1 中国科学技术大学 先进技术研究院, 安徽 合肥 230022
2 中国科学技术大学 工程科学学院, 安徽 合肥 230022
化学发光（chemiluminescence）与层析成像（CT）结合能够测量燃烧流场的三维信息。为了研究层析成像的重建效果, 实现了两种经典的迭代类算法: 代数迭代法（ART）和最大似然期望最大化法（MLEM）, 比较了两种算法在不同布置方式、不同流场以及不同噪声水平下的重建性能。仿真结果表明, 在投影数目较少的情况下, 非共面布置方式可以有效提升重建精度; 当投影数目达到9个时, ART算法和MLEM算法的均方根误差均小于2%, MLEM略优; 同时MLEM算法的抗噪声能力更强, 更适合在复杂环境下重建, 但ART算法的时间成本占优, 9个投影时ART算法比MLEM算法快约56.57%。实验结果表明, 两种算法均能得到良好的重建效果, MLEM算法的计算精度略高于ART算法。在待测流场划分的体素更多的情况下, MLEM耗费的时间成本约为ART算法的8.37倍。
光学测量 层析成像 代数迭代法 最大似然期望最大化法 燃烧诊断 optical measurement tomography algebraic reconstruction technique maximum likelihood expectation maximization combustion diagnosis
1 伊犁师范大学网络安全与信息技术学院，新疆 伊宁 835000
2 南京大学电子科学与工程学院，江苏 南京 210046
非视域成像技术采用非传统光学技术，利用间接成像的方法对无法直接观测的隐藏物体进行探测。针对目前试验系统复杂且需要场景扫描，导致数据采集过程复杂且需要大量时间的问题，提出基于阵列式APD的透射式非视域成像试验设置，试验设置操作简单且不需要场景扫描，实现快速数据采集。针对非视域成像技术一般只能获取不完全（缺失）角度的数据，使用反投影算法不能得到理想的重建结果的问题，提出利用联合代数迭代（SART）重建算法对非视域成像物体进行三维重建。试验结果表明：SART算法能够在部分角度数据下，更好地去除反投影算法中的伪影和噪点；在最初的第2和第3次迭代后，通过计算，其峰值信噪比PSNR值提高了1.392 8、2.466 3，其结构相似度SSIM值提高了0.119 8、0.231 2，表明该方法能有效提高非视域物体的图像重建精度。
非视域成像 联合代数迭代重建算法 缺失数据 三维图像重建 non-line-of-sight imaging simultaneous algebraic reconstruction technique re missing data 3D image reconstruction
1 江苏方天电力技术有限公司，江苏 南京 211100
2 东南大学能源与环境学院，江苏 南京 210096
在使用TDLAS技术测量高温燃烧环境下CO2浓度分布时，由于流场的分布非均匀性以及近红外波段的CO2谱线吸收较弱且容易受H2O的吸收干扰，使得二维浓度场的重建测量尤为困难。为解决上述问题，本文提出了一种基于TDLAS技术的非均匀流场二维浓度分布重建方法。该方法利用CO2的吸收谱线R（50）具有R2f/1f在中心频率处的幅值近似满足线性叠加关系这一特点，使用单条谱线的吸收信息结合代数迭代算法，实现了非均匀流场的CO2浓度场重建。仿真与试验结果表明，在正交投影方式下测量的CO2浓度与烟气分析仪测量结果的最大相对误差小于13%，平均相对误差为4.16%，整体分布趋势与烟气分析仪测量的结果相似。
吸收谱线 代数迭代算法 正交投影 TDLAS TDLAS absorption line algebraic iterative algorithm orthogonal projection
南京理工大学瞬态物理国家重点实验室, 江苏 南京 210094
针对在不完全投影数据条件下燃烧场气体组分浓度、 温度二维分布重建难题, 提出了一种基于虚拟光线再投影方法的燃烧场二维重建算法。 利用有限的测量投影数据进行差分运算获取相同角度下不同位置处虚拟光线投影值, 增加光线数量以提高重建质量。 采用改进型代数迭代算法对燃烧场进行重建并获取燃烧场的重建初始值, 利用再投影方式获取其他投影角度下虚拟光线的投影数据并进行联合迭代, 最终实现对燃烧场气体组分浓度与温度二维分布重建。 采用近红外波段7 185.6和7 444.35 cm-1两条H2O特征吸收谱线结合21条测量光线对49×49网格区域进行计算, 通过对相同光线数量条件不同布置方式燃烧场重建结果进行对比分析, 选取了合理的光线布置结构。 与传统的采用平滑因子的代数迭代重建算法进行对比, 虚拟光线再投影方法的重建精度明显提高, 同时该方法消除了人为选择平滑因子对重建结果所带来的主观影响, 降低了由于投影角度较少所带来的重建误差。 计算结果表明, 重建误差随着再投影运算次数的增加而不断下降, 当在再投影次数达到十次后重建误差逐渐趋于稳定。 在5%噪声幅值条件下进行十次再投影后, 温度分布重建误差小于5.76%, 浓度分布重建误差小于8.83%, 测量噪声对于燃烧场重建结果影响较小。 通过对600~1 200 K温度范围内的双峰以及三峰燃烧场模型进行计算分析, 验证了虚拟光线再投影方法对于不同工况下燃烧场气体组分浓度、 温度二维分布的重建能力。 研究结果对有限投影条件下的激光吸收光谱技术二维重建技术理论研究具有重要意义, 可促进激光吸收光谱技术在现实燃烧装置中的工程化应用。
激光吸收光谱 二维重建 代数迭代算法 虚拟光线 再投影 Laser absorption spectrum Two-dimensional reconstruction Algebraic reconstruction technique Virtual beam Re-projection 光谱学与光谱分析
2020, 40(12): 3686
1 国防科技大学 脉冲功率激光技术国家重点实验室, 安徽 合肥 230037
2 国防科技大学 电子制约技术安徽省重点实验室, 安徽 合肥 230037
为了提高激光反射断层成像目标重构的图像质量, 在目前激光反射断层成像普遍采用反投影算法重构图像的基础上, 将CT成像中常用的迭代重建算法引入到激光反射断层成像的图像重构过程中。分析了反投影算法中的直接反投影、R-L和S-L滤波反投影以及迭代重建算法在图像重构中的性能特性。进行了仿真和外场实验, 结果表明: 在直接反投影基础上添加了滤波器的反投影算法在减小误差和抑噪能力上都明显提高; 另外相比于反投影算法, 代数迭代重建算法表现出更好的重建质量, 且具有更强的抑噪性能。
激光雷达 反射断层成像 图像重构算法 代数迭代 性能分析 lidar reflection tomography image reconstruction algorithm algebraic iteration performance analysis 红外与激光工程
2019, 48(7): 0726002
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
采用代数迭代(ART)算法和最大似然期望最大化(MLEM)算法,利用开路傅里叶变换红外(OP-FTIR)光谱仪的测量结果,通过仿真模拟了高斯空间分布模型下的气体二维浓度场重建,并利用重建评价指标——逼近度和相关系数,分析了这两种重建算法的重建精度和抗噪性能。结果表明:在单峰气体浓度场中,ART与MLEM算法重建结果的逼近度分别为0.177和0.044;在双峰气体浓度场中,ART与MLEM算法重建结果的逼近度分别为0.263和0.069;MLEM算法更适用于重建复杂的气体浓度场。在不同噪声水平下,ART的抗噪性能优于MLEM算法,MLEM算法对噪声更敏感。
傅里叶光学 开路傅里叶变换红外光谱 层析成像 代数迭代算法 最大似然期望最大化算法
西安工业大学光电工程学院, 陕西 西安 710021
提出了一种基于代数迭代的Mojette变换层析重建算法。在确定最佳投影角度的基础上,结合传统层析技术中的乘性代数迭代算法进行重建。利用该算法对轴对称火焰进行了层析重建。数值模拟结果表明,与基于角的重建算法相比,该算法在噪声较大情况下的层析重建质量更好。
图像处理 层析成像技术 代数迭代算法 Mojette变换 燃烧场成像
1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
可视化的二维温度场分布反演软件对温度场重建分布起到了重要的作用。基于可调谐二极管激光吸收光谱(tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS)技 术,结合代数迭代算法(algebraic reconstruction technique, ART)和Python设计语言,在读取两组积分吸光度的基础上,设计了二维温度场分布的可视化软件。 结合激光吸收光谱技术和计算机断层扫描方法,封装了二维温度场重建的算法。在此基础上,添加可视化的操作界面,实现二维温度场重建的原 始分布和插值后的分布。针对高斯分布的重建,与原始分布进行比较,结果显示,中心区域温度值较高,边缘较小。结果表明, ART算法和TDLAS技术的结合能够 很好地实现二维温度场的反演,克服了TDLAS视线测量的缺陷。
代数迭代算法 二维重建温度场 TDLAS tunable diode laser absorption spectroscopy algebraic reconstruction technique 2D temperature filed reconstruction Python Python 大气与环境光学学报
2017, 12(5): 393
中国空气动力研究与发展中心，四川 绵阳 621000
基于可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, TDLAS)技术及修正型代数迭代算法(Algebraic Reconstruction Technique, ART)，选择频率为7 153.7 cm-1 和7 154.3 cm-1 的H2O 吸收线作为测温谱线，测量了CH4/Air 预混平面火焰炉燃烧场温度和H2O 气浓度分布。仿真采用1 000 pixels×1 000 pixels 个像素点描述方形模型区域，假设40 条光束从两个方向正交通过重建区域，通过引入初始分布并经修正型ART 算法计算和三次多项式插值处理，温度场重建偏差在4.5%以内，H2O 气浓度场重建偏差在4%以内。实验采用导轨和转台实现探测光对稳态燃烧场两个方向上的平行扫描，共获取24 路光束吸收信号，经修正型ART 算法重建和三次多项式插值处理得到整个火焰炉燃烧区域的温度场和H2O 气浓度场分布。将温度场重建结果与热电偶的测量结果进行对比，表明该方法能够有效实现燃烧场温度二维重建。
可调谐半导体激光吸收光谱 代数迭代算法 温度场 浓度场 二维重建 tunable diode laser absorption spectroscopy algebraic reconstruction technique temperature field concentration field two dimensional reconstruction
浙江大学能源清洁利用国家重点实验室, 浙江 杭州 310027
针对二维气体浓度分布, 主要选用多条H2O的吸收谱线, 采用代数迭代重建算法, 研究了在激光光束较少且假定温度分布已知的情况下, 即不考虑燃烧场中温度对谱线强度的影响时, 不同谱线条数对二维浓度重建结果的影响, 对比了在同一浓度模型下通过增加激光光束与增加H2O吸收谱线条数对气体浓度重建结果的影响; 研究了增加谱线条数重建气体浓度分布对不同温度与浓度分布模型的适应情况, 其中, 文中所选取的多条吸收谱线可以由一个激光器同时扫描得到。 浓度测量区域采用10×10的网格划分, 测量区域中的温度和浓度分布采用单峰不均匀分布与双峰不均匀分布, 重建过程中计算了吸收谱线与激光光束的有效利用率。 重建结果表明在激光光束较少时, 增加吸收谱线条数可以获得更多与浓度相关的谱线参数信息, 且与增加激光光束相比可以明显改善浓度重建结果, 更主要的是增加谱线条数可以有效降低实验中硬件设备的成本投入以及测量系统的复杂性。
代数迭代算法 二维浓度重建 多条吸收谱线 激光吸收光谱 ART algorithm Two-dimensional concentration reconstruction Multiple absorption lines Tunable diode laser absorption spectroscopy 光谱学与光谱分析
2016, 36(11): 3485
