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申请/专利权人：哈尔滨工业大学

摘要：基于参数水平集与调频激光的火焰多参数瞬态测量装置及方法，属于高温火焰燃烧诊断技术领域。为了解决传统激光层析吸收技术在多参量重建过程中存在时空分辨率低、重构结果存在尖刺噪声和无法捕获火焰拓扑结构等问题。本发明所述方法通过将主动调频激光照射到火焰上，由探测器阵列获取高温火焰多角度的辐射衰减信息，利用基于水平集方法获得的后验拓扑结构和先验平滑信息来改善稀疏数据下逆问题的不适定性，并通过主动调频激光的多角度投影信息及参数化水平集方法的重建策略，能获得清晰的高温火焰拓扑形状，实现多光谱辐射特性参数、温度场及物种浓度瞬时测量。主要用于火焰的多参数瞬态测量。

主权项：1.基于参数水平集与调频激光的火焰多参数瞬态测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、获取多角度的激光光谱衰减信息：激光控制器控制K个激光器同时输出K个中心波数为vk的调频激光，调频激光经过光纤分束器以及透镜组的准直和扩束后穿过待测火焰并被光电探测器阵列接收，数据采集处理系统获得火焰多个投影角度上的透射强度，解算出多角度下激光光谱衰减比Bm作为测量信号；步骤二：假设待测火焰的某单光谱辐射特性场为α0，将α0带入Beer-Lambert介质衰减方程，计算得到火焰边界的激光衰减比Bc，基于Bc与测量信号Bm构建目标函数Fα0；步骤三：根据重建技术更新待测火焰的辐射特性场；步骤四：根据步骤三中第t1次更新的辐射特性分布αt1，计算待测火焰边界的激光衰减比Bc以及目标函数Fαt1；判断目标函数值Fαt1是否小于给定的误差阈值，或者迭代次数t1是否达到最大迭代次数tmax；若是，将αt1赋值给αA，执行步骤五；否则，返回步骤三；步骤五：将步骤三至四迭代得到的辐射特性场αA作为初步重建结果，将燃烧火焰区域辐射特性分布α按步骤四所述的重建结果赋值，背景区域Ω\D辐射特性分布α按背景的辐射特性进行赋值；数学表达式为： 其中，表示背景区域的辐射特性；αin表示燃烧火焰区域的辐射特性向量；αout表示背景区域的辐射特性向量；p表示空间坐标；此时，整个区域的辐射特性分布α的参数化表达式为：αp,ω＝αout⊙[1-Hφp,ω]+αin⊙Hφp,ω其中，H·表示海文赛德函数；⊙表示哈达玛积；ω表示辐射特性权重向量；φp,ω表示参数化水平集函数；步骤六：通过梯度下降法更新待测火焰的辐射特性权重向量ω，更新表达式为： t2表示迭代次数，t2＝1,2,…；Δω表示权重向量的更新量；步骤七：根据步骤六中第t2次更新的权重向量ωt2计算得出待测火焰辐射特性场的拓扑形状，并由海文赛德函数计算权重向量ωt2时的辐射特性分布αt2；根据辐射特性分布αt2，计算待测火焰边界的激光衰减比Bc以及目标函数Fαt2；判断目标函数值Fαt1是否小于给定的误差阈值，或者迭代次数t2是否达到最大迭代次数tmax；若是，则执行步骤八；否则，返回步骤六；步骤八：判断光谱迭代次数是否达到所需最大光谱数量K；若是，则完成待测火焰的多光谱辐射特性参数的重构，执行步骤九；否则，返回步骤二；步骤九：根据待测火焰对应的物种类型，从步骤八中重建得到的多光谱辐射特性参数分布中选择一对合适的谱线所对应的辐射特性参数分布αv1和αv2；利用双线模型重构出待测火焰的非均匀温度分布T；步骤十：根据步骤八重建得到的火焰多光谱辐射特性参数分布和步骤九计算的非均匀温度场分布T，利用物种浓度测量模型解算出多种不同物种的组分浓度分布X；步骤十一：输出待测火焰的多参数场瞬态测量结果，完成基于参数化水平集与主动调频激光结合的高温火焰多参数场瞬态测量。

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