煤粉气力输送的细度检测对磨煤机工作状态的最优控制具有重要的意义。 传统的检测方法多采用抽检取样法, 通过分样筛等设备检测样品的细度, 耗时长且操作复杂。 国内外对细度地快速检测也有部分研究成果, 但所测粉体浓度须较低, 且设备稳定性还有待提高。 太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）是一种新型的无损检测技术, 其低能性、 选择透过性、 相干性等特点使它具备其他光谱测量方法没有的优势。 国内外对太赫兹辐射与颗粒介质相互作用的研究表明, 太赫兹波对颗粒介质的细度具有显著敏感性, 因此通过太赫兹波检测煤粉细度具有可行性。 太赫兹波在高浓度颗粒介质的传播可以被看成是一个非线性动力过程, 这个过程包含了复杂的非线性动力学效应, 导致光谱测量结果具有混沌特征。 将非线性动力系统的概念应用到太赫兹时域光谱信号的分析中, 将太赫兹时域光谱信号视为由复杂非线性动力系统产生的时间序列进行特征分析。 实验中将煤样研磨并筛分为<38.5, 55~74, 74~88, 88~105和105~200 μm六种细度, 并将煤粉与HDPE混合后压制成样品片。 分别提取了的煤粉样品太赫兹时域光谱信号的功率谱熵、 小波能量熵、 盒维数、 关联维数、 偏度和峭度作为太赫兹时域光谱的混沌特征, 通过比较发现这些混沌特征与细度变化具有一定的相关性, 从视觉上可以大致区分出细度范围, 但无法进行定量分析。 支持向量机常用来解决小样本和非线性的分类问题, 但是需要选择合适的参数才能建立较为准确的预测模型。 文中引入粒子群算法来优化支持向量机建模参数选择。 将上述提取的混沌特征向量作为粒子群算法优化的支持向量机的输入变量, 以分样筛筛孔作为回归目标, 对所测量煤粉细度建立回归模型。 实验结果表明利用混沌特征建立的回归模型对<38.5和38.5~55 μm样品的预测结果要逊色于消光谱建模的回归结果, 认为这是因为煤粉细度小, 太赫兹波在样品中传播时与煤粉颗粒相互作用也比较弱, 时域信号的混沌特征表现不明显所导致。 对55~74, 74~88, 88~105和105~200 μm煤粉样品细度的预测结果要明显优于频域消光谱建立的模型, 特别是74~88和105~200 μm样品, 校正集均方根误差相对于消光谱分别下降了29.48%和26.14%, 预测集误差分别下降了88.62%和56.86%。 从预测结果整体上来看, 采用混沌特征建模的预测结果与目标细度的相关系数为0.9618, 消光谱建模的预测结果相关系数仅为0.78。 混沌特征建模的均方根预测误差仅为9.52, 消光谱建模的均方根预测误差为24.48。 同时采用混沌特征的建模时间相对于消光谱的建模时间下降了43.19%。 研究结果为太赫兹时域光谱技术在高浓度煤粉气力输送细度检测上的应用提供了科学依据和参考。

在利用太赫兹光谱系统对煤质进行定量分析的过程中, 样品压片内部煤粉颗粒和高密度聚乙烯颗粒之间的空气孔隙使太赫兹波产生散射进而导致所测煤样本征吸收光谱产生误差。 针对样品压片中煤粉颗粒和空气孔隙存在形式的不同建立了压片等效结构, 采用Foldy-Twersky EFA理论和迭代Waterman-Truell EFA理论在2~3.5 THz频率区间内对压片内部的散射情况进行了数值研究, 建立了煤样本征吸收谱提取模型, 并利用该模型分别对六种不同粒径范围的煤粉-高密度聚乙烯颗粒混合物压片样品进行了太赫兹域消光光谱的散射校正处理。 实验结果表明当煤粉颗粒直径小于38.5 μm时, 高密度聚乙烯颗粒间空气孔隙对所测样品消光光谱的影响处于主导地位, 当煤粉颗粒粒径处于38.5~55 μm时, 煤粉颗粒散射与空气孔隙散射导致的消光在数值上较为接近, 随着颗粒直径进一步增加, 煤粉自身散射对吸收光谱的影响也逐步增强并处于主导地位。 散射校正前后煤样吸收谱的相关系数和均方根误差表明文中所述模型能够有效减小105 μm以下粒径范围内散射对煤粉-高密度聚乙烯混合物压片样品太赫兹吸收光谱的影响, 为太赫兹域煤质吸收光谱的定量分析提供了理论基础。

为了实现烟羽二维空间分布的精确重建,建立了被动多轴差分吸收光谱断层扫描系统,实现了多台被动多轴差分吸收光谱系统对废气烟羽空间分布的测量.首先,介绍了多轴差分吸收光谱系统及其反演气体浓度的机理.接着,使用代数迭代算法对不同的重建模型,采用不同的扫描光路进行了重建模拟,并设计了重建程序.然后,对数值模拟仿真结果进行了分析比较.最后,搭建了多轴差分吸收光扫描系统平台,进行了外场试验.数值模拟的结果显示:MAX-DOAS层析技术能精确的重建出烟羽模型的二维空间分布,四光源光路的重建误差约是双光源光路重建误差的三分之一,四光源重建时间约是双光源重建时间的四分之一,且双峰模型的重建误差大于单峰模型的重建误差.外场试验的结果显示:重建图像的积分数据与多轴差分吸收光谱测得的投影数据是一致的,说明重建出的烟羽空间分布符合实际情况.研究表明,数值模拟的结果与外场试验的结果具有一致性.

针对大气痕量气体浓度的二维分布重建问题，本文提出了一种以差分吸收光谱断层扫描技术重构大气痕量气体空间分布的方法，用两台被动多轴差分吸收光谱系统 (MAX-DOAS)对待测烟羽进行层析扫描，使用 DOAS技术反演出的气体斜柱浓度，进而通过代数迭代算法(ART)把其中的浓度分布信息提取出来。采用高斯分布烟羽为重构对象，用数值模拟的方法对重构效果进行了研究分析，分析表明重建结果与模型基本一致，表明了气体分布测量方法的可行性。为了研究在实际测量中的误差对气体分布重建结果的影响，在投影数据中添加了不同比例的随机误差，研究表明，投影误差对气体浓度分布重建结果影响很小。

针对金属管道机器人跟踪定位问题，提出了一种改进的自适应无线电磁定位方法，在未知管道几何尺寸和周围环境电磁参数的情况下实现了管道内机器人的三维定位。首先，通过磁偶极子模型分析了管道外极低频电磁场分布规律。其次，建立了六传感器接收天线的自适应定位模型，设计了电磁发射和接收电路，基于该模型推导出了含有6个未知数的非线性方程组，并分别采用3种算法对其进行了仿真分析。最后，分别对不同壁厚及不同埋藏深度管道进行了试验研究。试验结果表明，在管道壁厚为5.74 mm,埋藏深度为0.8~2 m的情况下，总位置误差的平均值小于18.7 cm，即比原模型减少了3.4 cm，满足机器人实际工作中的定位需要。