基于光場成像理論的彌散介質(zhì)光熱特性重構(gòu).pdf

1、彌散介質(zhì)廣泛存在于自然界和工業(yè)生產(chǎn)過程中，發(fā)展彌散介質(zhì)光熱參數(shù)（主要包括輻射特性參數(shù)和溫度場）非接觸測量方法和理論，構(gòu)建具有高置信度的光熱參數(shù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，對于推動航空航天、能源動力、國防科技、生物醫(yī)學、冶金化工等領(lǐng)域的發(fā)展至關(guān)重要。本文基于先進的光場成像理論結(jié)合彌散介質(zhì)內(nèi)輻射傳輸正、反問題求解算法構(gòu)建基于光場成像技術(shù)的彌散介質(zhì)光熱參數(shù)同時重構(gòu)方法。
　　首先系統(tǒng)地闡述了彌散介質(zhì)內(nèi)輻射傳輸機理和光場成像原理。考慮光場成像可同時獲取多

2、方向輻射信息的特點分別針對純吸收介質(zhì)和吸收、發(fā)射、散射性介質(zhì)建立基于視在光線法（LOS）和廣義源項多流法（GSMFM）的介質(zhì)任意方向輻射強度的快速精確計算方法。并進一步結(jié)合光場成像原理構(gòu)建了完整的基于光場成像技術(shù)的彌散介質(zhì)輻射強度四維光場信息獲取的輻射傳輸過程的數(shù)值模擬方法，并采用該方法成功模擬了火焰的光場信息獲取過程，獲得了相應(yīng)的原始光場模擬圖像。
　　針對彌散介質(zhì)輻射傳輸反問題的研究，歸納總結(jié)了目前常用的幾種求解輻射傳輸反問題

3、的正則化方法、梯度基方法和智能優(yōu)化算法。在此基礎(chǔ)上發(fā)展了幾種改進型算法并將其應(yīng)用于輻射傳輸逆問題的求解，證明了改進的算法具有更高的精度、效率和穩(wěn)定性。
　　在上述輻射傳輸正、反問題理論研究基礎(chǔ)上建立了基于最小二乘QR分解算法(LSQR)的介質(zhì)三維溫度場重構(gòu)方法，在介質(zhì)輻射特性參數(shù)已知條件下根據(jù)介質(zhì)邊界出射輻射強度分布重構(gòu)介質(zhì)三維溫度場，并且通過大量的計算證明該重構(gòu)方法具有較高的計算精度和計算效率。同時研究了介質(zhì)輻射特性參數(shù)、溫度場

4、重構(gòu)分辨率以及輻射強度成像分辨率對介質(zhì)溫度場重構(gòu)精度的影響。
　　進一步提出了基于LSQR-SPSO混合優(yōu)化算法的彌散介質(zhì)光熱參數(shù)同時重構(gòu)方法，根據(jù)介質(zhì)兩組不同方向上的輻射強度分布同時重構(gòu)出介質(zhì)的三維溫度場和均勻輻射特性參數(shù)（吸收系數(shù)、散射系數(shù)）。大量的數(shù)值模擬計算結(jié)果表明該方法是精確有效的。同時還分析了介質(zhì)的輻射特性參數(shù)大小對于介質(zhì)光熱參數(shù)重構(gòu)精度的影響。
　　充分利用介質(zhì)光場圖像中的光譜信息，結(jié)合多光譜技術(shù)優(yōu)化了基于LS

5、QR-SPSO混合優(yōu)化算法的彌散介質(zhì)光熱參數(shù)同時重構(gòu)方法，大幅度提高了介質(zhì)溫度場和均勻輻射特性參數(shù)的重構(gòu)精度。并進一步考慮具有一定場參數(shù)優(yōu)化能力的共軛梯度法提出了基于多光譜技術(shù)和LSQR-CG混合優(yōu)化算法的彌散介質(zhì)三維溫度場和非均勻輻射特性參數(shù)同時重構(gòu)方法。通過大量數(shù)值模擬計算證明該方法可有效地同時重構(gòu)出介質(zhì)的非均勻光熱參數(shù)分布，并且與采用均勻輻射特性參數(shù)場的重建模式相比可有效提高溫度場的重構(gòu)精度，更適合于工程實際中彌散介質(zhì)三維溫度場的