基于聲學(xué)測(cè)溫的溫度場(chǎng)重建算法研究.pdf_第1頁(yè)
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1、溫度是用以表明物體或環(huán)境冷熱程度的物理量,在日常生活、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及工業(yè)制造領(lǐng)域都具有十分重要的意義。一方面它可作為判斷環(huán)境或設(shè)備運(yùn)行狀況的重要參考信息,另一方面它也常常是直接或間接的控制對(duì)象,需要對(duì)其進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)并及時(shí)采取應(yīng)用策略。
  現(xiàn)有溫度測(cè)量方法多數(shù)為接觸式單點(diǎn)測(cè)量,且不適合在高溫、高壓、腐蝕等惡劣條件下長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作。然而,溫度不僅是具有空間層面意義的概念,在一維、二維以及三維方向上均存在一定分布特征,同時(shí)它還是一個(gè)跟隨

2、時(shí)間變化的物理量,且變化迅速不定。基于溫度的空間分布和時(shí)變特性,為獲得更為全面、準(zhǔn)確的溫度信息,則需從“溫度場(chǎng)”角度入手進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析,進(jìn)而有效控制。
  聲學(xué)測(cè)溫是一種新興的非接觸式測(cè)溫技術(shù),主要依據(jù)聲波在介質(zhì)傳播過(guò)程中某些特性參數(shù)與溫度的相關(guān)性,通過(guò)測(cè)量這些特性參數(shù)或其變化而推導(dǎo)出溫度信息。而其中,基于聲波傳播速度與溫度之間的特定函數(shù)關(guān)系產(chǎn)生了一類(lèi)常用的聲學(xué)測(cè)溫方法,即聲速法。除非接觸特性之外,聲學(xué)測(cè)溫技術(shù)還具有測(cè)量溫度范圍

3、廣、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、實(shí)時(shí)連續(xù)等特點(diǎn),且能用于空間溫度分布測(cè)量,同時(shí)不受微波電磁場(chǎng)干擾的優(yōu)點(diǎn),更使其在微波工業(yè)領(lǐng)域存在巨大的應(yīng)用潛力。
  本文以聲速法聲學(xué)測(cè)溫技術(shù)為主要研究對(duì)象,在其技術(shù)原理及單路徑聲學(xué)溫度測(cè)量研究的基礎(chǔ)上,從二維、三維方向上探討聲學(xué)溫度場(chǎng)重建的相關(guān)理論和方法。圍繞聲學(xué)溫度場(chǎng)重建過(guò)程中的關(guān)鍵影響因素開(kāi)展研究工作,結(jié)合具體應(yīng)用需求和當(dāng)前研究所面臨問(wèn)題提出針對(duì)性解決方案,以期為聲學(xué)測(cè)溫技術(shù)在未來(lái)的實(shí)際應(yīng)用提供進(jìn)一步的理論

4、基礎(chǔ)和技術(shù)參考。
  本文具體研究?jī)?nèi)容可簡(jiǎn)要概括為以下五個(gè)方面:
 ?、俑攀隽爽F(xiàn)有溫度測(cè)量技術(shù)及其優(yōu)缺點(diǎn),總結(jié)聲學(xué)測(cè)溫技術(shù)優(yōu)勢(shì);綜述了聲學(xué)測(cè)溫技術(shù)的發(fā)展歷史、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及當(dāng)前面臨的問(wèn)題;介紹了單路徑溫度測(cè)量方法和聲學(xué)溫度場(chǎng)重建原理,并對(duì)聲學(xué)溫度場(chǎng)重建關(guān)鍵影響因素展開(kāi)分析討論。
 ?、谘芯苛寺晫W(xué)測(cè)溫技術(shù)領(lǐng)域中的經(jīng)典算法,即基于最小二乘溫度場(chǎng)重建算法,并分析其優(yōu)點(diǎn)和不足。針對(duì)經(jīng)典算法所得結(jié)果在待測(cè)區(qū)域邊界出現(xiàn)的溫度信息

5、缺失現(xiàn)象,提出了改進(jìn)的基于最小二乘和Multiquadric插值的溫度場(chǎng)重建算法。該改進(jìn)算法基本思想是:首先基于最小二乘法獲得待測(cè)區(qū)域劃分小區(qū)塊的平均溫度,然后將該組平均溫度作為各小區(qū)塊幾何中心點(diǎn)的溫度值,通過(guò)建立Multiquadric徑向基插值模型估算出待測(cè)區(qū)域其他位置的溫度值。改進(jìn)算法綜合了最小二乘法和徑向基函數(shù)二者的優(yōu)勢(shì),既解決了重建結(jié)果在待測(cè)區(qū)域邊界的溫度信息缺失問(wèn)題,又
  保持了簡(jiǎn)單、快速的優(yōu)點(diǎn),且重建精度相當(dāng)。因此

6、,在經(jīng)典的基于最小二乘溫度場(chǎng)重建算法適用的場(chǎng)景,本改進(jìn)算法可彌補(bǔ)或提升原經(jīng)典算法的溫度場(chǎng)重建效果。
  ③針對(duì)已有聲學(xué)溫度場(chǎng)重建算法存在的不足,開(kāi)展了基于徑向基擬合和奇異值分解的溫度場(chǎng)重建算法及相關(guān)研究。該算法結(jié)合了徑向基在函數(shù)表達(dá)及散亂、稀疏數(shù)據(jù)插值與擬合方面的突出能力,同時(shí)結(jié)合奇異值分解在處理反演問(wèn)題方面的巨大優(yōu)勢(shì):首先利用徑向基函數(shù)建立聲學(xué)溫度場(chǎng)重建反演模型,然后通過(guò)奇異值分解求解該模型,從而實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)的高精度重建。仿真研究

7、結(jié)果從定性和定量上均表明,該算法具有十分理想的重建性能。
  為考察基于徑向基擬合和奇異值分解的重建算法在實(shí)際環(huán)境中的重建效果,本文選用了常見(jiàn)易得的分體式聲波換能器,在實(shí)驗(yàn)室條件進(jìn)行實(shí)測(cè)研究,并針對(duì)聲波飛行時(shí)間的測(cè)量精度問(wèn)題,提出基于回波包絡(luò)上升沿?cái)M合的聲波飛行時(shí)間測(cè)量方法。實(shí)測(cè)研究表明,基于徑向基擬合和奇異值分解的重建算法在實(shí)際環(huán)境中反映溫度分布特征的能力較強(qiáng),同時(shí)也證明分體式聲波換能器在當(dāng)前的實(shí)用性,及基于回波包絡(luò)上升沿?cái)M合的

8、聲波飛行時(shí)間測(cè)量方法的有效性。
  ④圓形待測(cè)區(qū)域溫度場(chǎng)重建存在很大的現(xiàn)實(shí)需求,而當(dāng)前聲學(xué)測(cè)溫領(lǐng)域關(guān)于此方面的研究極少。針對(duì)這一矛盾,本文提出了一種適用于特殊圓形待測(cè)區(qū)域的聲學(xué)溫度場(chǎng)重建方法,簡(jiǎn)稱(chēng)為徑向基圓區(qū)域重建法。該部分研究主要從溫度場(chǎng)重建算法、聲波換能器布局方式、有效聲波路徑選擇,以及待測(cè)區(qū)域區(qū)塊劃分方式等方面展開(kāi)討論,結(jié)合理論和仿真分析進(jìn)行合理選擇和設(shè)計(jì)。仿真研究表明,在不同噪聲影響下,提出的徑向基圓區(qū)域重建法對(duì)圓形待測(cè)區(qū)

9、域中各種復(fù)雜程度不同的溫度分布均具有很好的重建效果。相比現(xiàn)有的最小二乘圓區(qū)域重建法而言,本文方法在重建精度上有很大的提高,而且不存在邊界溫度信息缺失現(xiàn)象。
 ?、菰趩温窂綔囟葴y(cè)量和二維溫度場(chǎng)重建研究的基礎(chǔ)上開(kāi)展了三維溫度場(chǎng)重建研究,分別提出了立方體和圓柱體區(qū)域的三維溫度場(chǎng)重建方法。仿真研究表明,針對(duì)立方體區(qū)域提出的溫度場(chǎng)重建方法對(duì)各種復(fù)雜程度不同的溫度分布均具有十分理想的重建效果;針對(duì)圓柱體區(qū)域提出的溫度場(chǎng)重建方法對(duì)簡(jiǎn)單溫度分布效

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