CN120217735A 流场层析重建方法、系统、设备、存储介质及程序产品

(19)国家知识产权局(10)申请公布号CN120217735A(21)申请号202510700296.6(22)申请日2025.05.28(71)申请人中国科学院合肥物质科学研究院路350号2号楼申请人中国航发四川燃气涡轮研究院刘盾盾牛冉彤熊兵刘重阳范雪丽(74)专利代理机构北京知联天下知识产权代理有限公司11594专利代理师王冲(54)发明名称流场层析重建方法、系统、设备、存储介质及程序产品(57)摘要本发明涉及光学层析成像技术领域，提供了一种流场层析重建方法、系统、设备、存储介质及程序产品，所述方法包括，建立双线联合求解方程且合并为单个寻优方程；在单个寻优方程中引入混合正则化约束，建立混合正则化的双线联合求解计算数学模型；基于混合正则化的双线联合求解计算数学模型，设置吸收系数非负准则，引入流场的温度先验信息，得到带温度界限先验约束的混合正则化求解数学模型；求解带温度界限先验约束的混合正则化求解数学模型，得到吸收系数，利用吸收系数计算流场的温度分布。利用本发明的方法，可以实现对流场温度重建结果进行正则化约束，同时通过引入多种物理先验信息21.一种流场层析重建方法，其特征在于，所述方法包括，选择两条吸收线，对两条所述吸收线的吸收系数进行联合求解，建立双线联合求解方程且合并为单个寻优方程；在单个寻优方程中引入混合正则化约束，建立混合正则化的双线联合求解计算数学模基于混合正则化的双线联合求解计算数学模型，设置吸收系数非负准则，并引入流场的温度先验信息，得到带温度界限先验约束的混合正则化求解数学模型；求解带温度界限先验约束的混合正则化求解数学模型，得到吸收系数，利用吸收系数计算流场的温度分布。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，两条所述吸收线是待测流场中水分子的吸收线。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，两条所述吸收线，是水分子近红外波段中心频率分别为7185.597cm⁻¹和7444.352cm⁻¹的吸收谱线。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述混合正则化，是混合使用TikhonovRegularization和TVRegularization正则化方法。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，混合正则化的双线联合求解计算数学模型，选择经验性正则化权重参数以平衡各样本的重要性。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，混合正则化的双线联合求解计算数学模型，包括三部分：第一部分为计算保真项，第二部分为针对各吸收线的混合正则化项，第三部分为针对吸收系数比值分布的混合正则化7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用吸收系数计算流场的温度分布，包括：将目标重构区域离散化为多个网格单元，将每个网格单元内的热物理参数视为均匀分根据两条吸收线的吸收系数的比值，计算每个网格单元的温度值；综合全部网格单元的温度值，得到流场的温度分布。8.一种流场层析重建系统，其特征在于，所述系统包括吸收系数联合求解模块、混合正则化模块、先验约束模块、求解计算模所述吸收系数联合求解模块，用于：选择两条吸收线，对两条所述吸收线的吸收系数进行联合求解，建立双线联合求解方程且合并为单个寻优方程；所述混合正则化模块，用于：在单个寻优方程中引入混合正则化约束，建立混合正则化的双线联合求解计算数学模型；所述先验约束模块，用于：基于混合正则化的双线联合求解计算数学模型，设置吸收系3数非负准则，并引入流场的温度先验信息，得到带温度界限先验约束的混合正则化求解数学模型；所述求解计算模块，用于：求解带温度界限先验约束的混合正则化求解数学模型，得到吸收系数，利用吸收系数计算流场的温度分布。9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，两条所述吸收线是待测流场中水分子的吸收线。10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，两条所述吸收线，是水分子近红外波段中心频率分别为7185.597cm⁻¹和7444.352cm⁻¹的吸收谱线。11.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述混合正则化，是混合使用TikhonovRegularization和TVRegularization正则化方法。12.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，混合正则化的双线联合求解计算数学模型，选择经验性正则化权重参数以平衡各样本的重要性。13.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，混合正则化的双线联合求解计算数学模型，包括三部分：第一部分为计算保真项，第二部分为针对各吸收线的混合正则化项，第三部分为针对吸收系数比值分布的混合正则化14.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，利用吸收系数计算流场的温度分布，包括：将目标重构区域离散化为多个网格单元，将每个网格单元内的热物理参数视为均匀分根据两条吸收线的吸收系数的比值，计算每个网格单元的温度值；综合全部网格单元的温度值，得到流场的温度分布。15.一种电子设备，其特征在于，包括电气连接的至少一个处理器和至少一个存储器；所述存储器与所述处理器电气连接，其中，所述存储器存储有可被至少一个所述处理器执行的指令，所述指令被至少一个所述处理器执行，以使至少一个所述处理器能够执行如权利要求1-7任一项所述的流场层析重建方法。16.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序；所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-7任一项所述的流场层析重建方法。17.一种计算机程序产品，其特征在于，所述计算机程序产品存储在至少一个存储介质中；所述计算机程序产品包括若干指令，用以使得至少一台电子设备执行权利要求1-7任一项所述的流场层析重建方法。4流场层析重建方法、系统、设备、存储介质及程序产品技术领域[0001]本发明属于光学层析成像技术领域，尤其涉及一种流场层析重建方法、系统、设背景技术[0002]线性层析结合双线测温法被广泛运用于各种燃烧场温度与浓度重建中。当用双线法层析重建出温度分布时，可通过其中一条吸收线的吸收系数分布和比尔朗伯定量计算出浓度分布。然而，在线性双线层析法中，两条吸收线的吸收系数分布是独立计算得到的，使得温度重建对实验噪声和层析计算误差格外敏感，在层析重建结果中展现出非物理性伪影或局部失真。上述问题在投影信息不足或者稀疏投影的情况下将会变得更加严重，此外所选谱线对的抗噪能力和温度灵敏范围也会直接影响重建结果。[0003]通过双线联合求解并引入比值约束是一种可能提高双线层析法重建精度的思路。发明内容[0004]为解决上述问题，本发明提供了一种流场层析重建方法、系统、设备、存储介质及程序产品，对两条吸收线的吸收系数进行联合同步求解，并对吸收系数分布和吸收系数比值分布分别引入混合正则化以分别拟制各项结果的随机脉动。[0005]本发明可以通过一下方案实施：第一方面，本发明实施例提供了一种流场层析重建方选择两条吸收线，对两条所述吸收线的吸收系数进行联合求解，建立双线联合求解方程且合并为单个寻优方程；在单个寻优方程中引入混合正则化约束，建立混合正则化的双线联合求解计算数学模型；基于混合正则化的双线联合求解计算数学模型，设置吸收系数非负准则，并引入流场的温度先验信息，得到带温度界限先验约束的混合正则化求解数学模型；求解带温度界限先验约束的混合正则化求解数学模型，得到吸收系数，利用吸收系数计算流场的温度分布。[0006]作为优选的手段，两条所述吸收线，是碳氢燃料主燃烧产物水分子的近红外波段中心频率分别为7185.597cm⁻¹和7444.352cm⁻¹的吸收谱线。混合正则化，是混合使用TikhonovRegularization和TVRegularization正则化方法。[0008]作为优选的手段，混合正则化的双线联合求解计算数学模型，包括三部分：第一部分为计算保真项，第二部分为针对各吸收线的混合正则化项，第三部分为针对吸收系数比值分布的混合正则5化项。混合正则化的双线联合求解计算数学模型，选择经验性正则化权重参数以平衡各样本的重要性。[0010]作为优选的手段，利用吸收系数计算流场的温度分布，包括：将目标重构区域离散化为多个网格单元，将每个网格单元内的热物理参数视为均匀分布；根据两条吸收线的吸收系数的比值，计算每个网格单元的温度值；综合全部网格单元的温度值，得到流场的温度分布。[0011]第二方面，基于相同的发明构思，本发明实施例还提供了一种流场层析重建系统，所述系统包括吸收系数联合求解模块、混合正则化模块、先验约束模块、求解计算模块；所述吸收系数联合求解模块，用于：选择两条吸收线，对两条所述吸收线的吸收系数进行联合求解，建立双线联合求解方程且合并为单个寻优方程；所述混合正则化模块，用于：在单个寻优方程中引入混合正则化约束，建立混合正则化的双线联合求解计算数学模型；所述先验约束模块，用于：基于混合正则化的双线联合求解计算数学模型，设置吸收系数非负准则，并引入流场的温度先验信息，得到带温度界限先验约束的混合正则化求解数学模型；所述求解计算模块，用于：求解带温度界限先验约束的混合正则化求解数学模型，得到吸收系数，利用吸收系数计算流场的温度分布。[0012]第三方面，基于相同的发明构思，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括电气连接的至少一个处理器和至少一个存储器；所述存储器与所述处理器电气连接，其中，所述存储器存储有可被至少一个所述处理器执行的指令，所述指令被至少一个所述处理器执行，以使至少一个所述处理器能够执行如前述的任一流场层析重建方法。[0013]第四方面，基于相同的发明构思，本发明实施例还提供了一种计算机存储介质，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序；所述计算机程序被处理器执行时实现前述的任一流场层析重建方法。[0014]第五方面，基于相同的发明构思，本发明实施例还提供了一种计算机程序产品，所述计算机程序产品存储在至少一个存储介质中；所述计算机程序产品包括若干指令，用以使得至少一台电子设备执行前述的任一流场层析重建方法。1、双线联合求解，解决了传统独立求解无法建立联系的弊端，同时添加比值约可对温度场进行间接控制；3、计算过程除了添加吸收系数非负准则外，还加入了温度界限物理信息，对求解6[0016]本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。附图说明[0017]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。[0018]图1示出了本发明实施例的一种流场层析重建方法的流程图；图2示出了本发明实施例所选吸收线谱线强度及其比值随温度变化曲线；图3示出了根据本发明实施例中对三种构型的燃烧场模型利用不同计算方法进行层析重建的仿真结果；图4示出了在不同投影角度数量情况下对图3三种燃烧场模型分别利用不同计算图5示出了图3三种燃烧场模型对Mckenna燃烧火焰进行实验测试的温度重建结图6示出了图3三种燃烧场模型热电偶测量数据与实验层析结果的对比；图7示出了根据本发明实施例的一种电子设备结构示意图。具体实施方式[0019]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0020]本发明的流场层析重建方法方法，适用于不同组分的不同测温吸收线对，两条吸收谱线应具有差异较大的低态能级并在待测流场温度范围内具有较强的谱线强度。[0021]为便于说明，给出一个双线具体案例如下：选择碳氢燃料主燃烧产物水分子作为目标，测温吸收线(吸收光谱谱线)为7185.597cm⁻¹和7444.352cm⁻¹的谱线对(7185.597cm⁻¹和7444.352cm⁻¹为谱线中心频率，为近红外波段),在碳氢燃料燃烧流场温度范围内具有足够的测温灵敏性。[0022]图1示出了根据本发明实施例的一种流场层析重建方法的流场示意图。[0023]设所选两条吸收线的吸收系数分别为αv1α2,可通过TikhonovRegularization(Tikhonov正则化/吉洪诺夫正则化/岭回归)分别求解下述方程组的最小二乘解：7[cm⁻²atm¹]为依赖于温度的谱线强度。[0026]TikhonovRegularization和Total-variationRegularization/TV正则化/总变差正则化)是经典的两种正则化方法。其中TikhonovRegularization适用于分布平滑的图像处理，而不适用于具有急剧梯度边界的Regularization在去除图像噪声并保持图像边缘方面8λδ?β算方法，即方程组可设置吸收系数非负准则进行约[0035]具体地，本实施例除了吸收系数非负准则外，还引入流场的温度先验信息进行约[0036]图2绘制了本实施例所选吸收线7185.597cm⁻¹和7444.352cm⁻¹的谱线强度和双度界限对前述混合正则化的双线联合求解计算数学模型进一9首先通过本发明所提出的一种混合正则化的双线联合求解燃烧流场层析重建方法进行仿真测试，并和传统的重建算法进行对比，所用的传统算法包括ART(Algebra至0.15.将目标重建区域离散化为20×20的网格单元，网格分辨率为1cm。采用四个投影[0047]步骤4,将步骤3拟合得到的两条吸收线积分吸光度向量代入到前述“带温度界限如图3所示。可以看出本发明提出的一种混合正则化的双线联合求解燃烧流场层析重建方TikhonovRegularization两种重建方法具有相似的精度水平，而本发明提出的一种混合正则化的双线联合求解燃烧流场层析重建方法大幅度降低了重建误差，在4个投影仪角度数量以后，重建误差均低于2.5%,甚至在1%以内，此精度水平同样远高于类似文献中的计算结果。[0051]验证例为验证本发明提出的一种混合正则化的双线联合求解燃烧流场层析重建方法在实际运用中同样具有改善效果。本实施例通过实验测量的方式作进一步说明。[0052]实验测量对象为标准Mckenna燃烧器产生的平面火焰，测量高度为燃烧器上方5CH₄/air预混气体，其中甲烷流量设置为1.31L/min,空气流量设置为15.6L/min,当量比可计算为0.8。为稳定火焰，伴流氮气保护气流量设置为20L/min。采用中心波长为1392nm和1343nm的两支激光器，通过时分复用的方式，获取水分子在7185.597cm⁻¹和7444.352cm⁻¹处的两条吸收线。[0053]通过探测到的激光光强和基线拟合的方式获取实验吸收光谱。再依照对照例中的步骤3到步骤5,对实验数据进行处理，最终重建出Mckenna燃烧器上方5mm处温度的二维分[0054]实验结果表明，本发明提出的一种混合正则化的双线联合求解燃烧流场层析重建方法在实际运用过程中，同样能够有效抑制重建伪影，并且最大程度上恢复了Mckenna燃烧火焰中心区域的平坦特征。[0055]为验证本发明提出的一种混合正则化的双线联合求解燃烧流场层析重建方法的实验重建效果，进行了热电偶测量。测量出燃烧器上方同样高度处沿径向(X=0mm)的温度分布，并与实验重建结果进行对比，如图6所示。结果表明本发明有效重建出燃烧火焰中心区温度，并精确恢复了由于热传输产生的热梯度边界，与热电偶测量结果趋势基本一致。[0056]基于上述方法，本发明实施例还提供了对应于上述方法的一种流场层析重建系所述吸收系数联合求解模块，用于：选择两条吸收线，对两条所述吸收线的吸收系数进行联合求解，建立双线联合求解方程且合并为单个寻优方程；所述混合正则化模块，用于：在单个寻优方程中引入混合正则化约束，建立混合正则化的双线联合求解计算数学模型；所述先验约束模块，用于：基于混合正则化的双线联合求解计算数学模型，设置吸收系数非负准则，并引入流场的温度先验信息，得到带温度界限先验约束的混合正则化求解数学模型；所述求解计算模块，用于：求解带温度界限先验约束的混合正则化求解数学模型，得到吸收系数，利用吸收系数计算流场的温度分布。[0057]基于上述公开的内容相同的发明构思，对应地本发明还提供了一种电子设备。如图7所示，本发明实施例的电子设备包括电气连接的至少一个处理器和至少一个存储器，所述存储器与所述处理器电气连接，其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如前所述的方法。[0058]需要说明的是上述各个单元之间的电气连接，并不必然表示线路的之间连接，间11接连接的方式，只要实现本发明的目的即可适用于本发明实施例。[0059]基于相同的发