基于聲學測溫的溫度場重建算法研究.pdf

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、農業(yè)生產以及工業(yè)制造領域都具有十分重要的意義。一方面它可作為判斷環(huán)境或設備運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象，需要對其進行有效監(jiān)測并及時采取應用策略。
　　現有溫度測量方法多數為接觸式單點測量，且不適合在高溫、高壓、腐蝕等惡劣條件下長時間連續(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，同時它還是一個跟隨

2、時間變化的物理量，且變化迅速不定?；跍囟鹊目臻g分布和時變特性，為獲得更為全面、準確的溫度信息，則需從“溫度場”角度入手進行實時監(jiān)測分析，進而有效控制。
　　聲學測溫是一種新興的非接觸式測溫技術，主要依據聲波在介質傳播過程中某些特性參數與溫度的相關性，通過測量這些特性參數或其變化而推導出溫度信息。而其中，基于聲波傳播速度與溫度之間的特定函數關系產生了一類常用的聲學測溫方法，即聲速法。除非接觸特性之外，聲學測溫技術還具有測量溫度范圍

3、廣、環(huán)境適應性強、實時連續(xù)等特點，且能用于空間溫度分布測量，同時不受微波電磁場干擾的優(yōu)點，更使其在微波工業(yè)領域存在巨大的應用潛力。
　　本文以聲速法聲學測溫技術為主要研究對象，在其技術原理及單路徑聲學溫度測量研究的基礎上，從二維、三維方向上探討聲學溫度場重建的相關理論和方法。圍繞聲學溫度場重建過程中的關鍵影響因素開展研究工作，結合具體應用需求和當前研究所面臨問題提出針對性解決方案，以期為聲學測溫技術在未來的實際應用提供進一步的理論

4、基礎和技術參考。
　　本文具體研究內容可簡要概括為以下五個方面：
　　①概述了現有溫度測量技術及其優(yōu)缺點，總結聲學測溫技術優(yōu)勢；綜述了聲學測溫技術的發(fā)展歷史、國內外研究現狀及當前面臨的問題；介紹了單路徑溫度測量方法和聲學溫度場重建原理，并對聲學溫度場重建關鍵影響因素展開分析討論。
　?、谘芯苛寺晫W測溫技術領域中的經典算法，即基于最小二乘溫度場重建算法，并分析其優(yōu)點和不足。針對經典算法所得結果在待測區(qū)域邊界出現的溫度信息

5、缺失現象，提出了改進的基于最小二乘和Multiquadric插值的溫度場重建算法。該改進算法基本思想是：首先基于最小二乘法獲得待測區(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)塊幾何中心點的溫度值，通過建立Multiquadric徑向基插值模型估算出待測區(qū)域其他位置的溫度值。改進算法綜合了最小二乘法和徑向基函數二者的優(yōu)勢，既解決了重建結果在待測區(qū)域邊界的溫度信息缺失問題，又
　　保持了簡單、快速的優(yōu)點，且重建精度相當。因此

6、，在經典的基于最小二乘溫度場重建算法適用的場景，本改進算法可彌補或提升原經典算法的溫度場重建效果。
　　③針對已有聲學溫度場重建算法存在的不足，開展了基于徑向基擬合和奇異值分解的溫度場重建算法及相關研究。該算法結合了徑向基在函數表達及散亂、稀疏數據插值與擬合方面的突出能力，同時結合奇異值分解在處理反演問題方面的巨大優(yōu)勢：首先利用徑向基函數建立聲學溫度場重建反演模型，然后通過奇異值分解求解該模型，從而實現溫度場的高精度重建。仿真研究

7、結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際環(huán)境中的重建效果，本文選用了常見易得的分體式聲波換能器，在實驗室條件進行實測研究，并針對聲波飛行時間的測量精度問題，提出基于回波包絡上升沿擬合的聲波飛行時間測量方法。實測研究表明，基于徑向基擬合和奇異值分解的重建算法在實際環(huán)境中反映溫度分布特征的能力較強，同時也證明分體式聲波換能器在當前的實用性,及基于回波包絡上升沿擬合的

8、聲波飛行時間測量方法的有效性。
　?、軋A形待測區(qū)域溫度場重建存在很大的現實需求，而當前聲學測溫領域關于此方面的研究極少。針對這一矛盾，本文提出了一種適用于特殊圓形待測區(qū)域的聲學溫度場重建方法，簡稱為徑向基圓區(qū)域重建法。該部分研究主要從溫度場重建算法、聲波換能器布局方式、有效聲波路徑選擇，以及待測區(qū)域區(qū)塊劃分方式等方面展開討論，結合理論和仿真分析進行合理選擇和設計。仿真研究表明，在不同噪聲影響下，提出的徑向基圓區(qū)域重建法對圓形待測區(qū)

9、域中各種復雜程度不同的溫度分布均具有很好的重建效果。相比現有的最小二乘圓區(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象。
　?、菰趩温窂綔囟葴y量和二維溫度場重建研究的基礎上開展了三維溫度場重建研究，分別提出了立方體和圓柱體區(qū)域的三維溫度場重建方法。仿真研究表明，針對立方體區(qū)域提出的溫度場重建方法對各種復雜程度不同的溫度分布均具有十分理想的重建效果；針對圓柱體區(qū)域提出的溫度場重建方法對簡單溫度分布效