[發明專利]一種高精度快速溫度場重建方法、系統、設備及終端

有效

• 申請號: 202111490991.2
• 申請日: 2021-12-08
• 公開（公告）號: CN114216582B
• 公開（公告）日: 2022-09-06
• 發明（設計）人: 鐘其水;施開波;白金平;楊金;韓勝;李思捷
• 申請（專利權）人: 電子科技大學長三角研究院（湖州）
• 主分類號: G01K11/24
• 分類號: G01K11/24
• 代理公司: 成都東恒知盛知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 51304
• 代理人: 李英

1.一種高精度快速溫度場重建方法，其特征在于，所述高精度快速溫度場重建方法包括：

將測量區域劃定為一定數量的離散網格；構建基于離散網格點溫度誤差目標函數；基于測量的聲波飛渡時間數據，采用改進型FISTA算法求解該目標函數，得到網格下的測量區域溫度分布；

將測量區域網格下得到的溫度分布利用核極限學習機進行訓練預測，得到整個測量區域的溫度場分布；

所述高精度快速溫度場重建方法具體包括以下步驟：

步驟一，根據搭建的溫度場重建硬件系統待測區域的幾何大小、待測溫度場的復雜程度，在每條邊上按照特定的方式安裝一定數量的超聲波換能器并計算出超聲波傳播路徑數量；

步驟二，將待測區域劃分為一定數量的網格，且劃分的網格數量應該大于或者等于超聲波傳播路徑數量，權衡算法效率與重建精度；

步驟三，根據超聲波傳播路徑數量M與劃分的網格數量N，計算每一條超聲波傳播路徑在每一個被劃分的網格上的長度值，第i條超聲波傳播路徑在第j個網格上的長度為A_i,j，形成系數矩陣A；

步驟四，通過改變超聲波換能器的收發狀態，測量每一條超聲波傳播路徑的飛渡時間TOF，形成一個飛渡時間向量y；

步驟五，建立目標函數，并將改進型FISTA算法應用于求解公式(33)的x；

步驟六，將經過改進型FISTA算法得到的解x*，經過超聲波速和氣體介質溫度的關系表達式，得到待測區域內每一個劃分網格的中心點溫度向量；

步驟七，對經過改進型FISTA求解的溫度向量與對應坐標作為訓練樣本，帶入構建好的核極限學習機進行模型訓練；

步驟八，待訓練完后將整個被測區域的坐標帶入已經訓練好的極限學習機預測，得到整個被測區域的連續溫度場分布；

步驟九，通過MATLAB繪圖工具，將求出的溫度場數據繪圖，得到等溫線圖與三維圖；

所述步驟七中的核極限學習機的構建包括：

ELM的隱含層輸出矩陣H改寫為：

H＝[h(x₁),...,h(x_N)]；

式中，h(x_i)為x_i的非線性映射，N為訓練集的個數，x_i為通過改進型FISTA得到的劃分的粗網格中心點溫度；若該映射的形式未知，則構造如下：

式中，K是核函數；KELM的輸出是：

式中，x^*是屬于測試集的樣本；KELM的輸出權值矩陣為：

β^*＝H^T(HH^T+λI^-1)T；

式中，λ為正則化參數，T是訓練集的輸出向量；

采用徑向基函數，RBF函數有以下形式：

式中，δ²為核參數，決定高維數據空間的復雜性；x_i,i∈{1,2,…,N}和x^*分別是來自訓練集和測試集的樣本；x^*m表示x^*的第m維；

在KELM中，δ²和λ是影響檢測性能的兩個關鍵參數；采用粒子群優化算法PSO，得到δ²和λ的最優參數；

將通過改進型FISTA算法迭代求出的劃分的7*7個網格的中心點坐標與溫度值作為訓練樣本，帶入核極限學習機進行訓練；待核極限學習機訓練完成后，將整個被測區域的點的坐標帶入提前訓練好的極限學習機，求出整個溫度場的溫度分布。

2.如權利要求1所述高精度快速溫度場重建方法，其特征在于，所述步驟三中的系數矩陣A的表達式為：

所述步驟四中的渡時間向量y的表達式為：

所述步驟五中的目標函數為：

式中，矩陣A為距離矩陣；向量x為超聲波傳播速度的倒數向量；向量y為飛渡時間向量。