Temperature is critical in combustion processes, and its measurement is essential to optimize combustion efficiency, reducing pollutant emissions, and improving energy utilization. Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS), as a non-contact, high-precision, and fast temperature measurement method, can achieve two-dimensional temperature measurement when combined with a laser absorption spectroscopy imaging system, making it widely applicable in combustion diagnostics. However, in practical applications, the large form factor and high power voltage source in the imaging system and the dependence on an upper computer for temperature tomography and display present challenges for scenarios requiring integrated, portable online imaging. In order to address these issues, this thesis processes a normalized second-harmonic peak extraction method for laser absorption spectroscopy, and designs a compact, low-ripple voltage source with current-sharing capability. Furthermore, an integrated TDLAS online imaging system based on FPGA and ARM is developed to achieve temperature tomography of combustion fields. Firstly, a Hybrid CNN-ResNet network is developed to achieve normalized second-harmonic peak extraction and imaging acceleration. Compared to classical networks such as BP, ResNet, and LSTM, this network improves the extraction accuracy by over 17%. The classical normalized second-harmonic peak extraction method comprises three steps, digital quadrature demodulation, polynomial fitting, and peak extraction. Compared with classical methods, it reduces extraction errors to below 0.5% while speeding up processing by 9 times. Secondly, a current distribution method using equivalent resistance negative feedback is proposed to address the challenges of large form factor and high ripple noise in high power supplies of imaging systems. Compared to commercial linear power supplies, it achieves significant reductions in both weight and volume. With an 80W output at 5V, it demonstrates peak-to-peak voltage ripple below 5mV, realizing miniaturization of low-ripple voltage sources. Subsequently, an integrated TDLAS online imaging system via FPGA and ARM is developed. The system acquires laser absorption spectral intensity data via FPGA, performs harmonic parameter extraction and imaging display on ARM, and achieves high-speed communication through the AXI bus, realizing temperature tomography. Finally, an integrated online imaging system via FPGA and ARM is developed and its performance is validated through path of single optical and 2D temperature imaging experiments on an alcohol lamp flame. In single optical path experiment, this system achieves a WMS signal SNR of 39.33 dB. In the experiment of temperature tomography, the imaging computation deviation is less than 0.2℃ compared to classical methods. An imaging area of 68 cm² is meshed into a 50×50 grid, the system achieves a real-time imaging frame rate of 4 FPS.
La temperatura è un parametro cruciale nel processo di combustione, la cui misurazione riveste un’importanza fondamentale per ottimizzare l’efficienza della combustione, ridurre le emissioni inquinanti e migliorare l’efficienza energetica. Tra le tecniche disponibili, la spettroscopia di assorbimento con laser a diodi sintonizzabile (TDLAS) si distingue come metodo di misurazione della temperatura non invasivo, ad alta precisione e rapida risposta, in grado di realizzare imaging termico bidimensionale, dimostrando ampie prospettive applicative nel campo della diagnostica della combustione. Tuttavia, negli attuali sistemi di imaging, le fonti di alimentazione ad alta potenza risultano ingombranti e il calcolo e la visualizzazione dell’immagine termica dipendono da un computer esterno, evidenziando l’urgente necessità di sviluppare un sistema di imaging integrato per soddisfare le esigenze delle applicazioni di imaging in tempo reale. Per affrontare queste problematiche, la presente tesi propone: un metodo on-chip per l’estrazione normalizzata del picco della seconda armonica basato sulla spettroscopia di assorbimento laser, la progettazione di una fonte di tensione miniaturizzata a basso ripple con condivisione equa della corrente, e lo sviluppo di un sistema integrato di imaging on line basato sull’architettura eterogenea FPGA-ARM per la tomografia della distribuzione bidimensionale della temperatura nei campi di combustione. In primo luogo, è stato proposto un metodo di estrazione del picco armonico basato su una rete ibrida CNN-ResNet. Rispetto alle reti neurali classiche (backpropagation, reti residue e LSTM), questo metodo migliora la precisione di estrazione del picco della seconda armonica normalizzata del 17%. In confronto al metodo di estrazione basato sulla demodulazione ortogonale digitale, presenta un errore medio inferiore allo 0.5% e una velocità di estrazione 9 volte superiore, consentendo il calcolo e l’accelerazione dell’imaging direttamente sul chip ARM. In secondo luogo, è stato sviluppato un metodo di condivisione della corrente basato sul feedback negativo di resistenza equivalente, che ha portato alla realizzazione di una fonte di tensione miniaturizzata a basso ripple. Rispetto alle alimentazioni lineari commerciali, questo dispositivo presenta una riduzione significativa del peso e del volume, con un ripple di picco inferiore a 5mV a 80W di potenza erogata e 5V di tensione in uscita. Successivamente, è stato realizzato un sistema integrato di imaging online basato sull’architettura eterogenea FPGA-ARM. In questo sistema, l’acquisizione dei dati di intensità luminosa per la spettroscopia di assorbimento laser viene gestita dall’FPGA, mentre l’estrazione dei parametri armonici e la visualizzazione dell’immagine sono implementati sull’ARM, con comunicazione ad alta velocità attraverso il bus AXI, ottenendo così la tomografia della distribuzione bidimensionale della temperatura. Infine, sono state condotte valutazioni delle prestazioni del sistema di imaging termico bidimensionale sviluppato. Negli esperimenti di misurazione della temperatura a singolo canale, i dati di intensità luminosa con modulazione di lunghezza d’onda hanno mostrato un SNR di 39.33dB, dimostrando una buona immunità al rumore. Negli esperimenti di imaging termico bidimensionale, rispetto al metodo di estrazione basato sulla demod ulazione ortogonale digitale, il metodo proposto ha mostrato una deviazione di calcolo inferiore a 0.2℃. Con un’area di imaging di 68cm² suddivisa in una griglia 50×50, il sistema ha raggiunto una frequenza di imaging di 4FPS, realizzando un imaging online affidabile.
Integrated system for online laser absorption spectroscopy imaging via FPGA and ARM
SHI, XINGZHAO
2024/2025
Abstract
Temperature is critical in combustion processes, and its measurement is essential to optimize combustion efficiency, reducing pollutant emissions, and improving energy utilization. Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS), as a non-contact, high-precision, and fast temperature measurement method, can achieve two-dimensional temperature measurement when combined with a laser absorption spectroscopy imaging system, making it widely applicable in combustion diagnostics. However, in practical applications, the large form factor and high power voltage source in the imaging system and the dependence on an upper computer for temperature tomography and display present challenges for scenarios requiring integrated, portable online imaging. In order to address these issues, this thesis processes a normalized second-harmonic peak extraction method for laser absorption spectroscopy, and designs a compact, low-ripple voltage source with current-sharing capability. Furthermore, an integrated TDLAS online imaging system based on FPGA and ARM is developed to achieve temperature tomography of combustion fields. Firstly, a Hybrid CNN-ResNet network is developed to achieve normalized second-harmonic peak extraction and imaging acceleration. Compared to classical networks such as BP, ResNet, and LSTM, this network improves the extraction accuracy by over 17%. The classical normalized second-harmonic peak extraction method comprises three steps, digital quadrature demodulation, polynomial fitting, and peak extraction. Compared with classical methods, it reduces extraction errors to below 0.5% while speeding up processing by 9 times. Secondly, a current distribution method using equivalent resistance negative feedback is proposed to address the challenges of large form factor and high ripple noise in high power supplies of imaging systems. Compared to commercial linear power supplies, it achieves significant reductions in both weight and volume. With an 80W output at 5V, it demonstrates peak-to-peak voltage ripple below 5mV, realizing miniaturization of low-ripple voltage sources. Subsequently, an integrated TDLAS online imaging system via FPGA and ARM is developed. The system acquires laser absorption spectral intensity data via FPGA, performs harmonic parameter extraction and imaging display on ARM, and achieves high-speed communication through the AXI bus, realizing temperature tomography. Finally, an integrated online imaging system via FPGA and ARM is developed and its performance is validated through path of single optical and 2D temperature imaging experiments on an alcohol lamp flame. In single optical path experiment, this system achieves a WMS signal SNR of 39.33 dB. In the experiment of temperature tomography, the imaging computation deviation is less than 0.2℃ compared to classical methods. An imaging area of 68 cm² is meshed into a 50×50 grid, the system achieves a real-time imaging frame rate of 4 FPS.File | Dimensione | Formato | |
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