[發明專利]基于最小模方函數的溫度場優化重構裝置和方法

在審

• 申請號: 201910431535.7
• 申請日: 2019-05-22
• 公開（公告）號: CN110174182A
• 公開（公告）日: 2019-08-27
• 發明（設計）人: 張瀟;曾周末;李健
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01K11/00
• 分類號: G01K11/00;G06F17/17
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉國威

本發明涉及激光、溫度場測量技術領域，為提出一種易于實施的溫度場重構方法，重構步驟簡潔，運算效率更高，能夠實時檢測溫度異常。為此，本發明采取的技術方案是，基于最小模方函數的溫度場優化重構裝置和方法，利用計算機控制激光器交替產生兩個不同頻段的掃頻激光脈沖信號，待激光信號通過待測熱源后，由傳感器接收信號推導出激光吸光度，然后由得到的激光吸光度進行溫度場的重構。本發明主要應用于溫度場測量場合。

技術領域

本發明提出一種應用于溫度場檢測的激光測溫算法，該技術基于可調諧激光吸收光譜技術，主要用于還原待測區域內的溫度分布，即該區域的溫度場。具體涉及基于最小模方函數的溫度場優化重構方法。

背景技術

利用吸收介質的激光吸光度與溫度的關系，可調諧二極管激光吸收光譜技術(TDLAS)常用于溫度場的檢測，與傳統的接觸式測量相比，TDLAS具有靈敏度高、抗噪性能好、測量周期短等優勢，是一種易于實施的非接觸式測量手段。該技術被廣泛應用于鍋爐、發電汽輪機、航空發動機等高溫環境下的溫度檢測，對了解燃燒過程、節約燃料成本、建立燃燒模型都有重要意義。

但TDLAS同時也是一種基于視線效應的測量技術，傳感器只能接收沿測量光路方向的積分吸收信號，分析出光路上的平均溫度。為了獲取待測區域中的溫度分布情況，就需要借助重構算法。TDLAS常用的重構算法以迭代法為主，迭代法中常用代數迭代算法。該算法將溫度場的重構過程轉化為求解多元方程組，原理簡單，實現方便，然而該方法無法上述克服多元方程組具有非唯一解的情況，且由于需要對光路逐條計算，拉長了迭代周期，對測量造成了不利影響。

為此，可以在迭代法的基礎上采用優化的思想，以重構場和待測熱源溫度場的誤差為目標函數，建立誤差最小的重構場作為測量結果。自Kashyap于1975年提出使用二次型函數的約束優化方法以來，優化迭代算法常用于圖像處理、醫學CT成像等領域。在TDLAS中，Weiwei Cai將模擬退火原理用于TDLAS的溫度場優化迭代中，證明了優化法用于TDLAS的可行性。然而模擬退火算法在實施中包含多個迭代環節，雖然可以降低測量光路數，但也導致算法相對復雜，并大大拉長了重構所需的時間。為此，需要一種更好的重構算法使TDLAS更好地適應實時測量環境。

發明內容

為克服現有技術的不足，本發明旨在提出一種易于實施的溫度場重構方法，重構步驟簡潔，運算效率更高，能夠實時檢測溫度異常。為此，本發明采取的技術方案是，基于最小模方函數的溫度場優化重構裝置，包括：

用于數據處理和產生激勵信號脈沖的PC端；

用于控制激光器電流和溫度的激光控制器；

用于組合激光信號的光纖耦合器；

將激光信號分成多份的光纖分束器；

圍繞被測熱源用于組織測量光路位置和方向的框架；

安裝于框架上的光纖準直器，激光信號由此投射向傳感器陣列；

用于接收信號的傳感器陣列；

計算機端交替產生兩個不同頻段的掃頻激光脈沖信號，待激光信號通過待測熱源后，由傳感器接收信號通過計算機推導出激光吸光度。

計算機內置溫度場重構模塊，該模塊由傳感器接收信號推導出激光吸光度，再由得到的激光吸光度進行溫度場的重構。

基于最小模方函數的溫度場優化重構方法，利用計算機控制激光器交替產生兩個不同頻段的掃頻激光脈沖信號，待激光信號通過待測熱源后，由傳感器接收信號推導出激光吸光度，然后由得到的激光吸光度進行溫度場的重構。

利用得到的激光吸光度進行溫度場的重構，具體的步驟如下：

將待測溫度場分為N×N個離散區域，以此為依據設立以下三個參數：