基于聲學(xué)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(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象，需要對其進(jìn)行有效監(jiān)測并及時采取應(yīng)用策略。
　　現(xiàn)有溫度測量方法多數(shù)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(zhǔn)確的溫度信息，則需從“溫度場”角度入手進(jìn)行實時監(jiān)測分析，進(jìn)而有效控制。
　　聲學(xué)測溫是一種新興的非接觸式測溫技術(shù)，主要依據(jù)聲波在介質(zhì)傳播過程中某些特性參數(shù)與溫度的相關(guān)性，通過測量這些特性參數(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)生了一類常用的聲學(xué)測溫方法，即聲速法。除非接觸特性之外，聲學(xué)測溫技術(shù)還具有測量溫度范圍

3、廣、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、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(lǐng)域存在巨大的應(yīng)用潛力。
　　本文以聲速法聲學(xué)測溫技術(shù)為主要研究對象，在其技術(shù)原理及單路徑聲學(xué)溫度測量研究的基礎(chǔ)上，從二維、三維方向上探討聲學(xué)溫度場重建的相關(guān)理論和方法。圍繞聲學(xué)溫度場重建過程中的關(guān)鍵影響因素開展研究工作，結(jié)合具體應(yīng)用需求和當(dāng)前研究所面臨問題提出針對性解決方案，以期為聲學(xué)測溫技術(shù)在未來的實際應(yīng)用提供進(jìn)一步的理論

4、基礎(chǔ)和技術(shù)參考。
　　本文具體研究內(nèi)容可簡要概括為以下五個方面：
　?、俑攀隽爽F(xiàn)有溫度測量技術(shù)及其優(yōu)缺點，總結(jié)聲學(xué)測溫技術(shù)優(yōu)勢；綜述了聲學(xué)測溫技術(shù)的發(fā)展歷史、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及當(dāng)前面臨的問題；介紹了單路徑溫度測量方法和聲學(xué)溫度場重建原理，并對聲學(xué)溫度場重建關(guān)鍵影響因素展開分析討論。
　?、谘芯苛寺晫W(xué)測溫技術(shù)領(lǐng)域中的經(jīng)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(jīng)典算法所得結(jié)果在待測區(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(jìn)算法綜合了最小二乘法和徑向基函數(shù)二者的優(yōu)勢，既解決了重建結(jié)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(dāng)。因此

6、，在經(jīng)典的基于最小二乘溫度場重建算法適用的場景，本改進(jìn)算法可彌補(bǔ)或提升原經(jīng)典算法的溫度場重建效果。
　　③針對已有聲學(xué)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(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，同時結(jié)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(shù)建立聲學(xué)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(xiàn)溫度場的高精度重建。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(jìn)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(luò)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(qiáng)，同時也證明分體式聲波換能器在當(dāng)前的實用性,及基于回波包絡(luò)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(xiàn)實需求，而當(dāng)前聲學(xué)測溫領(lǐng)域關(guān)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(xué)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(jié)合理論和仿真分析進(jìn)行合理選擇和設(shè)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(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量和二維溫度場重建研究的基礎(chǔ)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(fù)雜程度不同的溫度分布均具有十分理想的重建效果；針對圓柱體區(qū)域提出的溫度場重建方法對簡單溫度分布效