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基于层次化离散与残差网络的可调谐二极管激光吸收光谱层析成像

司菁菁 付庚宸 程银波 刘畅

司菁菁, 付庚宸, 程银波, 刘畅. 基于层次化离散与残差网络的可调谐二极管激光吸收光谱层析成像[J]. 电子与信息学报, 2022, 44(7): 2539-2546. doi: 10.11999/JEIT210160
引用本文: 司菁菁, 付庚宸, 程银波, 刘畅. 基于层次化离散与残差网络的可调谐二极管激光吸收光谱层析成像[J]. 电子与信息学报, 2022, 44(7): 2539-2546. doi: 10.11999/JEIT210160
SI Jingjing, FU Gengchen, CHENG Yinbo, LIU Chang. Tunable Diode Laser Absorption Tomography Based on Hierarchical Discretization and Residual Network[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2022, 44(7): 2539-2546. doi: 10.11999/JEIT210160
Citation: SI Jingjing, FU Gengchen, CHENG Yinbo, LIU Chang. Tunable Diode Laser Absorption Tomography Based on Hierarchical Discretization and Residual Network[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2022, 44(7): 2539-2546. doi: 10.11999/JEIT210160

基于层次化离散与残差网络的可调谐二极管激光吸收光谱层析成像

doi: 10.11999/JEIT210160
基金项目: 国家自然科学基金(61701429),河北省自然科学基金(F2021203027),河北省高等学校科学技术研究项目(QN2019133)
详细信息
    作者简介:

    司菁菁:女,1980年生,教授,研究方向为多媒体信号处理

    付庚宸:男,1996年生,硕士生,研究方向为基于深度学习的逆问题求解

    程银波:男,1978年生,讲师,研究方向为深度学习

    刘畅:男,1987年生,讲师,研究方向为激光吸收光谱及其层析成像技术

    通讯作者:

    程银波 cyb@hebau.edu.cn

  • 中图分类号: TN919.8

Tunable Diode Laser Absorption Tomography Based on Hierarchical Discretization and Residual Network

Funds: The National Natural Science Foundation of China (61701429), The Natural Science Foundation of Hebei Province (F2021203027), The Science and Technology Program of Universities and Colleges in Hebei Province (QN2019133)
  • 摘要: 快速、准确、适用性强的重建算法是可调谐二极管激光吸收光谱层析成像(TDLAT)的核心研究内容之一。现有算法一般取位于燃烧场中心的某局部区域作为感兴趣区域(RoI),利用整个燃烧场对激光束的光谱吸收值重建RoI这一局部区域内的气体参数分布。重建结果与实际情况存在一定偏差。针对这一问题,该文研究燃烧场的空间层次化离散方法,进而为TDLAT系统设计一种基于残差网络(ResNet)的层次化温度层析成像方案(HTT-ResNet)。该方案能够根据有限数量的光谱吸收测量值完整重建整个燃烧场的温度图像,并对计算资源与燃烧场不同空间区域的成像分辨率进行优化配置,着重实现RoI内温度分布的高空间分辨率成像。利用随机多模态高斯火焰模型与实际TDLAT系统测量数据进行的实验均表明,HTT-ResNet重建的温度图像能够准确定位火焰的空间位置、清晰描述燃烧场的温度分布。
  • 图  1  均匀离散化模型

    图  2  实际TDLAT系统的测量空间俯视图

    图  3  激光光路布置的示意图

    图  4  层次化空间离散模型

    图  5  HTT-ResNet方案示意图

    图  6  本文构建的ResNet的具体结构

    图  7  不同噪声比例下测试集平均归一化重建误差的比较

    图  8  3种算法对代表性单峰高斯火焰的重建效果对比

    图  9  HTT-CNN和HTT-ResNet对代表性双峰高斯火焰的重建效果对比

    图  10  实际TDLAT系统单火焰测量数据的重建温度分布

    图  11  实际TDLAT系统双火焰测量数据的重建温度分布

    表  1  HTT-ResNet与HTT-CNN训练时间和重建时间的对比

    重建算法训练时间(min)1090个测试样本的平均重建时间(s)21个实际样本的平均重建时间(s)
    HTT-CNN4.47.042×10–40.0248
    HTT-ResNet16.11.201×10–30.0461
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-02-25
  • 修回日期:  2021-07-19
  • 网络出版日期:  2021-07-28
  • 刊出日期:  2022-07-25

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