基于成像差分吸收光谱技术和压缩感知理论的烟囱烟羽断层重建研究

烟羽断层重建质量受两方面条件限制：其中一个限制条件是遥感设备的时间分辨率。以往的研究多使用多轴差分吸收光谱仪（MAX-DOAS）进行CT重建,受采集数据速度的限制,重建图像的时间分辨率较低。另一个限制条件是,采集到的数据量有限,是典型的不完全角度重建。过去多使用代数迭代重建算法或统计迭代重建算法,重建图像受测量误差的影响比较大,分辨率较低且伪影较多。构造了基于成像差分吸收光谱技术（IDOAS）的光谱数据采集系统,与多轴差分吸收光谱仪构造的系统相比,数据采集的时间分辨率提高了160多倍,基本解决了时间分辨率的问题。提出了一种基于压缩感知理论和低三阶导数模型的烟羽断层重建算法--投影凸函数集低三阶导数法,简称为POCS-LTD。在投影的过程中,使用代数重建算法使重建图像符合投影方程;在全变分迭代的过程中使用了优化算法,将低三阶导数模型的全变分归一化值作为优化算法的迭代方向,前次迭代运算结果与本次投影运算的差值的模作为迭代步长。对重建算法进行了数值模拟,并以重建图像的接近度和一致性相关因子为指标,对重建结果进行了分析。数值模拟表明,算法具有良好的抗误差能力,与传统的低三阶导数法相比,本文提出的算法将重建接近度减小了80%以上。使用烟羽数据采集系统进行了外场实验,用POCS-LTD算法对外场实验的数据进行了烟羽重建,重建图像显示烟羽图像清晰,伪影得到了较好的抑制。介绍的烟羽断层数据采集系统和烟羽断层重建算法,提高了烟羽断层重建图像的时间分辨率,减少了重建图像的伪影,扩大了光谱测量技术的应用范围。     

电厂烟囱烟羽截面断层重建研究

针对多轴差分吸收光谱仪重建图像的时间分辨率较低的问题,将成像差分吸收光谱仪技术与非负最小二乘法相结合,提出了一种新的重建二氧化硫(SO2)气体的空间二维分布的方法。采用Savitzky-Golay滤波器对采样得到的柱浓度数据进行预处理,使用顺序坐标法进行重建,并利用克里金插值平滑重建图像。数值仿真结果表明,重建图像的接近度最低可达0.11。实验结果表明,所提方法从采集数据到完成图像重建的时间为52.37s,适用于捕捉烟羽截面的瞬态浓度,可实时重建SO_2分布。     

基于多波长激光吸收光谱技术的气体浓度与温度二维分布遗传模拟退火重建研究

利用可调谐半导体激光吸收光谱技术实现气体浓度温度二维分布重建.设计了气体浓度温度二维分布重建测量系统,采用四路波分复用技术以减少投影光路布置数量和增加气体吸收测量信息.针对于图像重建过程中建立的非线性投影方程组,将遗传算法与模拟退火算法相结合进行求解,在实现全局最优搜索基础上提高算法搜索效率.建立燃烧环境下H2O浓度温度二维分布模型,借助于近红外波段1.3—1.5μm范围内4条H2O气体吸收谱线,利用数值模拟计算方法进行了气体分布重建,重建结果与模型符合得很好.通过在投影数据中添加不同比例的随机误差,考察其对气体分布重建结果的影响.研究表明,气体浓度分布重建结果对于投影误差不敏感,而增加投影误差幅值将导致温度分布重建均方误差增大。     

可调谐激光吸收光谱应用于气体二维浓度分布重建研究

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS),设计了气体浓度二维分布重建系统。将单路可调谐激光分为24路,交叉穿过目标区域,得到24组直接吸收信号(DA),并采用代数迭代法(ART)计算得到目标区域气体浓度二维分布。搭建了二维气体浓度分布测量试验台,利用中心波长在1.653μm的DFB激光器作为光源,选取HITRAN数据库CH4的2v3带R(3)线作为计算谱线进行数值模拟和试验验证,并对重建结果进行了误差分析。结果表明重建系统能很好的实现气体二维浓度分布重建测量。     

基于先验图像约束的多光谱压缩感知

在低采样率、低信噪比(SNR)的探测条件下,多光谱重建图像噪声增多,重建质量大幅度降低。为了提高多光谱图像的重建质量,提出了一种基于先验图像约束的多光谱压缩感知(PICHCS)重建方法。PICHCS利用多光谱图像的空间相关性和谱间相关性重建出初始图像,并将相邻谱段的初始图像取平均获得高信噪比的先验图像。先验图像与目标图像相减可以使优化目标稀疏化,并使得重建结果具有与先验图像类似的高信噪比特性。通过数值模拟和实验验证了该重建算法的可行性,并在不同的采样率、信噪比条件下和全变差低秩联合重建算法进行了对比研究。结果表明,PICHCS可以在低采样率低信噪比情况下提高多光谱图像的重建质量,从而降低对数据采样率和系统信噪比的要求。     

可调谐半导体激光吸收光谱技术应用于平面火焰中气体浓度二维分布重建的研究

研究了可调谐半导体激光吸收光谱技术实现气体浓度二维分布测量的方法,探索了重建气体浓度二维分布的模型和算法,并采用数值模拟的方式对重建程序进行了可行性验证。搭建了由24束激光束构成的场参数测量系统,以甲烷/空气预混火焰中H₂O为测量对象,运用重建程序重建了火焰中H₂O浓度的二维分布,实验结果分析表明,重建结果较真实的反应了火焰中H₂O浓度的二维分布状态,为实现优化燃烧控制提供重要数据。     

多轴差分吸收光谱断层扫描重建烟羽空间分布

为了实现烟羽二维空间分布的精确重建, 建立了被动多轴差分吸收光谱断层扫描系统,实现了多台被动多轴差分吸收光谱系统对废气烟羽空间分布的测量。首先,介绍了多轴差分吸收光谱系统及其反演气体浓度的机理。接着,使用代数迭代算法对不同的重建模型,采用不同的扫描光路进行了重建模拟,并设计了重建程序。然后,对数值模拟仿真结果进行了分析比较。最后,搭建了多轴差分吸收光扫描系统平台,进行了外场试验。数值模拟的结果显示：MAX-DOAS层析技术能精确的重建出烟羽模型的二维空间分布,四光源光路的重建误差约是双光源光路重建误差的三分之一,四光源重建时间约是双光源重建时间的四分之一,且双峰模型的重建误差大于单峰模型的重建误差。外场试验的结果显示：重建图像的积分数据与多轴差分吸收光谱测得的投影数据是一致的,说明重建出的烟羽空间分布符合实际情况。研究表明,数值模拟的结果与外场试验的结果具有一致性。     

旋风分离器固体颗粒浓度三维电容层析成像分布

本文采用12电极电容传感器测量得到旋风分离器锥体部分的电容信号,利用线性逆反推算法得到断面固体颗粒的二维浓度分布。基于二维断面浓度分布,采用电容三维图像重建算法,得到锥体部分的三维颗粒浓度分布。图像重建结果与旋风分离器实际运行状况和数值计算结果吻合,说明电容层析成像及三维图像重建方法的准确性和可行性。     

二维有耗色散介质的时域逆散射方法

为了重建二维有耗色散介质的电参数分布,基于Debye模型,应用泛函分析和变分法,提出一种时域逆散射新方法.该方法首先以最小二乘准则构造目标函数,将逆问题表示为约束最小化问题,接着应用罚函数法转化为无约束最小化问题,然后基于变分计算导出闭式的Lagrange函数关于特征参数的Fréchet导数,最后借助梯度算法和时域有限差分法迭代反演Debye模型参数.为了对抗噪声污染和逆问题的病态特性,采用了一阶Tikhonov正则化方法.数值应用中,利用Polak-Ribière-Polyak非线性共轭梯度法,对二维乳     

基于广义变分正则化的闪光照相图像重建算法

 针对闪光照相图像信噪比低的特点,提出了一种基于广义变分正则化的图像重建算法,该方法采用p-范数取代目前广泛采用的全变分范数作为正则项,构造了用于图像重建的展平泛函,将图像重建问题转化为目标泛函最优化问题,采用固定点迭代法求解图像重建的最优解。数值计算结果表明,该算法在重建过程中能够有效抑制图像噪声,并加大对图像边缘的保持能力,从而提高了图像重建质量,是一种有效且性能优良的闪光照相图像重建算法。     

考虑冷气组分扩散的气冷涡轮流场的数值模拟

推导了自然曲线坐标系下时间平均的多组分扩散方程,在原程序基础上增加了对冷气组分扩散方程的求解,以及多组分对比热和气体常数的影响.并对某型两级带冷气喷射的涡轮叶栅进行了全三维N-S方程数值求解.描述了考虑组分变化后的冷气浓度和气体常数在叶栅中的分布,所得比热、温度分布则与不考虑冷气浓度影响的计算结果进行了对比.结果表明,在冷气掺混数值计算中,冷气组分的影响有必要加以考虑.     

基于改进模拟退火算法的非均匀燃烧场分布重建

本文研究了选取不同谱线组合对非均匀燃烧场分布重建精度的影响,并针对传统模拟退火算法收敛速度慢、运行效率不高的问题,提出了一种改进的模拟退火算法(ISA算法)用于燃烧流场的场分布重建.通过改变算法的模型扰动及退火方式,大大提高了算法的运行效率.数值仿真模拟结果显示,纳入更多的谱线有助于提高燃烧场重建的精度和降低重建对噪声的敏感性.相较于传统模拟退火算法,改进模拟退火算法在精度一致的前提下,将运行效率提升了近40倍.利用改进模拟退火算法在实验室平焰炉上重建了两种不同燃烧状态,重建分布与原始分布基本一致.通过数值仿真与实际实验,验证了该方法的有效性,对高光谱重建燃烧流场的温度浓度分布具有一定的指导意义.     

基于图像分割的时域乳腺扩散光学层析成像方法

鉴于乳腺光学层析成像方法中的不适定性严重影响重建图像性能,引入图像分割技术.通过选择合适的图像分割阈值,将基于全域重建的图像分割为背景区域和目标区域,再对得到的"目标区域"进行二次图像重建.数值模拟研究表明,该技术可有效地减小反演变量的维数,提高重建图像的性能.     

CFB顶部固体浓度的小波降噪ECT测量

应用电容层析成像(ECT)方法对循环流化床(CFB)顶部的固体浓度分布进行了测量;应用小波分析进行信号降噪和图像重建的改善.研究发现小波分析有双重作用:(1)降低ECT重建图像中的噪声;(2)对粗像素划分造成的图像粗燥边界产生平滑作用.数据显示了循环流化床顶部的固体浓度分布,尤其是角部和出口处的较高固体浓度.     

主成分分析在温室气体时序红外光谱处理中的应用研究

傅里叶变换红外光谱技术可同时测量多种温室气体组分的浓度。仪器噪声和谱线重叠效应会对光谱数据的质量产生影响,从而影响各组分反演浓度的结果。针对上述问题,使用不同数量的主成分对时序测量光谱矩阵进行重建,并将重建光谱矩阵与原始光谱矩阵之间的欧式距离和余弦距离作为动态选择主成分数量的判据,重建时序测量光谱,从而提高时序光谱数据的质量。采用该方法分别对数值仿真光谱、标准气体测量光谱和外场实验测量光谱进行了处理。结果表明,叠加0.001 RMS噪声的数值仿真光谱经过光谱重建后,光谱的结构特征未明显改变,重建光谱与原始光谱之间的残差标准差为4.191×10^-4,有效降低了测量光谱中噪声的影响。采用该方法对标准气体的平均测量光谱进行了重建,并比较了重建光谱与平均光谱的反演浓度精度。1 min平均测量光谱反演各组分浓度的精度为CO₂:0.24μmol·mol^-1、 CH₄:5.24 nmol·mol^-1、 N₂O:2.92 nmol·mol^-1和CO:...     

基于吸收光谱层析成像的气体摩尔分数和温度分布二维重建

基于可调谐二极管激光吸收光谱层析成像技术,采用代数迭代重建算法,实现对气体摩尔分数场和温度场二维分布的重建.利用半透半反镜,将激光束反复穿过被测区域,用多个探测器依序接收,固定光路瞬时测量.建立H2O蒸气摩尔分数和温度分布模型,数值分析了初始光线角度、光线数目、网格数目对重建结果的影响.通过对初始假定分布数据进行取样得到期望数据,将期望数据与重建数据的对比结果作为重建结果评价依据,通过插值与初始数据比较评判整个重建方案.结果表明新的光线分布能够较好地对被测区域进行重建,同时证明了期望数据描述方法可行.     

基于改进的多轴差分吸收光谱层析技术的烟羽浓度峰重建

建立了被动多轴差分吸收光谱层析系统,实现烟羽气体的时空浓度分布测量,分别采用传统的同步迭代重建算法(SIRT)和改进的SIRT对测量数据进行了重建分析,克服了一些实际测试中不能获 取大量投影数据或投影分布不均匀、存在噪声的问题,精确地重建出大气痕量气体的二维空间分布．在不同的模型及评价指标下,通过数值模拟对两种重建算法的效果进行比较,改变改进的SIRT算法中的松弛因子,在5500次的迭代过程中,指标d从0.435降到了0.044,指标r从0.376降到了0.044,改进的SIRT算法具有更好的重建效果．外场重建试验中成功重建了大气痕量气体的二维空间．     

一种改进的光学层析图像重建方法

Alexander D．Klose将联合差分方法用于光学层析图像重建的梯度计算中,但给出的对光学参量的求导算法有局限,他的算法只能实现对边界点光学参量的导数计算,而无法实现对内部点光学参量导数的计算,会导致图像重建失败。在联合差分算法的基础上,研究了针对内部点光学参量的求导方法,给出了一种基于树形结构的对内部点光学参量求导的策略。具体实现时,为了降低计算复杂度,采用近似梯度计算方法。算法的仿真实验结果表明：该方法可以有效地实现对内部点光学参量的导数计算,提出的近似计算方法可降低梯度计算复杂度,提高运算速度,并可得到良好的图像重建质量。     

基于贝叶斯准则的闪光照相图像重建

 针对闪光照相图像低信噪比的特点,研究了一种带约束的贝叶斯图像重建算法,较好地抑制了噪声对重建结果的影响,同时对细节信号具有较高的保持能力。该算法以贝叶斯重建为基础,在重建过程中考虑了闪光照相图像的受模糊影响比较严重的特点,引入了重建结果具有平滑性的先验信息进行约束,以提高重建结果的信噪比。通过在迭代过程中对重建结果进行平滑性约束以提高重建质量。数值模拟结果表明,该方法在闪光照相图像重建中具有较好的抗噪能力和边界保持能力。     

基于激光吸收光谱技术的燃烧场气体温度和浓度二维分布重建研究

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术和代数迭代算法（ART）实现燃烧场温度和浓度二维分布重建．采用时分复用技术,在1kHz扫描频率下分别扫描H2O的两条吸收谱线,7205．25和7416．05cm^-1,对温度分布在300-1100K范围内的气体温度场进行了重建．研究了投影角度和投影光线数目对温度场和浓度场重建结果的影响,并将温度场重建结果与热电偶测量结果进行比较,结果表明,采用四个投影方向时,温度场重建结果与热电偶测量结果除中心低温区域外基本符合．当光线数目减少时,通过在两条光线间增加虚拟光线,代入到迭代算法中,增加光线数目,提高了温度场和浓度场的重建效果．但此方法受到燃烧场温度梯度大小的影响,即在两条光线之间气体温度梯度较大,增加虚拟光线提高温度场重建效果不明显．