声学层析成像反问题求解及温度场重建算法研究
【摘要】声学层析成像（Acousticcomputertomography）温度场检测技术根据多路径声波传播时间数据，推算被测区域的温度分布，属于“由效果反求原因”的逆问题研究，具有非接触不干扰被测温场、测温范围广（0℃～2000℃）、测量对象空间范围大（数十米）、可在线测量等优点。声学高温计是该技术在工业炉温度场监测中的典型应用。而应用该技术监测大气温度分布、深海热液温度分布、仓储粮食温度分布，则是探索中的新的应用领域。本文对声学层析成像反问题求解及温度场重建算法等问题，进行了较深入的理论分析和实验研究，主要完成了以下工作：分析了影响声学层析成像温度场测量精度的主要原因，针对现有声学层析成像温度场重建算法普遍存在的问题，即：被测区域网格划分数须小于系统可获得的有效声波路径数，原始像素数量有限，重建温度场空间分辨率低。提出一种基于Markov径向基函数与Tikhonov正则化的三维温度场重建算法—3DMTR（MarkovradialbasicfunctionandTikhonovRegularization）算法。该算法被测区域划分的网格数可远多于声波路径数，更适合复杂温度场重建。声波收发器阵列设计的合理性，直接影响声学层析成像温度场检测实验系统的测量实时性及温度场重建精度。为实现储粮温度分布声学层析成像法监测，对围绕圆筒形仓布置的声波收发器的数量、布局和有效声波路径选择等参数进行了计算机仿真设计。三种典型的三维模型温度场重建结果表明：剔除仓壁上同一母线上的声波路径，可降低温度场重建误差。增加同一层面上收发器的数目或收发器布置的层数，都能减小重建误差。但若设置过多的声波收发器，会增大系数矩阵的条件数，加大重建误差。通过对声波收发器阵列的仿真设计，可优化收发器阵列各参数，提高声学层析成像温度场检测实验系统的性能和温度场重建精度。声学层析成像温度场重建是不适定的逆问题。正则化参数的选取对重建精度有重要影响。提出被测区域划分的像素数可远多于声波路径数、正则化参数自适应选取的二维温度场重建算法2DMTR-A（MTRwithAdaptiveRegularizationParameter）和三维温度场重建算法3DMTR-A。它们采用一种新的、称为最小变化法的正则化参数选取法，自适应地选取正则化参数，兼顾温度场细节重建和噪声抑制。仿真与实验重建结果表明，与常用的L曲线法相比，最小变化法确定的正则化参数对应着更小的温度场重建误差，具有较广泛的适应性。因此2DMTR-A和3DMTR-A算法具有良好的实用性。声波在非均匀温度场中传播时其路径会因折射而弯曲。尤其对于温度梯度较大的复杂温度场，将声波路径近似为直线会给重建带来较大的误差。为提高非均匀温度场声学层析成像重建精度，提出考虑声波弯曲的二维/三维温度场重建算法。首先用二维/三维重建算法获得一个不考虑声线弯曲的二维/三维重建温度场，然后用打靶–插值法确定本征声线出射角，以三角形/正四面体前向展开法追踪声线，并建立本征声线上声波传播时间与温度分布间的关系，进而实现考虑声线弯曲的二维/三维温度场重建。仿真实验结果表明考虑声线弯曲效应后，能明显提高非均匀温度场重建精度。温度场的温度梯度越大，改善的效果越明显。采用以虚拟仪器LABVIEW为软件平台的声学层析成像温度场检测实验系统，以本文所提出的温度场重建算法，对空气中的二维温度场、三维温度场和仓储大豆中的二维温度场进行重建，实验验证了本文所提温度场重建算法的有效性和正确性。
【作者】王善辉；
【导师】颜华；
【作者基本信息】沈阳工业大学，测试计量技术及仪器，2014，博士
【关键词】声学层析成像；温度场；重建算法；自适应正则化参数；弯曲效应；
【参考文献】
[1]马越.高校巨构式建筑空间量化分析评价研究[D].华侨大学,建筑设计及其理论,2014,硕士.
[2]PalesaRamonate（伊莉）.教养方式与青少年意向性自我调节发展的关系研究[D].东北师范大学,发展与教育心理学,2012,硕士.
[3]周微.都市圈综合交通客运结构预测理论与方法研究[D].北京交通大学,交通运输规划与管理,2013,硕士.
[4]张萍.洗钱罪适用问题研究[D].中国政法大学,刑法学,2004,硕士.
[5]詹文博.利用纳米结构模板生长高质量硅锗材料[D].浙江大学,光学工程,2013,硕士.
[6]吴彩丽.合同证明责任分配问题研究[D].复旦大学,法律,2012,硕士.
[7]张倩.基于声表面波器件的ZnO/Al/AlN/Si基片制备研究[D].天津理工大学,光学工程,2013,硕士.
[8]王显龙.亚毫米CT对肝外胆管供血小动脉的初步观察[D].南方医科大学,外科学,2012,硕士.
[9]刘晓辉.水电厂异构数据库系统集成的研究[D].浙江大学,2005.
[10]李艳芬,史保锋.莱钢GT078L3K3型离心式空气压缩机的防喘振控制[J].冶金自动化,1999,05:53-54.
[11]邹忠.秦汉农民犯罪研究[D].首都师范大学,中国古代史,2004,硕士.
[12]张明凯.用音频试验架监视空闲通信线路[J].邮电设计技术.2001(05)
[13]祁雅莉.渤海西南岸全新世大暖期最大海侵线重建[D].中国科学院研究生院（海洋研究所）,环境工程,2013,硕士.
[14]严晓蓉.电力自动化系统中的数据处理[J].电力自动化设备,2005,03:96-99.
[15]王芳宇.汉语光杆名词短语的语义分析[D].四川外国语大学,英语语言文学,2014,硕士.
[16]陈娟.VES化妆品公司营销战略研究[D].华中科技大学,工商管理,2013,硕士.
[17]黄博妍,常琳,马亚平,孙金玮,魏国.一种应对非平稳频率失调的窄带主动噪声控制系统[J].自动化学报,2015,01:186-193.
[18]徐磊.QoS度量模型及Web服务监控技术的研究[D].国防科学技术大学,计算机科学与技术,2012,硕士.
[19]顾凯健.不同覆盖度条件下水稻生长参数的高光谱监测研究[D].南京农业大学,作物栽培学与耕作学,2011,硕士.
[20]张付英.机械产品创新设计信息化建模、求解及其关键技术研究[D].天津大学,2004.
[21]范慧.可逆燃料电池—电解池氧电极复合改性研究[D].中国矿业大学（北京）,应用化学,2014,博士.
[22]范丽哲.东方巴贝斯虫3个免疫相关基因的克隆表达[D].华中农业大学,预防兽医学,2014,硕士.
[23]况海云.法律文本中的“国家鼓励”[D].苏州大学,法学理论,2014,硕士.
[24]曾昆.TMS320C5402平台上G.723.1标准的实现[D].湖南大学,电路与系统,2003,硕士.
[25]王文娟,吴春燕,应迎娟,蒋欣欣,叶有新.自体动静脉内瘘扣眼法穿刺并发症的原因分析及护理对策[J].护理与康复,2014,07:684-686.
[26]朱庆杰,姜耀俭大庆石油学院秦皇岛分院,陈艳华,苏幼坡.轮南地区奥陶系天然裂缝的发育机理及其对流体活动的控制[J].中国安全科学学报.2003(01)
[27]金从力.上市公司财务数据多维联机分析设计[D].上海海事大学,2003.
[28]吕英英,余乐书.可溶性盐辅助法大量合成层数可调石墨烯纳米片粉体[A].中国化学会.中国化学会第29届学术年会摘要集——第37分会：能源纳米科学与技术[C].中国化学会:,2014:1.
[29]宋群雁.大庆地区文冠果高效繁殖体系的研究[D].黑龙江八一农垦大学,生物化学与分子生物学,2013,硕士.
[30]洪屿.番禺沙湾古镇的历史原真性保护[D].华南理工大学,建筑学（专业学位）,2012,硕士.
[31]魏潜.论物权行为的存在与变迁[D].中国政法大学,民商法学,2004,硕士.
[32]冯超.基于杨梅RNA-Seq的密码子偏好性与果实品质功能基因转录特性分析[D].浙江大学,果树学,2014,博士.
[33]刘小丽.基于促销影响的定价模型研究[D].东北大学,企业管理,2010,硕士.
[34]寇甜甜.两株抗JEV单抗可变区的基因克隆、计算机建模及其与JEV E蛋白的分子对接[D].第四军医大学,微生物学,2014,硕士.
[35]马宁.2型糖尿病微血管病变患者的血清TSP-1的相关性研究[D].苏州大学,内科学,2013,硕士.
[36]李凯.空间计量经济模型的统计推断[D].云南财经大学,统计学,2013,硕士.
[37]张玉双.不同型号喉罩对颈内静脉与颈总动脉关系的影响[D].吉林大学,临床医学,2014,硕士.
[38]周晓明.炼钢AOD炉过程计算机系统设计与实现[D].复旦大学,软件工程,2012,硕士.
[39]迟浩.新媒体时代公民网络道德的困境与出路探析[D].沈阳师范大学,思想政治教育,2014,硕士.
[40]陈营.婴幼儿人类博卡病毒肺炎的肺功能研究[D].苏州大学,儿科学,2014,硕士.
[41]宋皓国.浅埋破碎围岩隧道初期支护技术研究[D].西安科技大学,岩土工程,2013,硕士.
[42]马千里,郑秋宝,王顺晃,王尚君.高炉过程机数据处理系统中通信和报表功能的实现[J].冶金自动化,1997,06:41-43.
[43]陶翠.中国五针松组濒危植物的濒危机制探究[D].北京林业大学,自然保护区学,2013,硕士.
[44]朱雨.面向托管数据查询的隐私保护技术及应用框架的研究[D].苏州大学,计算机软件与理论,2014,硕士.
[45]陈德隆.中国渔业概述[J].现代渔业信息.2002(01)
[46]隋婧.网络服务提供者之著作权侵权责任研究[D].首都经济贸易大学,法律（专业学位）,2013,硕士.
[47]魏军齐.高硅铝合金电火花加工工艺研究[D].哈尔滨工业大学,机械工程,2013,硕士.
[48]安雷生.基于3S技术的G214线多年冻土地区道路自然环境研究[D].长安大学,道路与铁道工程,2014,硕士.
[49]姜浩.隧道及地下工程丙烯酸盐喷膜防水材料耐强碱腐蚀性性能研究[D].西南交通大学,桥梁与隧道工程,2014,硕士.
[50]王宏达.企业利益相关者效绩评价指标体系研究[D].沈阳工业大学,会计学,2003,硕士.
