一种爆震火焰温度测量系统及三维温度场的重建方法与流程

技术特征：

1.一种爆震火焰温度测量系统，其特征在于包括带声卡和显示器的主机、功率放大器、继电器、数采卡、端子板、信号调理器、扬声器和麦克风；扬声器和麦克风位于在爆震燃烧室内，带声卡和显示器的主机、功率放大器、继电器、数采卡、端子板和信号调理器位于爆震燃烧室外，扬声器与继电器连接，麦克风与信号调理器连接；主机中的声波测温软件系统发出数字声波信号，经声卡转换为模拟信号后，再经功率放大器放大输出到继电器开关的一端；与此同时，主机上的声波测温软件系统向数采卡上的数字I/O输出高电平，高电平由与数采卡相连的端子板引出，经信号控制电缆去启动继电器，将功率放大器输出的模拟信号传输到扬声器，扬声器将模拟信号转化为声波信号，麦克风将接收到的声波信号转换为电压信号，经信号调理器放大后，被数采卡采集，然后输入到声波测温软件系统进行三维温度场的重建。

2.根据权利要求1所述的一种爆震火焰温度测量系统，其特征在于扬声器和麦克风的数量分别为20个，一个扬声器和一个麦克风组成一组，20组均匀的分布在立方体空间的各个边上。

3.一种对权利要求2所述的爆震火焰温度测量系统测得的电压信号进行三维温度场的重建方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：采用倒谱法对两麦克接收到的电压信号进行倒谱变换：

其中，接收到的电压信号为：

x₁(t)＝h₁(t)*s(t-τ₁)+n₁(t)

x₂(t)＝h₂(t)*s(t-τ₂)+n₂(t)

其中，h₁(t)、h₂(t)为燃烧室的单位冲激响应；n₁(t)、n₂(t)为麦克风接收的噪声信号；s(t-τ₁)、s(t-τ₂)为两麦克风接收扬声器发出的信号；

进行倒谱变换后的电压信号为：

x₁(t)＝s(t-τ₁)+n₁(t)

x₂(t)＝s(t-τ₂)+n₂(t)

步骤2：对倒谱变换后的x₁(t)和x₂(t)进行互相关运算：

$R_{x_1{x}_2}\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\underset{-\mathrm{\∞}}{\overset{\mathrm{\∞}}{\∫}}{x}_1(t-\mathrm{\τ})x_2\left(t\right)\mathrm{\ω}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\underset{-\mathrm{\∞}}{\overset{\mathrm{\∞}}{\∫}}\[s_1(t-\mathrm{\τ})+n_1(t-\mathrm{\τ})\]\[{\mathrm{As}}_2\left(t\right)+n_2\left(t\right)\]dt$

化简可得：

$R_{x_1{x}_2}\left(\mathrm{\τ}\right)=R_{s_1{s}_2}\left(\mathrm{\τ}\right)+R_{s_1{n}_2}\left(\mathrm{\τ}\right)+R_{n_1{s}_2}\left(\mathrm{\τ}\right)+R_{n_1{n}_2}\left(\mathrm{\τ}\right)$

其中，A为声波传播过程中的衰减系数，为信号的互相关运算结果，分别为信号和噪声的互相关运算结果，是噪声互相关运算结果，易知为零，可简化为：

$R_{x_1{x}_2}\left(\mathrm{\τ}\right)=R_{s_1{s}_2}\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\underset{-\mathrm{\∞}}{\overset{\mathrm{\∞}}{\∫}}{s}_1(t-\mathrm{\τ})s_2\left(t\right)dt=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\underset{-\mathrm{\∞}}{\overset{\mathrm{\∞}}{\∫}}s(t+\mathrm{\Δ}t-\mathrm{\τ})s\left(t\right)dt=R_s(\mathrm{\τ}-\mathrm{\Δ}t)$

其中，Δt为时间延迟，因为R_s(τ-Δt)≤R_s(0)，当τ＝Δt时，取得最大值，则通过计算，互相关函数峰值出现的时刻即为时间延迟Δt即飞渡时间τ；

步骤3：采用LSQR算法重建温度场：

将三维燃烧室测量空间均分为3×3×3＝27个空间网格，则

${\mathrm{\τ}}_i=\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{w}_{ij}{f}_j,i=1,2...,58$

式中：w_ij为第i条路径通过第j个空间网格的长度；τ_i为测得的第i条声波路径的声波飞渡时间；f_j为待测区域内声波传播速度的倒数；

控制20个扬声器依次发射声波信号，组成一个测量周期，则得到58条声波路径，相应的线性方程组为：

w₁₁f₁+w₁₂f₂+…w_1,27f₂₇＝τ₁

w₂₁f₁+w₂₂f₂+…w_2，27f₂₇＝τ₂

w_58，1f₁+w_58，2f₂+…w_58，27f₂₇＝τ₅₈

该方程组用矩阵表示为

Ax＝b，即为三维温度场重建的数学模型

式中：为58×27维权因子矩阵，反映了第j空间网格对第i条声波路径的贡献：x＝(f₁,f₂,...,f₂₇)^T，为27维温度场向量；b＝(τ₁,τ₂,…,τ₅₈)^T，为步骤2得到的58维飞渡时间测量数据向量；

求出矩阵x＝(f₁,f₂,…,f₂₇)^T，将x＝(f₁,f₂,…,f₂₇)^T带入其中Z为声学常数，即求解出各个网格内的平均温度，将此温度作为每个网格空间几何中心的温度，再在MATLAB中调用三次样条插值方法即可得出整个待测空间区域的三维温度场。