基于声学测温的温度场重建算法研究

发布时间：2017-11-01 02:29

  本文关键词：基于声学测温的温度场重建算法研究

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【摘要】：温度是用以表明物体或环境冷热程度的物理量,在日常生活、农业生产以及工业制造领域都具有十分重要的意义。一方面它可作为判断环境或设备运行状况的重要参考信息,另一方面它也常常是直接或间接的控制对象,需要对其进行有效监测并及时采取应用策略。现有温度测量方法多数为接触式单点测量,且不适合在高温、高压、腐蚀等恶劣条件下长时间连续工作。然而,温度不仅是具有空间层面意义的概念,在一维、二维以及三维方向上均存在一定分布特征,同时它还是一个跟随时间变化的物理量,且变化迅速不定。基于温度的空间分布和时变特性,为获得更为全面、准确的温度信息,则需从“温度场”角度入手进行实时监测分析,进而有效控制。声学测温是一种新兴的非接触式测温技术,主要依据声波在介质传播过程中某些特性参数与温度的相关性,通过测量这些特性参数或其变化而推导出温度信息。而其中,基于声波传播速度与温度之间的特定函数关系产生了一类常用的声学测温方法,即声速法。除非接触特性之外,声学测温技术还具有测量温度范围广、环境适应性强、实时连续等特点,且能用于空间温度分布测量,同时不受微波电磁场干扰的优点,更使其在微波工业领域存在巨大的应用潜力。本文以声速法声学测温技术为主要研究对象,在其技术原理及单路径声学温度测量研究的基础上,从二维、三维方向上探讨声学温度场重建的相关理论和方法。围绕声学温度场重建过程中的关键影响因素开展研究工作,结合具体应用需求和当前研究所面临问题提出针对性解决方案,以期为声学测温技术在未来的实际应用提供进一步的理论基础和技术参考。本文具体研究内容可简要概括为以下五个方面:(1)概述了现有温度测量技术及其优缺点,总结声学测温技术优势;综述了声学测温技术的发展历史、国内外研究现状及当前面临的问题;介绍了单路径温度测量方法和声学温度场重建原理,并对声学温度场重建关键影响因素展开分析讨论。(2)研究了声学测温技术领域中的经典算法,即基于最小二乘温度场重建算法,并分析其优点和不足。针对经典算法所得结果在待测区域边界出现的温度信息缺失现象,提出了改进的基于最小二乘和Multiquadric插值的温度场重建算法。该改进算法基本思想是:首先基于最小二乘法获得待测区域划分小区块的平均温度,然后将该组平均温度作为各小区块几何中心点的温度值,通过建立Multiquadric径向基插值模型估算出待测区域其他位置的温度值。改进算法综合了最小二乘法和径向基函数二者的优势,既解决了重建结果在待测区域边界的温度信息缺失问题,又保持了简单、快速的优点,且重建精度相当。因此,在经典的基于最小二乘温度场重建算法适用的场景,本改进算法可弥补或提升原经典算法的温度场重建效果。(3)针对已有声学温度场重建算法存在的不足,开展了基于径向基拟合和奇异值分解的温度场重建算法及相关研究。该算法结合了径向基在函数表达及散乱、稀疏数据插值与拟合方面的突出能力,同时结合奇异值分解在处理反演问题方面的巨大优势:首先利用径向基函数建立声学温度场重建反演模型,然后通过奇异值分解求解该模型,从而实现温度场的高精度重建。仿真研究结果从定性和定量上均表明,该算法具有十分理想的重建性能。为考察基于径向基拟合和奇异值分解的重建算法在实际环境中的重建效果,本文选用了常见易得的分体式声波换能器,在实验室条件进行实测研究,并针对声波飞行时间的测量精度问题,提出基于回波包络上升沿拟合的声波飞行时间测量方法。实测研究表明,基于径向基拟合和奇异值分解的重建算法在实际环境中反映温度分布特征的能力较强,同时也证明分体式声波换能器在当前的实用性,及基于回波包络上升沿拟合的声波飞行时间测量方法的有效性。(4)圆形待测区域温度场重建存在很大的现实需求,而当前声学测温领域关于此方面的研究极少。针对这一矛盾,本文提出了一种适用于特殊圆形待测区域的声学温度场重建方法,简称为径向基圆区域重建法。该部分研究主要从温度场重建算法、声波换能器布局方式、有效声波路径选择,以及待测区域区块划分方式等方面展开讨论,结合理论和仿真分析进行合理选择和设计。仿真研究表明,在不同噪声影响下,提出的径向基圆区域重建法对圆形待测区域中各种复杂程度不同的温度分布均具有很好的重建效果。相比现有的最小二乘圆区域重建法而言,本文方法在重建精度上有很大的提高,而且不存在边界温度信息缺失现象。(5)在单路径温度测量和二维温度场重建研究的基础上开展了三维温度场重建研究,分别提出了立方体和圆柱体区域的三维温度场重建方法。仿真研究表明,针对立方体区域提出的温度场重建方法对各种复杂程度不同的温度分布均具有十分理想的重建效果;针对圆柱体区域提出的温度场重建方法对简单温度分布效果非常好,对复杂温度分布效果稍差,但其定性反映温度分布特征的能力亦十分优秀。实际温度具有的三维空间分布特性催生了三维温度场重建的必要性,然而现实的种种困难又不同程度上阻碍着此方面研究的进展情况。由于可供参考的相关研究较少,本文关于三维待测区域的温度场重建研究基本是在假设理想条件下开展的理论研究,没有过多考虑环境干扰和换能器性能限制等现实约束,相关内容有望在后续开展更为深入的研究。
【关键词】：声学测温 温度场重建 温度测量 重建算法 反演算法
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH811
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-13
• 1 绪论13-21
• 1.1 研究背景及意义13-15
• 1.1.1 研究背景13-14
• 1.1.2 研究意义14-15
• 1.2 温度测量技术概述15-16
• 1.3 声学测温技术发展历史及研究现状16-19
• 1.3.1 声学测温技术发展历史16-17
• 1.3.2 国外研究现状17-18
• 1.3.3 国内研究现状18-19
• 1.4 课题来源与主要研究内容19-21
• 1.4.1 课题来源19
• 1.4.2 研究内容及其章节安排19-21
• 2 声学测温及温度场重建理论研究21-31
• 2.1 引言21
• 2.2 声学测温原理21-23
• 2.2.1 波动方程21-22
• 2.2.2 声学测温方程22-23
• 2.3 单路径声学温度测量23-26
• 2.3.1 单路径平均温度测量23-24
• 2.3.2 单路径一维温度分布测量24-26
• 2.4 声学温度场重建原理及其关键影响因素26-29
• 2.4.1 声学温度场重建原理26-27
• 2.4.2 声学温度场重建关键影响因素27-29
• 2.5 本章小结29-31
• 3 基于最小二乘温度场重建算法及其改进算法31-49
• 3.1 引言31-32
• 3.2 基于最小二乘温度场重建算法32-34
• 3.2.1 最小二乘法理论基础32
• 3.2.2 基于最小二乘的温度场重建算法原理32-34
• 3.3 基于最小二乘和MULTIQUADRIC插值的温度场重建算法34-37
• 3.3.1 径向基函数理论及Multiquadric插值模型35-36
• 3.3.2 基于最小二乘和Multiquadric插值的温度场重建算法36-37
• 3.4 仿真验证及结果分析37-47
• 3.4.1 参数设置及评价指标38-40
• 3.4.2 仿真结果及分析40-47
• 3.5 本章小结47-49
• 4 基于径向基拟合和奇异值分解的温度场重建研究49-73
• 4.1 引言49-50
• 4.2 基于径向基拟合和奇异值分解的温度场重建算法50-53
• 4.2.1 基于径向基函数的温度场重建反演模型50-51
• 4.2.2 温度场重建反演模型求解51-53
• 4.3 基于径向基拟合和奇异值分解的温度场重建仿真研究53-60
• 4.3.1 声波换能器布局方式及有效声波路径选择53-54
• 4.3.2 待测区域区块划分54-55
• 4.3.3 参数设置及评价指标55-56
• 4.3.4 仿真结果及分析56-60
• 4.4 基于分体式声波换能器的温度场重建实测验证60-71
• 4.4.1 分体式声波换能器及其布局分析60-61
• 4.4.2 基于回波包络上升沿拟合的声波飞行时间测量61-66
• 4.4.3 实验环境搭建66-68
• 4.4.4 温度场重建结果及分析68-71
• 4.5 本章小结71-73
• 5 特殊圆形待测区域声学温度场重建研究73-89
• 5.1 引言73
• 5.2 圆形待测区域温度场重建困难性分析73-74
• 5.3 最小二乘圆区域重建法74-76
• 5.3.1 声波换能器布局及有效声波路径选择75-76
• 5.3.2 待测区域区块划分76
• 5.4 径向基圆区域重建法76-78
• 5.4.1 声波换能器布局及有效声波路径选择76-77
• 5.4.2 待测区域区块划分77-78
• 5.5 仿真验证及结果分析78-87
• 5.5.1 参数设置及评价指标78-79
• 5.5.2 仿真结果及分析79-87
• 5.6 本章小结87-89
• 6 三维空间声学温度场重建研究89-113
• 6.1 引言89-90
• 6.2 基于径向基拟合和奇异值分解的三维温度场重建算法90-91
• 6.2.1 三维温度场重建反演模型90-91
• 6.2.2 温度场重建反演模型求解91
• 6.3 立方体三维温度场重建研究91-94
• 6.3.1 声波换能器布局91-92
• 6.3.2 有效声波传播路径选择92-93
• 6.3.3 待测区域区块划分93-94
• 6.4 圆柱体三维温度场重建研究94-96
• 6.4.1 声波换能器布局94
• 6.4.2 有效声波传播路径选择94-95
• 6.4.3 待测区域区块划分95-96
• 6.5 仿真验证及结果分析96-112
• 6.5.1 参数设置及评价指标96-97
• 6.5.2 立方体三维温度场重建仿真结果与分析97-104
• 6.5.3 圆柱体三维温度场重建仿真结果与分析104-112
• 6.6 本章小结112-113
• 7 总结与展望113-117
• 7.1 主要工作与贡献113-115
• 7.2 创新点115
• 7.3 未来的研究工作115-117
• 致谢117-119
• 参考文献119-129
• 附录129
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录129
• B. 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目129
• C. 作者在攻读博士学位期间获得的部分荣誉129

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本文编号：1124880