[发明专利]基于最小模方函数的温度场优化重构装置和方法

说明书

本发明涉及激光、温度场测量技术领域，为提出一种易于实施的温度场重构方法，重构步骤简洁，运算效率更高，能够实时检测温度异常。为此，本发明采取的技术方案是，基于最小模方函数的温度场优化重构装置和方法，利用计算机控制激光器交替产生两个不同频段的扫频激光脉冲信号，待激光信号通过待测热源后，由传感器接收信号推导出激光吸光度，然后由得到的激光吸光度进行温度场的重构。本发明主要应用于温度场测量场合。

技术领域

本发明提出一种应用于温度场检测的激光测温算法，该技术基于可调谐激光吸收光谱技术，主要用于还原待测区域内的温度分布，即该区域的温度场。具体涉及基于最小模方函数的温度场优化重构方法。

背景技术

利用吸收介质的激光吸光度与温度的关系，可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)常用于温度场的检测，与传统的接触式测量相比，TDLAS具有灵敏度高、抗噪性能好、测量周期短等优势，是一种易于实施的非接触式测量手段。该技术被广泛应用于锅炉、发电汽轮机、航空发动机等高温环境下的温度检测，对了解燃烧过程、节约燃料成本、建立燃烧模型都有重要意义。

但TDLAS同时也是一种基于视线效应的测量技术，传感器只能接收沿测量光路方向的积分吸收信号，分析出光路上的平均温度。为了获取待测区域中的温度分布情况，就需要借助重构算法。TDLAS常用的重构算法以迭代法为主，迭代法中常用代数迭代算法。该算法将温度场的重构过程转化为求解多元方程组，原理简单，实现方便，然而该方法无法上述克服多元方程组具有非唯一解的情况，且由于需要对光路逐条计算，拉长了迭代周期，对测量造成了不利影响。

为此，可以在迭代法的基础上采用优化的思想，以重构场和待测热源温度场的误差为目标函数，建立误差最小的重构场作为测量结果。自Kashyap于1975年提出使用二次型函数的约束优化方法以来，优化迭代算法常用于图像处理、医学CT成像等领域。在TDLAS中，Weiwei Cai将模拟退火原理用于TDLAS的温度场优化迭代中，证明了优化法用于TDLAS的可行性。然而模拟退火算法在实施中包含多个迭代环节，虽然可以降低测量光路数，但也导致算法相对复杂，并大大拉长了重构所需的时间。为此，需要一种更好的重构算法使TDLAS更好地适应实时测量环境。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种易于实施的温度场重构方法，重构步骤简洁，运算效率更高，能够实时检测温度异常。为此，本发明采取的技术方案是，基于最小模方函数的温度场优化重构装置，包括：

用于数据处理和产生激励信号脉冲的PC端；

用于控制激光器电流和温度的激光控制器；

用于组合激光信号的光纤耦合器；

将激光信号分成多份的光纤分束器；

围绕被测热源用于组织测量光路位置和方向的框架；

安装于框架上的光纤准直器，激光信号由此投射向传感器阵列；

用于接收信号的传感器阵列；

计算机端交替产生两个不同频段的扫频激光脉冲信号，待激光信号通过待测热源后，由传感器接收信号通过计算机推导出激光吸光度。

计算机内置温度场重构模块，该模块由传感器接收信号推导出激光吸光度，再由得到的激光吸光度进行温度场的重构。

基于最小模方函数的温度场优化重构方法，利用计算机控制激光器交替产生两个不同频段的扫频激光脉冲信号，待激光信号通过待测热源后，由传感器接收信号推导出激光吸光度，然后由得到的激光吸光度进行温度场的重构。

利用得到的激光吸光度进行温度场的重构，具体的步骤如下：

将待测温度场分为N×N个离散区域，以此为依据设立以下三个参数：