声学CT温度场重建系统传感器的布局优化

为了使声学CT温度场重建系统对被测温度场有更好的重建能力,提出一种针对对称布置的声波收发器的位置优化方法。以声线穿过的网格数最多且均匀温度场重建误差最小为目标函数,用天牛须算法寻优。在正方形被测的区域中采用此方法对8个收发器位置进行了优化。通过对常见温度场模型的仿真重建,发现此布局对多种温度场模型重建有较好的效果,具有普适性,重建误差也小于传统的均匀布局。

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。

声学CT算法重建炉内三维温度场的仿真研究

为了实现炉内温度场的实时在线监测,提出了2种声学CT算法:代数重建法(ART)和同步迭代重建法(SIRT).采用2种CT算法分别对炉膛火焰分布的单峰模型、双峰模型和四峰模型进行了温度场重建仿真实验,并对2种算法的仿真结果进行了比较,分析了2种算法的抗噪声能力.结果表明:2种算法均可用于炉膛三维温度场重建且各有优劣,对于燃烧情况复杂的电站锅炉,抗噪声能力更强的SIRT算法具有更好的稳定性.

声学CT储粮温度监测收发器阵列设计

针对声波收发器阵列设计的合理性直接影响声学CT系统的测量实时性及温度场重建精度等问题,提出了声学CT储粮温度监测收发器阵列设计方法.该方法对围绕圆筒形仓布置的声波收发器数量、布局和有效声波路径选择等参数进行了计算机仿真设计.三种典型的三维模型温度场重建结果表明,有效声波传播路径选择、收发器布置的层数、每层布置收发器的个数都会对模型温度场重建质量产生较大影响.通过对声波收发器阵列的仿真设计,可优化收发器阵列各参数,提高声学CT系统的性能和温度场重建精度.

三维温度场声学CT重建中的声波路径选择

为了优化三维温度场声学CT重建系统,对声波路径的合理选择进行了仿真研究.将20个声波收发器布置在长方体被测区域的周围,分别考虑了4种声波路径选择方式,保留了非重复的所有路径、去除了长方体棱边上的路径、去除了长方体侧面上的路径和去除了长方体表面上的路径.用相对误差、均方根误差等指标,评价了温度场的重建质量.结果表明,声波路径的选择方式对温度场重建具有明显影响.合理地选择声波路径,可以降低声学CT法温度场重建的误差和计算量.

储粮温度分布声学CT重建仿真

为了实现储粮温度分布声学CT法监测,对三维温度场的声学CT重建进行了仿真研究.将30个声波收发器以两种不同的布局设置在被测区域周围,被测区域的剖分考虑了1 000和1 500个像素两种方式,对约2 000个单热点模型温度场进行了仿真数据重建,并利用重建温度场的均方根误差、热点温度误差和热点位置误差评价了温度场重建质量.结果表明,收发器布局和被测区域剖分方式都会对温度场的重建质量产生较大影响,该仿真研究为声学CT系统的优化提供了依据.

基于改进SIRT算法的声学CT温度场重建

针对当重建区域划分的网格数多于声波路径数时,重建温度场中通常会出现很多噪点的问题,提出了一种改进SIRT算法,将平滑滤波器融入SIRT算法,通过专门设计的内、外平滑滤波器,抑制重建温度场中的噪点.为验证所提方法的有效性,对3个典型的模型温度场和一个实际的单峰温度场进行了重建.结果表明,与常用的最小二乘法、ART算法和SIRT算法相比,改进SIRT算法的重建误差明显降低.改进的SIRT算法具有更好的复杂温度场重建能力.

声学CT温度场重建系统的收发器位置优化与实现

为了使声学CT温度场重建系统对被测区域内可能出现的各种温度分布具有更好的重建能力,提出一种收发器位置优化新方法:以均匀温度场模型的重建误差最小为目标函数,用粒子群优化算法优化收发器位置坐标。单峰偏置等5种典型温度场模型的仿真重建结果表明:与传统的均匀布置相比,文中方法确定的优化布局可明显降低重建误差。文中对用电热器形成的单峰偏置温度场进行了重建实验,实验结果进一步验证了所提方法的有效性和实用性。由于被测区域的温度分布通常会呈现出多种多样的分布特征,因此所提方法具有实用价值。

考虑声波折射的声学锅炉温度场测量技术的研究

根据炉膛断面理想的温度分布函数,给出了二维单峰圆对称模型温度场,数值计算了声波在模型温度场中沿直线路径的传播时间,用声学CT算法进行了温度场的重建仿真。根据光学Fermat原理和数学变分方法建立的声波传播路径的数学模型,数值计算了声波在模型温度场中的折射传播路径,发现声波在非均匀温度场中不沿直线传播,其传播路径朝向温度较高的区域发生弯曲。利用得到的声波实际传播路径,用声学CT算法重建了温度场,结果表明考虑声波折射后建立的声学法二维温度场精确度得到提高。

基于PCA降维和迭代正则化的温度场重建

针对声学CT对温度场重建的不适定性,该文提出了一种基于PCA降维和迭代正则化的重建算法。通过径向基函数逼近声慢度分布建立声学CT正问题模型;用PCA降维改善逆问题的病态性;用迭代正则化法求解逆问题;利用声慢度与温度的关系得到温度分布。仿真和实际温度场重建实验表明,与常用的最小二乘法和基于奇异值分解的直接正则化法相比,所提算法的重建图像更接近真实分布,重建误差最高可降低86.62%和29.1%。因此基于PCA降维和迭代正则化的重建算法能够提供更高质量的重建温度场。

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。

基于最小二乘法和克里金插值的三维温度场重建

为了提高三维温度场声学CT法的重建精度,提出了最小二乘法和克里金插值相结合的重建方法.采用最小二乘法获得一个由少量像素描述的温度场,运用克里金内插和外推运算获得整个被测温度场的细致描述.典型的单峰及双峰三维模型温度场的重建结果及误差分析表明,克里金法的内插和外推精度优于普遍采用的三次样条法.最小二乘法和克里金插值的结合,可有效克服最小二乘法像素数需少于声波路径数给温度场细致描述带来的困难,能实现复杂三维温度场的高精度重建.

三维温度梯度场中本征声线轨迹的求取

为了降低声波在温度梯度场中的折射现象对声学CT法温度场重建精度的影响,研究了温度梯度场中声波的真实传播路径,即本征声线轨迹,提出了一种三维本征声线出射角确定法.利用正三棱锥前向展开法,在单峰、双峰模型温度场中进行了三维本征声线追踪.结果表明,三维温度梯度场中的声线轨迹有明显弯曲,该三维本征声线轨迹求取法可用于复杂三维温度场中实际声线轨迹的确定,并有望应用于三维温度场声学CT重建系统中.

基于基函数逼近和卡尔曼滤波的温度场重建

为了提高声学CT复杂温度场重建能力,提出一种基于基函数逼近和卡尔曼滤波的温度场重建算法.利用Markov径向基函数的线性组合逼近被测区域内的声速分布,并使用卡尔曼滤波根据多路径声波飞行时间数据重建出声速分布,进而利用声速与温度的关系得到温度分布.分别采用Markov径向基函数Tikhonov正则化法、最小二乘法和BFAKF算法对4种典型的三维模型温度场进行了无噪声和有噪声仿真数据重建.重建结果表明,BFAKF算法的重建结果优势明显,具有更好的复杂温度场重建能力.

基于PCI-4472的声波传播时间测量系统

为提高声学CT法温度场重建精度,设计了具有16个声波数据采集通道的声波传播时间测量系统。该系统以LabVIEW为软件设计平台,用2块PCI-4472动态信号采集卡实现16通道的高速同步采集。系统提供互相关、抽样率变换结合互相关两种时延估计法,用于声波传播时间测量。测试结果表明:系统能按照设计构想正常运行,各路径声波传播时间测量值稳定,抽样率变换结合互相关法可获得更高的传播时间测量精度。在该系统中嵌入适当的温度场重建算法便可实现声学CT温度场测量。