用于管道内轴向流场成像的迭代超声层析成像方法技术

一种用于管道内轴向流场成像的迭代超声层析成像方法，通过在管道上下游两个截面安装具有大发射角的超声波传感器构建密集声道网络；激发并接收超声波信号，通过计算超声波沿各声道顺逆流传播的时间获得管道轴向流场沿各声道的平均流速，进而获得若干原始投影数据；对投影数据按平行声道分组，内插并细分，扩充投影数据数量；离散化待建的管道轴向流速场图像，在先验约束条件下，基于投影数据进行迭代层析成像，实现管道轴向流场重建；本发明专利技术可以在不干扰原始流态的情况下实现对管道内部轴向流场分布的探测，进而实现对管道轴向流场的高精度重建。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于信息科学
，应用于管道输送系统中对内部流体流速进行测量，特别涉及一种用于管道内轴向流场成像的迭代超声层析成像方法。
技术介绍
在日常生活和工业生产中，为实现物质的输送和能量的转换，常构建一些明渠和管道等对自然界的流动现象主动加以应用。对管道内轴向流场进行定量表征具有多方面的重要意义，如实现高精度的流量计量，研究流体力学理论，解决与流体力学相关的工程问题等。早期的流场测量方法通过对空间中的不同位置点进行流速测量发展而来，也称为基点法，典型的有毕托管测速仪和热丝风速仪。两者同属于插入式流场测量方法，在测量时均会对流场产生干扰。利用多普勒效应的超声多普勒测速仪和激光多普勒测速仪是两种典型的非插入式基点法流场测量仪器。多普勒测速仪通过利用流体中自然存在的杂质或人为添加粉尘、氧化铁等散射微粒，利用超声或激光等测量微粒的多普勒频移来确定微粒速度，间接得到流场中某些点的流速【刘友,杨晓梅,马修真.基于激光多普勒测速的流场测试技术.激光与光外,2012,42(1):18-21.】。与基点法不同，全场式流场测量方法能够在一次测量中直接获得二维或三维流速分布剖面，包括传统的阴影法、纹影法、干涉法、莫尔偏折法等和目前应用较广泛的以粒子图像测速仪为代表的基于示踪粒子的移动进行流场测量的方法【王浩,曾理江.二维及三维流场的光学测量方法.光学技术,2001,27(2):139-142.】【Dabiri D.Digital particle image thermometry/velocimetry:a review.Exp Fluids,2008,46:191-241.】。全场式流场测量方法还包括电容层析成像【Fuchs A,Brandstatter B,Watzenig D,et al.Flow profile estimator for closed pipes based on electrical capacitance tomography techniques.Proc.21st IEEE Instrum.Meas.Technol.Conf.,IEEE Press,2004,2326–2631.】、X射线层析成像【Choi Y J,Mccarthy K L,Mccarthy M J.Tomographic techniques for measuring fluid flow properties.J Food Sci 2002,67(7):2718–2724.】、核磁共振层析成像【Heindel TJ,Gray JN,Jensen TC.An X-ray system for visualizing fluid flows.Flow MeasInstrum,2008,19(2):267–278.】和超声波层析成像【廖光洪,朱小华,林巨等.海洋声层析应用与观测研究综述.地球物理学进展2008,23:1782-1790.】等。超声波层析成像方法利用流体流动对超声波的调制作用来测量沿声道方向的流体平均流速并基于层析成像原理由声道平均流速重建流场分布。基于超声波层析成像的流场测量方法可以弥补光学测量技术在非透光条件下的使用限制，无需像粒子图像测速仪等方法一样添加示踪粒子，并且具有成本低、通用性强和测速精度较高等优点，具有重要的研究意义和应用价值。目前，将计算机层析成像与时差式超声波法相结合来进行流场测量的方法在海洋洋流观测、大气风场监测和管道内流场测量等很多场合得到了研究和应用。将超声层析成像方法用于管道轴向流场测量时，超声波的传播路径与在其他应用场合下相比更短，这对飞行时间测量精度提出了更高的要求。正因为如此，基于时差式超声波法的管道轴向流场层析成像技术起步较晚。然而，伴随着近年来电子电路技术和计算机技术的发展，该方面的研究受到国内外学者越来越多的关注。1991年，Teerawatanachai等人设计了一种可旋转的超声波探测管段【Teerawatanachai S,Komiya K,Sasamoto H.Estimating the velocity profile of air flow by means of the ultrasonic translation time computed tomography method.Proc.1991Int.Conf.Ind.Electron.Control Instrum.,IEEE Press,1991:2379–2384.】。管段上安装有1个发射器和7个接收器，共构成7条扇束形声道。由于探测管段可旋转到的角度位置有8个，所以总共可获得56个声道上的投影数据。这项研究首次实现了对管道轴向流场的超声层析重建。Sejong等人将可旋转探测管段工艺与超声波流量计中常用的平行式声道布置方式相结合，实现对流场的平行束式扫描【Chun S,Yoon B-R,Lee K-B.Diagnostic flow metering using ultrasound tomography.J MechSciTechnol 2011,25(6):1475-1482.】。与扇形束扫描相比，这种布置方案下超声波收发换能器一一对应，能够保证超声波信号具有较高的信噪比，但相应的扫描效率有所降低。Rychagov等人设计了一种与之类似的平行束式流场扫描方式，区别在于是将可旋转管段与超声波流量计中的折射式声道布置方式相结合【Rychagov M N,Ruchkin S V,Tereshchenko S A,et al.Imaging of fluid flow by tomographic reconstruction using enhanced multipath ultrasonic measurements.Proc IEEE Ultrason.Symp,IEEE Press,2003:803–806.】。在这种方式下，位于同一侧的发射接收探头构成V字形声道，能够有效地补偿横流对测量的影响。Kurniadi等人设计了一种无需管道进行旋转的超声波传感器布置方案【Kurniadi D,Trisnobudi A.A multi-path ultrasonic transit time flow meter using a tomography method for gas flow velocity profile measurement.Part PartSystCharact,2006,23(3):330–338.】。该方案分别将探测管段上下游的两个横截面作为发射平面和接收平面，其上各布置有8个发射或接收换能器，共构成64条声道。由于超声波在各声道方向上单向传播，因而在计算流速时需要以零流状态下的超声波传播速度作为标定数据，所以测量结果受流体温度的影响较大。另外，该布置方案的测量精度受管道横流的影响较大并且管道轴心处的成像分辨率较低。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种用于管道内轴向流场成像的迭代超声层析成像方法，在不干扰原始流态的前提下，无盲区地监控管道内轴向流场分布，实现高精度的二维流场重建。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于管道内轴向流场成像的迭代超声层析成像方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：在管道的上下游两个横截面上分别安装N个具有大发射角和接收角的超声波传感器，每一个传感器均能够与另一截面上所有传感器之间互相收发，共形成N(N‑1)条可利用声道；步骤二：分别测量超声波沿各声道顺流和逆流传播的时间，由下式计算管道流体沿各声道的轴向平均流速：V‾path=L2cosφ(tB→A-tA→BtA→BtB→A)]]>其中，tB→A和tA→B分别为超声波顺流和逆流传播的时间，φ为声道与管道轴线方向的夹角，L为声道长度；步骤三：将上一步获得的投影相同声道的轴向平均流速数据取平均，然后分别与各声道在管道横截面上的投影长度相乘，得到原始流场沿各声道的个投影数据，将投影数据按照是否位于同一平行声道组进行分类，共N组；步骤四：对投影数据进行预处理操作，设定管壁处的投影值为0，为更好地反映投影数据的连续性，选用三次样条曲线进行原始数据拟合，内插函数为：p=B(t)=gi(t)=Mi-16ui-1(ti-t)3+Mi6ui-1(t-ti-1)3+(pi-1ui-1-Mi-16ui-1)(ti-t)+(piui-1-Mi6ui-1)(t-ti),ti-1<t<ti,(i=1,2,...,n)]]>式中，(ti,pi)为区间[a,b]上的原始数据点，a＝t0<t1<…<tn＝b，ui‑1＝ti‑ti‑1，Mi‑1＝B”(ti‑1)，Mi＝B”(ti)，t0是内插采用的第一个原始数据点横坐标，tn是内插采用的最后一个即第n个原始数据点横坐标，内插共采用了n个原始数据点，B″(ti)是内插函数在第i个投影数据点处的二阶导数；步骤五：对投影数据的内插曲线进行等间隔离散获得N组细分的投影数据；步骤六：将包含了重建目标即管道轴向流场的某个正方形图像离散化为J＝n×n个像素，图像向量X＝(x1,x2,...,xJ)T和投影向量P＝(p1,p2,...,pI)T之间存在下面的关系：AX＝P式中，A＝(ai,j)I,J是长度矩阵或称为系统矩阵，ai,j为直线Li被第j个像素区域截取的长度，代表第j个像素对第i条射线投影的贡献，j＝1,2,3,…,J,i＝1,2,...,I,J为所有像素的个数，I为所有投影数据的个数，图像向量X中xj为待建流场在第j个像素点区域内流速的平均值，投影向量P中pi为直线Li上的投影数据，图像向量X在管壁外侧处的值始终限制为0；步骤七：执行迭代，迭代过程表示为：Xk(i)=Xk(i-1)+λ(i)pi-Xk(i-1)·AiAi·AiAi=Xk(i-1)+λ(i)Q(P-AXk(i-1)),i=1,2,...,I]]>式中，Xk(i)代表经过第k轮迭代的第i次投影后得到的图像向量，Ai为系统矩阵A的第i个行向量，λ(i)∈(0,1)为松弛因子，Q是定义的算子；步骤八：按上式进行若干轮迭代，直到迭代终止的条件满足，即某轮迭代后的图像向量与前一轮迭代后的图像向量Xs‑1(i)之间满足以下关系：Xs(i)‑Xs‑1(i)<ε式中，ε为给定的某一个极小量，由此，可获得管道内轴向流场成像图。...

【技术特征摘要】
1.一种用于管道内轴向流场成像的迭代超声层析成像方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：在管道的上下游两个横截面上分别安装N个具有大发射角和接收角的超声波传感器，每一个传感器均能够与另一截面上所有传感器之间互相收发，共形成N(N-1)条可利用声道；步骤二：分别测量超声波沿各声道顺流和逆流传播的时间，由下式计算管道流体沿各声道的轴向平均流速： V ‾ p a t h = L 2 cos φ ( t B → A - t A → B t A → B t B → A ) ]]>其中，tB→A和tA→B分别为超声波顺流和逆流传播的时间，φ为声道与管道轴线方向的夹角，L为声道长度；步骤三：将上一步获得的投影相同声道的轴向平均流速数据取平均，然后分别与各声道在管道横截面上的投影长度相乘，得到原始流场沿各声道的个投影数据，将投影数据按照是否位于同一平行声道组进行分类，共N组；步骤四：对投影数据进行预处理操作，设定管壁处的投影值为0，为更好地反映投影数据的连续性，选用三次样条曲线进行原始数据拟合，内插函数为： p = B ( t ) = g i ( t ) = M i - 1 6 u i - 1 ( t i - t ) 3 + M i 6 u i - 1 ( t - t i - 1 ) 3 + ( p i - 1 u i - 1 - M i - 1 6 u i - 1 ) ( t i - t ) + ( p i u i - 1 - M i 6 u i - 1 ) ( t - t i ) , t i - 1 < t < t i , ( i = 1 , 2 , ... , n ) ]]>式中，(ti,pi)为区间[a,b]上的原始数据点，a＝t0<t1<…<tn＝b，ui-1＝ti-ti-1，Mi-1＝B”(ti-1)，Mi＝B”(ti)，t0是内插采用的第一个原始数据点横坐标，tn是内插采用的最后一个即第n个原始数据点横坐标，内插共采用了n个原始数据点，B″(ti)是内插函数在第i个投影数据点处的二阶导数；步骤五：对投影数据的内插曲线进行等间隔离散获得N组细分的投影数据；步骤六：将包含了重建目标即管道轴向流场的某个正方形图像离散化为J＝n×n个像素，图像向量X＝(x1,x2,...,xJ)T和投影向量P＝(p1,p2,...,pI)T之间存在下面的关系：AX＝P式中，A＝(ai,j)I,J是长度矩阵或称为系统矩阵，ai,j为直线Li被第j个像素区域截取的长度，代表第j个像素对第i条射线投影的贡献，j＝1,2,3,…,J,i＝1,2,...,I,J为所有像素的个数，I为所有投影数据的个数，图像向量X中xj为待建流场在第j个像素点区域内流速的平均值，投影向量P中pi为直线Li上的投影数据，图像向量X在管壁外侧处的值始终限制为0；步骤七：执行迭代，迭代过程表示为： X k ( i ) = X k ( ...

【专利技术属性】
技术研发人员：王伯雄，崔园园，罗秀芝，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11