用于基于可调谐二极管激光吸收光谱的气体浓度重建的贝叶斯方法技术

系统及方法根据源自一个或更多个基于激光的吸收投射路径的数据来构建二维(2D)气体浓度地图(图像)。实施例使用贝叶斯方法来通过将2D地图建模为高斯过程(GP)来构建燃烧区域横截面平面的2D气体浓度地图。GP对2D地图中的所有像素之间的全局关系进行建模。源自一个或更多个投射路径的数据被传播至地图中的所有像素而不仅是局部像素。地图像素之间的相关性用于将来自投射路径所遍历的地图像素的投射路径数据传播至其他地图像素。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于基于可调谐二极管激光吸收光谱的气体浓度重建的贝叶斯方法相关申请的交叉引用本申请要求于2011年9月20日提交的美国临时申请No.61/536,704的优先权，其全部内容通过引用合并至本文中。
技术介绍
本专利技术一般涉及二维(2D)气体浓度地图(map)构建。更具体地，本专利技术涉及将源自多个单独的投射路径平均测量值的数据传播至2D地图中的所有像素并且对所有像素之间的全局相关性进行建模的高斯过程(GP，GaussianProcess)。可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS，TunableDiodeLaserAbsorptionSpectroscopy)是一种用于同时测量诸如锅炉的燃烧系统的气体(例如，O2、CO)浓度和温度的技术。TDLAS系统遍及通过燃烧区域的预定投射路径对参数的平均值进行测量。TDLAS中的一个活跃的研究领域是基于多个投射路径平均来重建2D气体浓度地图。气体浓度地图在诸如燃烧监视、诊断和优化的许多应用中是有用的。构建气体浓度地图是根据一维(1D)投射进行2D重建的问题，其类似于在医学成像中使用的计算机断层扫描(CT，ComputedTomography)的概念。然而，最广泛使用的CT算法诸如滤波回投射(filteredbackprojection)需要许多投射(多个视点以及每视点密集投射)，以实现高的分辨率。相比之下，在锅炉上通常仅设立非常少量的投射路径。例如，并不少见的是，仅使用5至10个投射路径。另外，由于物理限制或安装困难，投射路径可能并不通过最佳位置或在最佳方向(视点)。这些挑战导致单个投射路径观察不到(不遍历)地图中的大百分比的像素。由于CT图像重建使用代数重建技术(ART，AlgebraicReconstructionTechnique)，所以ART由于其能够处理少量投射的问题而似乎是自然符合。然而，对于这种约束极端不足的问题(2D地图中的气体浓度，未知变量的数目远大于可用等式的数量)，ART可能无法实现。引入相邻像素之间的平滑度约束作为先验信息来帮助解决该约束不足问题。可以使用平滑基函数（smoothbasisfunction）或双三次样条插值（bicubicsplineinterpolation）作为后处理步骤来并入平滑度。然而，平滑度约束是局部的并且不能捕获像素之间长程相关性。由于以上挑战，该要求难以满足。期望的是根据1D投射路径平均来构建气体浓度地图的方法及系统。
技术实现思路
专利技术人发现期望具有根据源自一个或更多个基于激光的吸收投射路径的数据来构建二维（2D）气体浓度地图（图像）的系统及方法。实施例使用贝叶斯方法来通过将2D地图建模为高斯过程（GP）来构建燃烧区域横截面平面的2D气体浓度地图。GP对2D地图中的所有像素之间的全局相关性进行建模。源自一个或更多个投射路径的数据被传播至地图中的所有像素而不仅是局部像素。地图像素之间的相关性用于将来自投射路径所遍历（或穿过，traverse）的地图像素的投射路径数据传播至其他地图像素。本专利技术的一个方面提供了一种根据一维投射路径数据来构建二维地图（图像）的方法。根据本专利技术的这个方面的方法包括：定义具有M×N个像素的表示横截面平面的地图；在地图上标识对一个或更多个投射路径进行限定的边界坐标位置（其中，i＝１，2，...，I表示投射路径的数量）；标识I个投射路径所遍历的地图像素；针对每个投射路径i所遍历的每个地图像素计算像素投射路径长度；将像素投射长度传播至其他地图像素；以及使像素投射长度相关。本专利技术的另一个方面提供了一种根据一维投射路径数据来构建二维地图（图像）的方法。根据本专利技术的这一方面的方法包括：定义具有M×N个像素的表示横截面平面的地图矩阵v；在地图矩阵上v上标识对一个或更多个投射路径进行限定的边界坐标位置（其中，i＝１，２，...，Ｉ表示投射路径的数量）；标识I个投射路径所遍历的地图矩阵v像素；针对每个投射路径i所遍历的每个地图矩阵v像素计算像素投射路径长度；针对每个投射路径i，将地图矩阵v表示成J维向量，其中，J＝M×N；对于每个J维向量，对没有被其投射路径遍历的像素输入零值并且对被其投射路径遍历的像素输入像素投射路径长度；根据所有的J维向量来定义投射矩阵A，其中，A＝I×J；对每个J维向量Ai，+(i＝1，2，...，I)进行归一化；接收一个或更多个投射路径的投射路径数据作为I维向量b；定义关系b＝Av；选择信号方差参数f；选择扩展参数r；计算地图矩阵v的像素之间的互协方差矩阵选择噪声方差σ2；根据预定数量的投射路径数据来计算每个投射路径的投射路径数据的平均，如果采用不止一个投射路径，则基于所有单独的投射路径数据平均的平均来计算平均；按照来计算地图矩阵v的估计；以及将表示为地图矩阵v。在附图以及下面的描述中给出了本专利技术的一种或更多种实施例的细节。根据说明书和附图以及根据权利要求，本专利技术的其他特征、目的和优点会很明显。附图说明图1是示例性系统体系结构。图2是示例性方法。图3是示例性地图矩阵v，其中，M＝N＝２并且采用了两个投射路径（I＝2）。图4A至图4J是按照最小值与最大值之间的梯度标度来显示的示例性2D仿真地图，图4A至图4D使用SART算法来构建每个地图并且与地面实况地图图4E相比较，图4F至图4I使用实施例来构建每个地图并且与地面实况地图图4J相比较。图5是当投射路径的数量从5变化至500时的将本专利技术的实施例与SART算法进行比较的示例性均方误差图。具体实施方式将参考附图来描述本专利技术的实施例，其中，全文中相同的附图标记表示相同的元件。在详细地说明本专利技术的实施例之前，应当理解，本专利技术的应用不限于在以下描述中给出或在附图中例示的示例的细节。本专利技术能够有其他实施例并且能够以各种应用和各种方式来实现或执行。此外，还应当理解，本文所使用的措词和术语仅出于描述目的而不应当认为是限制性的。本文中对“包括（including）”、“包括（comprising）”或“具有（having）”及其变型的使用意味着包括此后所列举的项目和其等同物以及附加项目。词语“连接”和“耦接”广泛地使用并且包括直接和间接这两个连接以及耦接。此外，“连接”和“耦接”不限于物理的或机械的连接或耦接。应当注意，本专利技术不限于在附图中所描述或所暗示的任何具体的软件语言。本领域普通技术人员应当理解的是，各种可选软件语言可用于本专利技术的实施。还应当理解的是，一些部件和项目，如本领域中所司空见惯的一样，似乎它们是硬件元件一样来例示和描述。然而，本领域中的普通技术人员基于对此详细描述的阅读应当理解的是，在至少一种实施例中，可以以软件或硬件来实现在该方法及系统中的部件。本专利技术的实施例提供了方法、系统体系结构以及存储有计算机可读指令的计算机可用介质，其采用贝叶斯方法来通过将2D地图建模为高斯过程（GP）来构建燃烧区域横截面平面的2D气体浓度地图（图像）。GP对2D地图中的所有像素之间的全局相关性进行建模。源自一个或更多个基于激光的投射路径的数据被传播至地图中的所有像素而不仅是局部像素。像素之间的相关性用于将来自投射路径所遍历的像素的投射路径数据传播至其他像素。实施例可以部署为如在非瞬态计算机可读程序存储装置上有形地体现的应用程序一样的软件。用于执行的应用代码可以贮本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种根据一维投射路径数据来构建二维地图(图像)的方法，包括：定义具有M×N个像素的表示横截面平面的地图；在所述地图上标识对一个或更多个投射路径进行限定的边界坐标位置，其中，i＝１，2，...，I表示投射路径的数量；标识所述I个投射路径所遍历的地图像素；针对每个投射路径i所遍历的每个地图像素计算像素投射路径长度；将所述像素投射长度传播至其他地图像素；以及使所述像素投射长度相关。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.09.20 US 61/536,7041.一种根据一维投射路径数据来构建二维地图的方法，包括：定义具有M×N个像素的表示横截面平面的地图；在所述地图上标识对一个或更多个投射路径进行限定的边界坐标位置，其中，i＝1，2，...，I表示投射路径的数量；标识所述I个投射路径所遍历的地图像素；针对每个投射路径i所遍历的每个地图像素计算像素投射路径长度；将所述地图定义为矩阵V；将所述像素投射长度传播至其他地图像素；以及使所述像素投射长度相关；其中，传播所述像素投射长度还包括：针对每个投射路径i，将所述地图矩阵V表示为J维向量，其中，J＝M×N；对于每个J维向量，对没有被其投射路径遍历的像素输入零值，并且对被其投射路径遍历的像素输入像素投射路径长度；以及对每个J维向量Ai，+(i＝1，2，...，I)进行归一化。2.根据权利要求1所述的方法，其中，使所述像素投射长度相关还包括：根据所有的所述J维向量来定义投射矩阵A，其中，A＝I×J；定义关系b＝Av；选择信号方差参数f；选择扩展参数r；以及计算地图矩阵V的像素之间的互协方差矩阵C，其中，其中，(xj1,yj1)是像素j1的坐标，(xj2,yj2)是像素j2的坐标。3.根据权利要求2所述的方法，还包括接收所述一个或更多个投射路径的投射路径数据作为I维向量b。4.根据权利要求3所述的方法，还包括：根据预定数量的投射路径数据来计算每个投射路径i的投射路径数据的平均，并且如果采用不止一个投射路径，则基于所有单独的投射...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁超，
申请(专利权)人：西门子公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE