[发明专利]一种用于提高气体二维重建计算效率的正则化方法

说明书

本发明基于矩阵理论和激光吸收光谱断层诊断技术，提供了一种用于提高气体二维重建的计算效率的正则化方法。该方法首先根据被测区域离散网格数目的空间位置，其次将离散网格分为顶点、边和中心区域三种情况，构造正则化方程，再次将所有网格的正则化方程合并构造正则化矩阵，并采用稀疏矩阵表达形式，最后，将正则化稀疏矩阵应用于二维重建算法，实现气体温度和组分浓度的二维重建。采用本发明能够明显缩短计算时间，避免了在重建迭代过程中重复搜索网格位置和计算正则化系数，提高重建效率，该方法可广泛应用于燃烧流场气体分布的二维在线测量。

技术领域

本发明属于光学流场诊断领域，涉及半导体激光吸收光谱技术和计算机断层扫描重建技术，可用于燃烧流场温度/气体组分浓度二维重建测量中重建流场分布的计算。

背景技术

将可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)与计算机断层诊断(CT)及时相结合，称为激光吸收光谱断层诊断技术(TDLAT)。该技术通过测量在同一测量平面内不同角度的投影光线，再利用反演算法得到被测区域内的温度和组分浓度的二维分布信息。

通常被测区域被离散为一定数目的网格，被测气体在每个网格内的气体参数如温度、组分、压强等物理量恒定，每个网格的物理信息就是带求解的未知数。为了实现被测区域二维分布信息的测量，采用多条投影光线沿着不同路径穿过被测区域，投影光线穿过被测区域的距离不会随着气体温度、浓度等参数的变化，只与投影光线的角度和位置有关。将不同投影光束穿过被测区域后的吸收方程写成方程组，利用一定的重建算法即可以对被测区域进行求解。

被测区域的物理量一般为空间连续的，为了提高重建质量，采用正则化方法对每个网格进行求解。同时为了实现被测区域的高精度测量，被测区域离散成较多的网格数目，通常在几百或者几千的量级，未知数数目较大，这样在二维重建计算中采用正则化方法后计算时间较长，不能实现对流场实时在线测量目的。因此，提高二维重建的计算效率具有十分重要的意义。

下述文献报道涉及基于TDLAS方法燃烧流场二维重建和数据处理方法的相关内容。

1.克莱姆森大学Cai Weiwei等人在论文“Hyperspectral tomography based onproper orthogonal decomposition as motivated by imaging diagnostics ofunsteady reactive flows”(Applied Optics，2010年第29卷4期)提出了利用超光谱方法求解温度和浓度的二维分布，但是，此方法在求解过程中需要求解温度的非线性方程，需要花费大量时间进行后处理，在计算机(X5482,3:2GHz)上大约需要36个小时完成100个网格温度和组分浓度的求解。

2.美国弗吉尼亚大学Bryner E等人在论文“Tunable diode laser absorptiontechnique development for determination of spatially resolved waterconcentration and temperature”(48th AIAA Aerospace Sciences Meeting Includingthe New Horizons Forum and Aerospace Exposition，AIAA-2010-0299)采用滤波反投影方法测量了燃烧室出口处的温度和组分浓度二维分布，由于需要对被测区域完全投影，实验采用移动旋转方式采集了72个角度共1800条光线数据，实验数据采集耗时近一小时。