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气体信号源方位的探测方法研究

夏东海  
【摘要】: 在社会经济快速发展过程和构建和谐社会进程中,社会生活中的公共安全问题与经济生产运行中的能源紧缺问题已成为制约经济快速发展和构建和谐社会的瓶颈,日益受到人们的广泛关注。因此,发展新的气体信息获取及其信号处理技术方法来加强对公共安全的监测和预警,以及开发新的清洁生物能源感知探测与生产控制技术来替代日益减少和不可再生的化石能源,将具有十分重要的实际工程应用意义。在以往气体探测技术方法中,对于气体的本征感知属性信息的探测技术研究较多,如气体的温度和浓度等,但随着发展的需要,人们不再满足于现有的气体探测技术,而试图获取气体的空间信息,如空间方位信息。因此,气体空间信息探测技术研究已成为当前气体探测及其智能信号处理的研究内容之一。 在气体信号源方位探测技术的应用研究方面,主要通过对公共安全与生物能源领域的气体信号探测应用研究,提出了包括狭长空间和宽平空间在内的气体信号源方位探测的方法研究需求与问题,阐明了气体信号源方位探测的实际工程应用的意义和目的。如在公共安全领域,利用气体信号源方位探测技术可以实现对火灾火源的快速定位,从而缩短火灾探测报警时间,有利于人员安全疏散;在生物能源领域,利用气体信号源方位探测技术可以实现对生物燃气气源的定位,有利于于生物燃气生产系统的燃气采集、输运的控制操作,以实现规模化连续工业生产。 气体信号源方位探测是气体空间信息探测的一个基本内容。本论文针对实际工程应用的需求和应用特点,结合气体扩散流动的一些基本规律和特征性质,对气体的空间信息探测——气体信号源方位探测的基本方法原理与计算算法等关键技术,以及相关领域的应用研究问题进行了深入研究与探讨。本论文所取得的研究成果包括以下几个方面: 1.在气体扩散理论与模型的研究方面,从实际工程应用背景出发,通过研究与分析包括一般流体、湍流、湍流扩散、连续点源的湍流扩散以及浮力羽流与平面射流等气体扩散的基本规律、理论和应用等,从中得到如下特性:(1)在狭长空间中气体扩散会沿一定方向扩散,且气体浓度分布呈现递减的变化趋势;(2)在宽平的空间中气体扩散,气体浓度梯度会在空间顶部平面上围绕一个中心点沿着顶部水平呈圆形以一定的速率向四周扩散,呈现出以一个中心点为圆心的浓度梯度分布的平面波扩散形式特征。这些研究结论为后续的气体信号源探测方法的理论研究与建立提供了基础性的依据,开辟了新的研究方向和新思路。 2.在狭长空间气体信号源方位探测的方法研究方面,将探测传感器阵列引入气体信号采集过程,将Rough集的数学方法工具引入气体探测信号处理的计算模型,提出了狭长空间气体信号源方位探测的基本原理,给出了一种基于Rough测度的狭长空间气体信号源方位探测算法,该算法通过计算各个传感器阵元上采样信号的Rough测度,来发现信号空间中的极化特征,并结合狭长空间内气体扩散特性,确定气体信号源的方位,仿真计算分析了该方法的适用性和稳健性等问题。 3.在宽平空间气体信号源方位探测的方法研究方面,根据气体在宽平空间内的浓度扩散分布特性,并基于不改变现有的传感器技术的考量,从传感器阵列的信号处理角度出发,提出了基于双线传感器阵列的宽平空间气体信号源方位探测方法,给出了其基于双线阵列信号时延估计的理论计算算法,并通过仿真计算分析了该方法的适用性和稳健性等问题。 本论文的研究成果主要应用于对气体信号源方位的探测识别,从而实现对气源的发现与定位。它一方面可以适用于对方位探测要求不高的应用场景,如狭长空间气体信号源方位探测,另一方面也可以适用于对方位探测要求较高的应用场景,如宽平空间气体信号源方位探测。


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