层 析的叠栅光偏折投影条纹图有序阵列采样系统,实现了单光栅副、单CCD、多方向、同时和 同光路条件的动 态采样。构建适用于少数投影光偏折计算层析的混合正则化重建算法。实验测量中,对C 4H10/空气预混燃烧 流场进行6视角动态采样,使用混合正则化算法对燃烧流场进行截面二维温度分布重建,使 用Sobel梯度 算子进行火焰内外区域温度分布的阈值分割。对4个不同时刻共计150 条莫尔条纹进行信息提取并重建出 20个截面的温度分布,使用移动立方体面绘制算法和光线投射体绘制 算法对三维体数据进行 显示,实现了燃烧流场参量分布及火焰结构的三维动态可视化。     

CO2高温光谱参数测量系统设计与实验

CO_2和CO被称为燃烧效率指示性气体,燃烧流场中CO_2的精确测量对工业燃烧过程的节能减排和发动机燃烧状态诊断等都具有重要意义.研究CO_2气体的高温光谱参数,包括:线强、自加宽系数、温度系数,可提高燃烧过程中CO_2浓度的测量精度和可靠性.为了获得可用于燃烧诊断的CO_2吸收线的高温光谱参数,基于可调谐半导体激光吸收光谱技术设计了一套最高温度可达2 073 K的精确控温控压气体光谱参数测量系统.采用该系统开展了CO_2R(50e)吸收线(中心频率为5 007. 787 cm-1)的高温光谱测量实验,获得了温度范围1212～1873 K内多个压强下的纯CO_2气体的大量高温吸收光谱,经热辐射背景扣除、基线拟合、时频转换、多线组合非线性最小二乘法拟合等数据处理过程,得到温度范围1 212～1 873 K内CO_2R(50e)吸收线的线强、自加宽系数及温度系数,其中线强不确定度1. 5%,自加宽系数不确定度小于4. 5%.这些参数是对现有数据库的补充和完善,对燃烧诊断中的CO_2浓度检测有很大帮助,能够满足燃烧过程中CO_2浓度精确反演的需求.     

基于相位和发射强度实现流场的分区重建

用折射率测量方法来获取被测流场温度分布时,应该首先确定流场成分。提出了一种联合相位和发射强度分布对流场进行区域划分的方法,以更好地确定每个区域的成分,尽可能提高温度重建的精度。选取蜡烛-空气（非预混火焰）和丙烷-空气（预混火焰）燃烧流场作为实验对象,将折射率、相位和发射强度分布进行匹配,在此基础上分析并确定两个流场不同区域的成分。通过比较基于相位分区方法（模型1）、发射强度分区方法（模型2）以及联合相位和发射强度分区方法（模型3）获得的温度结果,发现模型3的结果更合理。此外,还进一步讨论了联合相位和发射强度分布对流场进行区域划分的合理性和适用性,该结果可为基于折射率测量进行复杂流场温度重建的研究提供一些参考。     

基于扫描波长调制光谱的气体质量流量测量方法研究

基于扫描波长调制光谱方法实现了超声速气流的温度、H2O组分浓度、压强、速度以及质量流量的测量。利用两条H2O吸收谱线的谐波信号,研究了均匀流场中超声速气流多参数同时测量的方法。基于波长调制光谱技术的测量结果能准确反映均匀流场中的气体参数,然而实际流场往往具有边界层。针对具有边界层的近似均匀流场,数值仿真研究了谱线选择和边界层厚度对流场中心流测量结果的影响。仿真结果表明,随着边界层厚度不断增大,测量结果误差逐渐增大,选择对边界层温度不灵敏的吸收谱线能够有效降低边界层的影响。对超燃直连台隔离段内的超声速气流进行实验研究,结果表明基于波长调制光谱的测量方法在强噪声和强振动的环境中具有较高的测量精度。温度、H2O组分浓度、压强、速度以及质量流量测量值与预测值的最大相对偏差分别在8.2%、7.2%、2.0%、3.1%和6.4%以内。     

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。     

基于波前恢复的温度场真实三维重建

提出了采用傅里叶分析和改进的多重网格法恢复多方向干涉波前的技术,得到待测场在不同方向上的二维投影数据,从而实现了任意截面的场重建,即真正的三维重建。并实验利用了一种旋转F-P干涉仪,实时捕获非对称温度场的多方向干涉图,并给出由这些二维投影重建三维分布的结果,证明此采集、处理及重建方法是行之有效的。     

应用纵向分区彩虹全息术合成断层图像的三维消色像

报道了应用纵向分割多狭缝曝光彩虹全息术合成多幅断层图像为三维消色像的方法及其实验结果。通过将主全息图记录狭缝按纵向分割并结合使用循环分割和色散补偿光栅 ,实现了在较高的分辨率和较低色模糊的多幅断层像的白光三维消色像的合成 ,并提高了再现像的视觉亮度、视场和立体感。     

图像融合在空间目标三维重建中的应用

图像融合可以获取目标更加丰富的层次和细节信息，有利于对探测目标信息的有效地获取，在包括空间目标的三维重建等应用中有着重要意义。针对空间目标的宽动态范围提出了一种多次曝光的图像融合方法，利用信息熵的非线性压缩判定图像融合权重，并引入双边滤波残差加强弱纹理的分配权重，有效地增加了图像的特征信息，提高了三维重建点云的数量。利用提出的融合方法开展了空间目标模拟成像试验，采用融合的图像对目标三维重建，并与多种不同曝光程度以及采用其他融合图像的方法进行了对比，提出的方法得到的重建点云数量相对恰当曝光状态提高了35%，重建结果优于其他方法。结果表明:将图像融合引入到三维重建中，能有效地加强了重建图像信息，避免了光照条件对目标三维重建的不利影响，获得较高质量的重建效果，该方法可以很好地应用到基于图像序列的空间目标三维重建应用中。     

激光吸收光谱技术应用于锅炉优化控制研究

为了提高电站锅炉自动化程度,为真实锅炉的优化控制提供新颖的实时在线测量手段,采用计算机层析重建和激光吸收光谱技术相结合的方法,进行了理论分析和实验验证。仿真实验证明了仅采用2个投影方向即能够实现温度峰值位置的重建及其相对高低的分辨;布置6条测量路径形成测量网格,得到真实锅炉炉膛的实时在线2-D温度场重建数据。结果表明,炉膛平均温度与锅炉蒸汽流量的相关系数达到0.91,回归分析得到决定系数为0.88;可将平均温度作为炉膛内实时的总辐射能的表征,用于避免锅炉超调,根据温度可获知燃料总的热值波动,2-D温度场的重建可用于锅炉调平。该研究为锅炉提供了非接触式测量手段,为提高锅炉自动化程度和研究燃烧优化控制提供了重要支持。     

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。     

基于压缩感知的电容层析成像图像重建算法

为提高电容层析成像（ECT）系统采样速率及重建图像质量,本文提出一种基于压缩感知理论的ECT图像重建算法.首先,应用离散Fourier变换基将原始图像灰度信号进行稀疏化处理;接着,从16电极ECT系统中随机选取14个电极按随机顺序进行激励,并按随机顺序测量不同电极之间电容值,得到测量电容信号并建立相应的观测矩阵;最后,采用L1范数正则化模型和原对偶内点法实现图像重建.仿真实验结果表明,基于压缩感知理论算法重建的图像其质量优于Landweber迭代算法,在节省采样时间的同时可实现较高精度的图像重建,为ECT图像重建的研究提供了一种新的手段.     

Model-based reconstruction integrated with fluence compensation for photoacoustic tomography

Photoacoustic (PA) tomography (PAT) is a rapidly developing imaging modality that can provide high contrast and spatial-resolution images of light-absorption distribution in tissue. However, reconstruction of the absorption distribution is affected by nonuniform light fluence. This paper introduces a reconstruction method for reducing amplification of noise and artifacts in low-fluence regions. In this method, fluence compensation is integrated into model-based reconstruction, and the absorption distribution is iteratively updated. At each iteration, we calculate the residual between detected PA signals and the signals computed by a forward model using the initial pressure, which is the product of estimated voxel value and light fluence. By minimizing the residual, the reconstructed values converge to the true absorption distribution. In addition, we developed a matrix compression method for reducing memory requirements and accelerating reconstruction speed. The results of simulation and phantom experiments indicate that the proposed method provides a better contrast-to-noise ratio (CNR) in low-fluence regions. We expect that the capability of increasing imaging depth will broaden the clinical applications of PAT.     

A quality controllable multi-view object reconstruction method for 3D imaging systems

This paper addresses a novel multi-view visual hull mesh reconstruction for 3D imaging with a system quality control capability. There are numerous 3D imaging methods including multi-view stereo algorithms and various visual hull/octree reconstruction methods known as modeling from silhouettes. The octree based reconstruction methods are conceptually simple to implement, while encountering a conflict between model accuracy and memory size. Since the tree depth is discrete, the system performance measures (in terms of accuracy, memory size, and computation time) are generally varying rapidly with the pre-specified tree depth. This jumping system performance is not suitable for practical applications; a desirable 3D reconstruction method must have a finer control over the system performance. The proposed method aims at the visual quality control along with better management of memory size and computation time. Furthermore, dynamic object modeling is made possible by the new method. Also, progressive transmission of the reconstructed model from coarse to fine is provided. The reconstruction accuracy of the 3D model acquired is measured by the exclusive OR (XOR) projection error between the pairs of binary images: the reconstructed silhouettes and the true silhouettes in the multiple views. Interesting properties of the new method and experimental comparisons with other existing methods are reported. The performance comparisons are made under either a comparable silhouette inconsistency or a similar triangle number of the mesh model. It is shown that under either condition the new method requires less memory size and less computation time.     

Adaptive reconstruction technique for the lost information of the rectangular image area

The adaptive reconstruction for the lost information of the rectangular image area is very important for the robust transmission and restoration of the image. In this paper, a new reconstruction method based on the Discrete Cosine Transform (DCT) domain has been put forward. According to the low pass character of the human visual system and the energy distribution of the DCT coefficients on the rectangular boundary, the DCT coefficients of the rectangular image area are adaptively selected and recovered. After the Inverse Discrete Cosine Transform (IDCT), the lost information of the rectangular image area can be reconstructed. The experiments have demonstrated that the subjective and objective qualities of the reconstructed images are enhanced greatly than before.