本文關(guān)鍵詞：基于聲學(xué)測(cè)溫的溫度場(chǎng)重建算法研究

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【摘要】：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(duì)象,需要對(duì)其進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)并及時(shí)采取應(yīng)用策略。現(xiàn)有溫度測(cè)量方法多數(shù)為接觸式單點(diǎn)測(cè)量,且不適合在高溫、高壓、腐蝕等惡劣條件下長時(shí)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(shí)它還是一個(gè)跟隨時(shí)間變化的物理量,且變化迅速不定。基于溫度的空間分布和時(shí)變特性,為獲得更為全面、準(zhǔn)確的溫度信息,則需從“溫度場(chǎng)”角度入手進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析,進(jìn)而有效控制。聲學(xué)測(cè)溫是一種新興的非接觸式測(cè)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(cè)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(cè)溫方法,即聲速法。除非接觸特性之外,聲學(xué)測(cè)溫技術(shù)還具有測(cè)量溫度范圍廣、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、實(shí)時(shí)連續(xù)等特點(diǎn),且能用于空間溫度分布測(cè)量,同時(shí)不受微波電磁場(chǎng)干擾的優(yōu)點(diǎn),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(cè)溫技術(shù)為主要研究對(duì)象,在其技術(shù)原理及單路徑聲學(xué)溫度測(cè)量研究的基礎(chǔ)上,從二維、三維方向上探討聲學(xué)溫度場(chǎng)重建的相關(guān)理論和方法。圍繞聲學(xué)溫度場(chǎng)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(duì)性解決方案,以期為聲學(xué)測(cè)溫技術(shù)在未來的實(shí)際應(yīng)用提供進(jìn)一步的理論基礎(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(gè)方面:(1)概述了現(xiàn)有溫度測(cè)量技術(shù)及其優(yōu)缺點(diǎn),總結(jié)聲學(xué)測(cè)溫技術(shù)優(yōu)勢(shì);綜述了聲學(xué)測(cè)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(cè)量方法和聲學(xué)溫度場(chǎng)重建原理,并對(duì)聲學(xué)溫度場(chǎng)重建關(guān)鍵影響因素展開分析討論。(2)研究了聲學(xué)測(cè)溫技術(shù)領(lǐng)域中的經(jīng)典算法,即基于最小二乘溫度場(chǎng)重建算法,并分析其優(yōu)點(diǎn)和不足。針對(duì)經(jīng)典算法所得結(jié)果在待測(cè)區(qū)域邊界出現(xiàn)的溫度信息缺失現(xiàn)象,提出了改進(jìn)的基于最小二乘和Multiquadric插值的溫度場(chǎng)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(cè)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(diǎn)的溫度值,通過建立Multiquadric徑向基插值模型估算出待測(cè)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(shì),既解決了重建結(jié)果在待測(cè)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(diǎn),且重建精度相當(dāng)。因此,在經(jīng)典的基于最小二乘溫度場(chǎng)重建算法適用的場(chǎng)景,本改進(jìn)算法可彌補(bǔ)或提升原經(jīng)典算法的溫度場(chǎng)重建效果。(3)針對(duì)已有聲學(xué)溫度場(chǎng)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(chǎng)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(shí)結(jié)合奇異值分解在處理反演問題方面的巨大優(yōu)勢(shì):首先利用徑向基函數(shù)建立聲學(xué)溫度場(chǎng)重建反演模型,然后通過奇異值分解求解該模型,從而實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)的高精度重建。仿真研究結(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(shí)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(shí)驗(yàn)室條件進(jìn)行實(shí)測(cè)研究,并針對(duì)聲波飛行時(shí)間的測(cè)量精度問題,提出基于回波包絡(luò)上升沿?cái)M合的聲波飛行時(shí)間測(cè)量方法。實(shí)測(cè)研究表明,基于徑向基擬合和奇異值分解的重建算法在實(shí)際環(huán)境中反映溫度分布特征的能力較強(qiáng),同時(shí)也證明分體式聲波換能器在當(dāng)前的實(shí)用性,及基于回波包絡(luò)上升沿?cái)M合的聲波飛行時(shí)間測(cè)量方法的有效性。(4)圓形待測(cè)區(qū)域溫度場(chǎng)重建存在很大的現(xiàn)實(shí)需求,而當(dāng)前聲學(xué)測(cè)溫領(lǐng)域關(guān)于此方面的研究極少。針對(duì)這一矛盾,本文提出了一種適用于特殊圓形待測(cè)區(qū)域的聲學(xué)溫度場(chǎng)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(chǎng)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(cè)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(jì)。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(duì)圓形待測(cè)區(qū)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。(5)在單路徑溫度測(cè)量和二維溫度場(chǎng)重建研究的基礎(chǔ)上開展了三維溫度場(chǎng)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(chǎng)重建方法。仿真研究表明,針對(duì)立方體區(qū)域提出的溫度場(chǎng)重建方法對(duì)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(duì)圓柱體區(qū)域提出的溫度場(chǎng)重建方法對(duì)簡單溫度分布效果非常好,對(duì)復(fù)雜溫度分布效果稍差,但其定性反映溫度分布特征的能力亦十分優(yōu)秀。實(shí)際溫度具有的三維空間分布特性催生了三維溫度場(chǎng)重建的必要性,然而現(xiàn)實(shí)的種種困難又不同程度上阻礙著此方面研究的進(jìn)展情況。由于可供參考的相關(guān)研究較少,本文關(guān)于三維待測(cè)區(qū)域的溫度場(chǎng)重建研究基本是在假設(shè)理想條件下開展的理論研究,沒有過多考慮環(huán)境干擾和換能器性能限制等現(xiàn)實(shí)約束,相關(guān)內(nèi)容有望在后續(xù)開展更為深入的研究。
【關(guān)鍵詞】：聲學(xué)測(cè)溫 溫度場(chǎng)重建 溫度測(cè)量 重建算法 反演算法
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TH811
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-13
• 1 緒論13-21
• 1.1 研究背景及意義13-15
• 1.1.1 研究背景13-14
• 1.1.2 研究意義14-15
• 1.2 溫度測(cè)量技術(shù)概述15-16
• 1.3 聲學(xué)測(cè)溫技術(shù)發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀16-19
• 1.3.1 聲學(xué)測(cè)溫技術(shù)發(fā)展歷史16-17
• 1.3.2 國外研究現(xiàn)狀17-18
• 1.3.3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀18-19
• 1.4 課題來源與主要研究內(nèi)容19-21
• 1.4.1 課題來源19
• 1.4.2 研究內(nèi)容及其章節(jié)安排19-21
• 2 聲學(xué)測(cè)溫及溫度場(chǎng)重建理論研究21-31
• 2.1 引言21
• 2.2 聲學(xué)測(cè)溫原理21-23
• 2.2.1 波動(dòng)方程21-22
• 2.2.2 聲學(xué)測(cè)溫方程22-23
• 2.3 單路徑聲學(xué)溫度測(cè)量23-26
• 2.3.1 單路徑平均溫度測(cè)量23-24
• 2.3.2 單路徑一維溫度分布測(cè)量24-26
• 2.4 聲學(xué)溫度場(chǎng)重建原理及其關(guān)鍵影響因素26-29
• 2.4.1 聲學(xué)溫度場(chǎng)重建原理26-27
• 2.4.2 聲學(xué)溫度場(chǎng)重建關(guān)鍵影響因素27-29
• 2.5 本章小結(jié)29-31
• 3 基于最小二乘溫度場(chǎng)重建算法及其改進(jìn)算法31-49
• 3.1 引言31-32
• 3.2 基于最小二乘溫度場(chǎng)重建算法32-34
• 3.2.1 最小二乘法理論基礎(chǔ)32
• 3.2.2 基于最小二乘的溫度場(chǎng)重建算法原理32-34
• 3.3 基于最小二乘和MULTIQUADRIC插值的溫度場(chǎng)重建算法34-37
• 3.3.1 徑向基函數(shù)理論及Multiquadric插值模型35-36
• 3.3.2 基于最小二乘和Multiquadric插值的溫度場(chǎng)重建算法36-37
• 3.4 仿真驗(yàn)證及結(jié)果分析37-47
• 3.4.1 參數(shù)設(shè)置及評(píng)價(jià)指標(biāo)38-40
• 3.4.2 仿真結(jié)果及分析40-47
• 3.5 本章小結(jié)47-49
• 4 基于徑向基擬合和奇異值分解的溫度場(chǎng)重建研究49-73
• 4.1 引言49-50
• 4.2 基于徑向基擬合和奇異值分解的溫度場(chǎng)重建算法50-53
• 4.2.1 基于徑向基函數(shù)的溫度場(chǎng)重建反演模型50-51
• 4.2.2 溫度場(chǎng)重建反演模型求解51-53
• 4.3 基于徑向基擬合和奇異值分解的溫度場(chǎng)重建仿真研究53-60
• 4.3.1 聲波換能器布局方式及有效聲波路徑選擇53-54
• 4.3.2 待測(cè)區(qū)域區(qū)塊劃分54-55
• 4.3.3 參數(shù)設(shè)置及評(píng)價(jià)指標(biāo)55-56
• 4.3.4 仿真結(jié)果及分析56-60
• 4.4 基于分體式聲波換能器的溫度場(chǎng)重建實(shí)測(cè)驗(yàn)證60-71
• 4.4.1 分體式聲波換能器及其布局分析60-61
• 4.4.2 基于回波包絡(luò)上升沿?cái)M合的聲波飛行時(shí)間測(cè)量61-66
• 4.4.3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建66-68
• 4.4.4 溫度場(chǎng)重建結(jié)果及分析68-71
• 4.5 本章小結(jié)71-73
• 5 特殊圓形待測(cè)區(qū)域聲學(xué)溫度場(chǎng)重建研究73-89
• 5.1 引言73
• 5.2 圓形待測(cè)區(qū)域溫度場(chǎng)重建困難性分析73-74
• 5.3 最小二乘圓區(qū)域重建法74-76
• 5.3.1 聲波換能器布局及有效聲波路徑選擇75-76
• 5.3.2 待測(cè)區(qū)域區(qū)塊劃分76
• 5.4 徑向基圓區(qū)域重建法76-78
• 5.4.1 聲波換能器布局及有效聲波路徑選擇76-77
• 5.4.2 待測(cè)區(qū)域區(qū)塊劃分77-78
• 5.5 仿真驗(yàn)證及結(jié)果分析78-87
• 5.5.1 參數(shù)設(shè)置及評(píng)價(jià)指標(biāo)78-79
• 5.5.2 仿真結(jié)果及分析79-87
• 5.6 本章小結(jié)87-89
• 6 三維空間聲學(xué)溫度場(chǎng)重建研究89-113
• 6.1 引言89-90
• 6.2 基于徑向基擬合和奇異值分解的三維溫度場(chǎng)重建算法90-91
• 6.2.1 三維溫度場(chǎng)重建反演模型90-91
• 6.2.2 溫度場(chǎng)重建反演模型求解91
• 6.3 立方體三維溫度場(chǎng)重建研究91-94
• 6.3.1 聲波換能器布局91-92
• 6.3.2 有效聲波傳播路徑選擇92-93
• 6.3.3 待測(cè)區(qū)域區(qū)塊劃分93-94
• 6.4 圓柱體三維溫度場(chǎng)重建研究94-96
• 6.4.1 聲波換能器布局94
• 6.4.2 有效聲波傳播路徑選擇94-95
• 6.4.3 待測(cè)區(qū)域區(qū)塊劃分95-96
• 6.5 仿真驗(yàn)證及結(jié)果分析96-112
• 6.5.1 參數(shù)設(shè)置及評(píng)價(jià)指標(biāo)96-97
• 6.5.2 立方體三維溫度場(chǎng)重建仿真結(jié)果與分析97-104
• 6.5.3 圓柱體三維溫度場(chǎng)重建仿真結(jié)果與分析104-112
• 6.6 本章小結(jié)112-113
• 7 總結(jié)與展望113-117
• 7.1 主要工作與貢獻(xiàn)113-115
• 7.2 創(chuàng)新點(diǎn)115
• 7.3 未來的研究工作115-117
• 致謝117-119
• 參考文獻(xiàn)119-129
• 附錄129
• A. 作者在攻讀學(xué)位期間發(fā)表的論文目錄129
• B. 作者在攻讀博士學(xué)位期間參加的科研項(xiàng)目129
• C. 作者在攻讀博士學(xué)位期間獲得的部分榮譽(yù)129

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本文編號(hào)：1124880