基于声光融合法的气体浓度与温度场重建研究

摘要

混合气体浓度、温度实时监测对于确保工业生产安全、经济及环保具有重要意义。在现阶段，通过单一测量方法同时实现多物理场测量都存在各自的技术难题。本文通过结合声学及可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)理论，提出了基于声光融合的气体温度场浓度场同时重建的新方法。
　　本文主要研究内容如下:
　　(1)探讨了声学法测温理论，利用温度和当地声速的函数关系，分别结合ART、Tikhonov正则化及指数SVD反演算法，完成了待测区域温度场重建，并对比重建均方根误差大小得出指数SVD算法重建效果最优。为了进一步提高重建精度，利用粒子群算法对传感器进行优化布置，并提出有效穿越网格数来判断敏感场优劣，得到了较为满意的结果。
　　(2)对激光线强、线型函数两个重要的光学参数做了重点研究，并依此阐述了利用TDLAS测量温度及浓度的原理。选取CO2吸收光谱，对重建区域二维浓度场进行了仿真。
　　(3)在声学及光学测量原理基础上，提出了声光融合重建气体温度场、浓度场新理论。即利用求固定激光吸收系数及声速在温度、浓度面上的投影交点的方法确定对应的气体浓度、温度。利用该理论实现了被测区域气体温度场浓度场同时重建仿真，并对理论仿真结果的系统误差做了详细的分析。
　　(4)搭建了基于TDLAS浓度单路测量平台。选取中心波长为1572.3nm的CO2吸收光谱来对CO2浓度进行测量。对数据处理中初始光强及吸收谱的拟合做了一定对比改进，得到了较精确的测量结果，能够满足工业测量要求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究的目的和意义

1．1．1 课题背景

1．1．2 课题研究目的及意义

1．2 声学法测量发展状况

1．2．1 声学法测量气体温度发展状况

1．2．2 声学法测量气体浓度发展状况

1．3 光学法测量发展状况

1．3．1 光学法测量气体浓度发展状况

1．3．2 光学法测量气体温度发展状况

1．4 逆问题的定义及求解

1．5 仿真软件

1．6 本课题的主要研究内容

第2章 声学测量原理及重建仿真

2．1 声速理论

2．2 重建算法

2．2．1 ART重建算法

2．2．2 Tikhonov正则化重建算法

2．2．3 指数SVD重建算法

2．3 物理场重建质量评价标准

2．4 基于声速理论的温度二维重建仿真

2．4 基于粒子群算法的声波收发器优化布置

2．4．1 粒子群优化算法

2．4．2 基于粒子群算法的声波收发器优化布置仿真

2．4．3 有效穿越网格数

2．5 本章小结

第3章 TDLAS测量原理及重建仿真

3．1 TDLAS测量基本原理

3．1．1 线强

3．1．2 线型函数

3．2 TDLAS浓度测量原理

3．3 TDLAS温度测量原理

3．4 TDLAS浓度二维重建仿真

3．5 本章小结

第4章 声光融合测量原理及重建仿真

4．1 声光融合理论提出背景及意义

4．2 声光融合理论

4．3 基于声光融合温度场浓度场同时重建仿真

4．4 基于声光融合理论重建结果讨论及误差分析

4．4．1 基于声光融合理论重建结果讨论

4．4．2 误差分析

4．5 本章小结

第5章 实验研究

5．1 TDLAS实验研究

5．1．1 TDLAS主要实验仪器介绍

5．1．2 TDLAS实际测量

5．1．3 TDLAS实验数据处理

5．2 声学实验研究

5．3 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 本文结论

6．2 本文创新点

6．3 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢