分布基于烟雾媒介空间气流场与温度场测量

摘要：随着社会的进步、科技的进展和生活水平的日益提升，室内气候越来越成为广泛关注的话题。室内气候包括空气温度、通风、污染水平等指标，工业、农业和日常生活都需要适宜的室内气候。然而由于空气温度场和气流场自身的不可见性，近年来对室内气候的探讨进展缓慢。根据这一需求，本论文利用烟雾媒介使室内气流场和温度场可视化，提出了一种基于计算机视觉技术重建烟雾浓度场进而计算空间温度场及气流场的策略，并通过大量实验验证了策略的可靠性。在大量阅读国内外期刊文献的基础上，本论文对烟雾散射的基本原理、几何视觉中的空间位置标定、三维插值策略、三维光流法等方面做了细致的浅析和探讨，提出了一些革新性的改善，并将各部分内容融合在一起，形成完整的空间气流场及温度场测量算法系统，并取得了一些有价值的实验结论：（1）开展了视觉策略测量空间烟雾浓度场的探讨。在借鉴现有测量算法的基础上，针对提升测量精度和简化测量设备及步骤提出了改善。一方面，将CCD非线性响应校正引入算法，保证了CCD作为光强度量设备的可靠性，提升了烟雾浓度场采样精度。另一方面，针对现有算法十分复杂的设备及步骤，提出了双通道交叉估计相函数的策略，极大地简化了相函数的取值，另外本论文对空间激光束位置标定的细节方面做了完整的阐述。（2）针对由空间烟雾浓度场计算空间气流场的不足，提出一种基于光流法的计算策略，将传统的二维光流法论述扩展到三维场数据的情形，在三维烟雾浓度场中引入光流约束方程，并在此基础上加以全局平滑检测设，以而计算出三维光流场，实验证明本论文提出的策略能够计算出烟雾运动的大体方向，具有一定的实用作用。（3）针对室内有单一热源的情形，提出了一种粗略估计空间温度分布的策略。在热源出风口处释放无初速度的稀疏烟雾，则烟雾会随着室内通风设备产生的气流扩散，在待测空间中放置少量温度传感器作为参照值，用拟合的策略探讨空间温度与烟雾运动之间的关联。实验证明本论文提出的策略能够在小于1℃的误差范围内，得到粗略的空间温度场分布。关键词：室内气候论文空气温度分布论文气流分布论文烟雾浓度测量论文激光散射论文几何视觉论文三维光流法论文三维插值论文

摘要6-8

ABSTRACT8-14

第一章 绪论14-19

1.1 引言14-15

1.2 探讨背景与近况15-17

1.3 本论文探讨内容与结构安排17-19

第二章 三维空间烟雾浓度场测量19-32

2.1 探讨近况19-21

2.2 系统概述21

2.3 激光散射方程21-22

2.4 成像模型22-23

2.5 沿激光线采样烟雾浓度23-24

2.6 重建空间烟雾浓度场24-28

2.6.1 反距离加权插值法25

2.6.2 Push-pull 算法25-26

2.6.3 模拟插值26-28

2.7 确定相函数28-31

2.7.1 实验测量相函数29-31

2.7.2 双通道交叉估计相函数31

2.8 本章小结31-32

第三章 空间气流场及温度场计算32-43

3.1 三维光流法计算空间气流场32-38

3.1.1 光流法探讨近况32-34

3.1.2 三维光流法34-38

3.2 计算空间温度场38-41

3.2.1 最小二乘法多项式拟合39-41

3.3 本章小结41-43

第四章 设备及参数标定43-56

4.1 摄像机模型及标定43-48

4.1.1 摄像机模型43-46

4.1.2 镜头畸变模型46-47

4.1.3 摄相机标定47-48

4.2 激光束位置及方向标定48-51

4.3 温度传感器位置标定51

4.4 CCD 亮度响应标定51-54

4.4.1 非线性校正基本原理52-53

4.4.2 非线性校正策略53-54

4.5 激光束亮度标定54-55

4.6 本章小结55-56

第五章 系统搭建及实验结果56-72

5.1 软件系统56-59

5.2 硬件系统59-60

5.3 实验流程及结果60-71

5.3.1 摄像机内参数标定62-63

5.3.2 摄像机姿态标定63

5.3.3 激光阵列位置标定63-64

5.3.4 温度传感器位置标定64-65

5.3.5 拍摄散射视频65-66

5.3.6 烟雾浓度场重建66-68

5.3.7 计算空间气流场68-69

5.3.8 空间温度场估计69-71

5.4 本章小结71-72

第六章 总结与展望72-74

6.1 本论文内容总结72

6.2 探讨展望72-74