[发明专利]用于基于可调谐二极管激光吸收光谱的气体浓度重建的贝叶斯方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2011年9月20日提交的美国临时申请No.61/536,704的优先权，其全部内容通过引用合并至本文中。

背景技术

本发明一般涉及二维(2D)气体浓度地图(map)构建。更具体地，本发明涉及将源自多个单独的投射路径平均测量值的数据传播至2D地图中的所有像素并且对所有像素之间的全局相关性进行建模的高斯过程(GP，Gaussian Process)。

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS，Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)是一种用于同时测量诸如锅炉的燃烧系统的气体(例如，O2、CO)浓度和温度的技术。TDLAS系统遍及通过燃烧区域的预定投射路径对参数的平均值进行测量。TDLAS中的一个活跃的研究领域是基于多个投射路径平均来重建2D气体浓度地图。气体浓度地图在诸如燃烧监视、诊断和优化的许多应用中是有用的。

构建气体浓度地图是根据一维(1D)投射进行2D重建的问题，其类似于在医学成像中使用的计算机断层扫描(CT，Computed Tomography)的概念。然而，最广泛使用的CT算法诸如滤波回投射(filtered back projection)需要许多投射(多个视点以及每视点密集投射)，以实现高的分辨率。相比之下，在锅炉上通常仅设立非常少量的投射路径。例如，并不少见的是，仅使用5至10个投射路径。另外，由于物理限制或安装困难，投射路径可能并不通过最佳位置或在最佳方向(视点)。这些挑战导致单个投射路径观察不到(不遍历)地图中的大百分比的像素。

由于CT图像重建使用代数重建技术(ART，Algebraic Reconstruction Technique)，所以ART由于其能够处理少量投射的问题而似乎是自然符合。然而，对于这种约束极端不足的问题(2D地图中的气体浓度，未知变量的数目远大于可用等式的数量)，ART可能无法实现。

引入相邻像素之间的平滑度约束作为先验信息来帮助解决该约束不足问题。可以使用平滑基函数（smooth basis function）或双三次样条插值（bicubic spline interpolation）作为后处理步骤来并入平滑度。然而，平滑度约束是局部的并且不能捕获像素之间长程相关性。由于以上挑战，该要求难以满足。

期望的是根据1D投射路径平均来构建气体浓度地图的方法及系统。

发明内容

发明人发现期望具有根据源自一个或更多个基于激光的吸收投射路径的数据来构建二维（2D）气体浓度地图（图像）的系统及方法。实施例使用贝叶斯方法来通过将2D地图建模为高斯过程（GP）来构建燃烧区域横截面平面的2D气体浓度地图。GP对2D地图中的所有像素之间的全局相关性进行建模。源自一个或更多个投射路径的数据被传播至地图中的所有像素而不仅是局部像素。地图像素之间的相关性用于将来自投射路径所遍历（或穿过，traverse）的地图像素的投射路径数据传播至其他地图像素。

本发明的一个方面提供了一种根据一维投射路径数据来构建二维地图（图像）的方法。根据本发明的这个方面的方法包括：定义具有M×N个像素的表示横截面平面的地图；在地图上标识对一个或更多个投射路径进行限定的边界坐标位置（其中，i＝１，2，...，I表示投射路径的数量）；标识I个投射路径所遍历的地图像素；针对每个投射路径i所遍历的每个地图像素计算像素投射路径长度；将像素投射长度传播至其他地图像素；以及使像素投射长度相关。