一种用于激光吸收光谱层析成像的谱线选取方法技术

本发明专利技术提供一种用于激光吸收光谱层析成像的谱线选取方法，分为以下步骤：1.给定谱线备选集合和温度区间；2.计算谱线线强度函数备选集合并给定选取的谱线数；3.计算标准化谱线线强度函数备选集合并计算集合中元素间的内积；4.确定组合优化的目标函数；5.求解组合优化问题获得最优谱线组合。本发明专利技术提出的方法可以仅通过计算标准化谱线线强度函数组合的Gram行列式，快速确定激光吸收光谱层析成像技术中谱线备选集合中的最优谱线组合，适用性强、可靠性高，有非常广泛的应用前景。

A Line Selection Method for Laser Absorption Spectrum Tomography

The present invention provides a spectral line selection method for laser absorption spectral tomography, which is divided into the following steps: 1. Given the set of spectral line alternatives and the temperature range; 2. Calculate the set of spectral line strength function alternatives and the number of selected spectral lines; 3. Calculate the set of standardized spectral line strength function alternatives and calculate the inner product of elements in the set; 4. Determine the objective function of combinatorial optimization; 5. Find out the number of selected spectral lines. Solve the combinatorial optimization problem to obtain the optimal combination of spectral lines. The method proposed by the present invention can quickly determine the optimum combination of spectral lines in the alternative set of spectral lines in laser absorption spectral tomography by calculating the Gram determinant of the normalized combination of spectral line intensity functions. It has strong applicability, high reliability and wide application prospects.

【技术实现步骤摘要】
一种用于激光吸收光谱层析成像的谱线选取方法
本专利技术涉及一种用于激光吸收光谱层析成像的谱线选取方法，主要内容为如何利用吸收谱线线强度函数之间的关系，确定最优谱线组合。本专利技术涉及激光吸收光谱测速技术、层析成像技术等领域。
技术介绍
激光吸收光谱测量技术是一种用于测量气体环境状态参数的重要技术，广泛应用于工业过程检测、燃烧检测、大气环境监测等各个领域。研究人员利用激光吸收光谱技术开展了单一路径上气体温度、组分浓度、气流速度等方面的研究。结合层析成像技术(亦称断层扫描成像技术)，研究人员还实现了对气体温度、组分浓度等分布参数的测量和重建。近年来，研究人员提出了基于多谱线的激光吸收光谱层析成像技术，并在相关领域得到了应用，此技术的原理简单陈述如下。激光吸收光谱技术所依赖的基本物理原理是Beer-Lambert定律，该定律指出，激光经过一段长度为L的气体环境时，特定的气体分子会对光强产生吸收作用，使得出射光强发生衰减。对于该分子的第i条谱线，其积分吸收率Ai为：其中l是激光与物质相互作用的位置，T是温度，Si(T)是第i条谱线的线强度函数，P是气体吸收组分分压。将被测区域划分为N个网格，并假设在每个网格中气体分布参数是均匀的。这样(1)式可被离散化为：其中，ln为激光穿过第n个网格的路径长度，Pn为第n个网格中的吸收组分分压，Tn为第n个网格中的温度。结合层析成像技术，可以在多个投影角度上布置多条激光束。设布置的激光束总数量为M，对于第m条激光束有如下关系：其中，Ami是第m条激光束对应积分吸收率，lmn是第m条激光束穿过第n个网格的路径长度。再利用多条吸收谱线，可以获得关于分布参数的非线性方程组，这里，I谱线的总数。求解这个非线性方程组，就可以重建被测区域内的组分分压和温度分布。然而，一种气体分子在吸收光谱范围内有多条吸收谱线，相互间存在着冗余信息。如果测量全部谱线，就会增加传感器的制造成本，并使得(4)式的计算复杂度增大。为了更好地利用谱线蕴含的信息，需要在备选的谱线集合中选取最优的谱线组合，降低系统成本，减小计算量。基于以上背景，本专利技术提供了一种用于激光吸收光谱层析成像的谱线选取方法，通过谱线的线强度函数建立恰当的数学模型，确定合适的目标函数，通过组合优化的方法选取最优的谱线组合。
技术实现思路
针对激光吸收光谱层析成像技术中多谱线的优化选取问题，本专利技术提供一种用于激光吸收光谱层析成像的谱线选取方法，专利技术所采取的方案如下：步骤1，给定谱线备选集合和温度区间：吸收光谱中可测量的谱线可以根据实验中使用的激光器、探测器的光谱范围给定，将这些谱线作为备选集合，记备选集合中谱线的总数为I；温度区间可对测量对象进行估计给定，记为[T1,T2]；步骤2，计算谱线线强度函数备选集合并给定选取的谱线数：线强度函数参数可通过检索HITRAN数据库获得，根据步骤1中所述温度区间，即可计算谱线线强度函数备选集合：{Si(T)|i＝1,...,I；T∈[T1,T2]},(5)其中，Si(T)是第i条谱线的线强度函数；给定需要选取的谱线数，记为K，K≤I；步骤3，计算标准化谱线线强度函数备选集合并计算集合中元素间的内积：将步骤2中所述谱线线强度函数备选集合中元素按照能量归一化，获得标准化谱线线强度函数备选集合：所述标准化谱线线强度函数备选集合中第i个元素和第j个元素间的内积为：步骤4：确定组合优化的目标函数：为了选取最优的谱线组合，应使谱线间的独立性增大，相关性减小；因此可使用标准化谱线线强度函数组合的Gram行列式作为组合优化的目标函数，Gram行列式越大，标准化线强度函数组合的相关性越小；一个元素个数为K的标准化谱线线强度函数集合{s1(T),...,sK(T)},T∈[T1,T2]的Gram行列式为：如果计算步骤3中所述标准化谱线线强度函数备选集合S中所有元素个数为K的标准化谱线线强度函数子集合的Gram行列式，就可以比较得知其中最大的Gram行列式的值，而所对应的标准化谱线线强度函数子集合中元素相关性最小；所述过程用目标函数表示为：步骤5：求解组合优化问题获得最优谱线组合：求解步骤4中所述组合优化问题，得到最优标准化谱线线强度函数子集合，所述最优标准化谱线线强度函数子集合中元素对应的谱线组合即步骤1中所述谱线备选集合中个数为K的最优谱线组合。以上步骤归纳为图1所示的流程图。利用所述谱线选取方法，在300至1100[K]范围内，从14条谱线中选取个数为4的最优谱线组合，并利用激光吸收光谱层析成像重建一个正方形区域内温度进行验证。如图4所示，随着Gram行列式的增大，重建的均方根误差逐渐减小，说明所述谱线最优选取方法准确有效。附图说明图1所述谱线选取方法的流程图；图2给定的正方形区域内温度分布；图3激光吸收光谱层析成像中激光束的排列方式；图4所有个数为4的谱线组合对应的Gram行列式值及重建均方根误差值。具体实施方式在本实施例中，针对燃烧检测应用，给定一个由14条谱线组成的备选谱线集合，并利用所述方法从中选取4条最优谱线组合。下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步说明。步骤1，针对燃烧检测应用，给定中心频率如表1所示的14条H2O分子谱线作为备选集合，并给定温度区间为300[K]至1100[K]。表1.备选谱线集合中谱线的中心频率步骤2，检索HITRAN数据库获得表1中谱线的线强度函数参数，计算谱线线强度函数备选集合：{Si(T)|i＝1,...,14；T∈[300,1100]},(10)其中，Si(T)是第i条谱线的线强度函数；在本实施例中，利用所述方法从备选集合中选取4条谱线。步骤3，将步骤2中所述谱线线强度函数备选集合中元素按照能量归一化，获得标准化谱线线强度函数备选集合：计算集合S中第i个元素和第j个元素间的内积为：步骤4：根据标准化谱线强度函数集合的Gram行列式确定其元素间的相关性，一个元素个数为4的标准化谱线线强度函数集合{s1(T),s2(T),s3(T),s4(T)},T∈[300,1100]的Gram行列式为：如果计算集合S中所有元素个数为4的标准化谱线线强度函数子集合的Gram行列式，就可以比较得知其中最大的Gram行列式的值，而所对应的标准化谱线线强度函数子集合中元素相关性最小；所述过程用目标函数表示为：步骤5：利用枚举法列举表1中所列14条谱线个数为4的所有组合，并计算这些组合的Gram行列式。其中Gram行列式最大值对应的谱线组合就是所述方法选取的最优谱线组合。本实施例对所述谱线选取方法进行了如下验证。利用激光吸收光谱层析成像方法，对如图2所示方形区域内的温度分布进行重建。枚举表1中14条谱线个数为4的所有组合，将被测区域划分为8×8的网格，并以144条激光束覆盖被测的区域，激光束排列方式如图3所示。记录重建结果，并按照下式计算重建的均方根误差：其中，and分别为第n个网格中重建的温度和原始的温度。均方根误差越小，重建结果越好，其对应的谱线组合越好。如果越好的谱线组合对应的Gram行列式值越大，则说明所述方法可以实现的谱线最优选取。图4将每种谱线组合对应的Gram行列式和重建的均方根误差绘制在同一个坐标系中，由图可知，随着Gram行列式的增大，重建的均方根误差逐渐减小，且Gram行列式最大本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于激光吸收光谱层析成像的谱线选取方法：步骤1，给定谱线备选集合和温度区间：吸收光谱中可测量的谱线可以根据实验中使用的激光器、探测器的光谱范围给定，将这些谱线作为备选集合，记备选集合中谱线的总数为I；温度区间可对测量对象进行估计给定，记为[T1,T2]；步骤2，计算谱线线强度函数备选集合并给定选取的谱线数：线强度函数参数可通过检索HITRAN数据库获得，根据步骤1中所述温度区间，即可计算谱线线强度函数备选集合：{Si(T)|i＝1,...,I；T∈[T1,T2]},    (1)其中，Si(T)是第i条谱线的线强度函数；给定需要选取的谱线数，记为K，K≤I；步骤3，计算标准化谱线线强度函数备选集合并计算集合中元素间的内积：将步骤2中所述谱线线强度函数备选集合中元素按照能量归一化，获得标准化谱线线强度函数备选集合：

【技术特征摘要】
1.一种用于激光吸收光谱层析成像的谱线选取方法：步骤1，给定谱线备选集合和温度区间：吸收光谱中可测量的谱线可以根据实验中使用的激光器、探测器的光谱范围给定，将这些谱线作为备选集合，记备选集合中谱线的总数为I；温度区间可对测量对象进行估计给定，记为[T1,T2]；步骤2，计算谱线线强度函数备选集合并给定选取的谱线数：线强度函数参数可通过检索HITRAN数据库获得，根据步骤1中所述温度区间，即可计算谱线线强度函数备选集合：{Si(T)|i＝1,...,I；T∈[T1,T2]},(1)其中，Si(T)是第i条谱线的线强度函数；给定需要选取的谱线数，记为K，K≤I；步骤3，计算标准化谱线线强度函数备选集合并计算集合中元素间的内积：将步骤2中所述谱线线强度函数备选集合中元素按照能量归一化，获得标准化谱线线强度函数备选集合：所述标准化谱线线强度函数备选集合中第i个元素和第j个元素间的内积为：...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐立军，曲前伟，曹章，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11