基于电学/超声双模态融合的层状界面重建方法技术

本发明专利技术涉及一种基于电学/超声双模态融合的层状界面重建方法，步骤为：定义管道水平中心平面为参考平面，在目标界面上选取一组前向控制点，记前向控制点到参考平面的距离为前向距离；超声获得的中心处前向距离dc作为电学成像目标函数的约束条件，建立约束最小二乘问题；利用形状重建算法来求解具有先验约束的电学成像目标函数，获得形状参量的最优解；利用形状函数将所得到的形状参量转化成相应的目标界面，并绘制目标界面的几何廓形。本发明专利技术具有重建精度高的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电学/超声双模态融合成像
，涉及一种层状界面无损测试方法。
技术介绍
容器或管道内层状界面检测问题广泛存在于工业生产过程中，层状界面廓形准确重构对于保证工业生产过程的安全性和提高生产效率具有重要意义。电学层析成像技术(ElectricalTomography，简称ET)，包括：电阻层析成像(ElectricalResistanceTomography，简称ERT)、电容层析成像(ElectricalCapacitanceTomography，简称ECT)、电阻抗层析成像(ElectricalImpedanceTomography，简称EIT)、电磁层析成像(ElectromagneticTomography，简称EMT)，是一种具有非侵入或非扰动特点的过程可视化在线监测技术。它通过安置在待测敏感场的阵列式传感器，向目标物场施加电学激励信号，并能够获得反映敏感场内电导率/介电常数/磁导率分布信息的电学响应信号，进而实现场内介质分布的二维/三维可视化。该技术具有高速、安全和低成本等优点，适合于生产过程中容器或管道内层状界面检测问题。2000年，J.E.Butler等人发表于《ChemicalEngineeringScience(化工科学)》第55卷，第1193-1204页，题为《Inversemethodforimagingafreesurfaceusingelectricalimpedancetomography(基于电阻抗层析成像的开界面重建)》，提出了一种基于多项式参数化表征的开界面重建方法，并利用Marquardt方法进行EIT逆问题求解。2011年，A.K.Khambampati等人发表于《FlowMeasurementandInstrumentation(流量测量与仪表)》第22卷，第517-528页，题为《AnEMalgorithmfordynamicestimationofinterfacialboundaryinstratifiedflowofimmiscibleliquidsusingEIT(基于EIT期望值最大的液液不相容层状流界面动态估计)》，提出了一种基层状界面参数估计方法，该方法能够降低模型的不确定性，提高开界面重建的精度。但是，由于ET问题具有严重的非线性和病态性，基于ET单模态的层状界面检测精度较低，很难满足现代工业测试需求。解决该问题的一种有效途径是，充分利用先验信息。在层状界面检测问题中，位于层状界面两侧的介质往往具有恒定的电导率，即在测量截面上电导率分块满足或近似满足定常分布的假设。利用这一先验信息对相边界进行参数化表征，直接重构层状界面的几何轮廓。该方法能够明显减少ET逆问题中未知量个数，提高ET重建的速度和精度。2006年，O.P.Tassavainen等人发表于《InternationalJournalforNumericalMethodsinEngineering(国际工程数值方法期刊)》第66卷，第1991-2103页，题为《Free-surfaceandadmittivityestimationinelectricalimpedancetomography(基于电阻抗层析成像的开界面与导纳率估计)》，报道了利用分层分布下子区域未知导纳率定常这一先验信息，进行导纳率与开界面的估计。2007年，S.Kim等人发表于《MeasurementScience&Technology(测量科学与技术)》第18卷，第1257-1269页，题为《Movinginterfacialboundaryestimationinstratifiedflowoftwoimmiscibleliquidsusingelectricalresistancetomography(ERT液液两相不相容层状流动态界面边界估计)》，报道了利用前向控制点进行分界面参数化表征，并通过扩展卡尔曼滤波来跟踪动态分界面的变化。2012年，S.J.Ren等人发表于《MeasurementScience&Technology(测量科学与技术)》第23卷，第R1-R10页，题为《Aboundaryelementapproachtoestimatethefreesurfaceinstratifiedtwo-phaseflow(边界元法估计两相层状流开界面)》，报道了一种基于边界元法的两相层状流开界面估计方法。上述方法只能引入关于目标介质分布的初略信息，很难引入关于待测界面在特定点出的几何约束，不能从根本上解决ET问题的病态性，对测量精度的提高能力有限。超声检测技术，包括：超声透射测试(UltrasoundTransmissionTesting,简称UTT)和超声反射测试(UltrasoundReflectionTesting,简称URT)，利用目标介质的声阻抗差异，检测超声波在待测多相介质中的反射或衰减信号，实现多相介质交界面在固定点位置处息的精准测量。该方法具有非侵入、非接触、低成本的优点，在多相流与医学检测领域具有较广泛的应用。1990年，J.S.Chang等人发表于《NuclearEngineeringandDesign(核工程与设计)》第122卷，第143-156页，题为《Determinationoftwo-phaseinterfacialareasbyanultrasonictechnique(基于超声技术的两相流界面面积测定)》，提出了一种单脉冲超声测量技术，实现了两相流瞬时液位的测量。2013年K.J.Opielinski等人发表于《Archivesofacoustics(声学文集)》第38卷，第321-334页，题为《UltrasoundtransmissiontomographyimagingofstructureofbreastelastographyphantomcomparedtoUS,CTandMRI(乳房弹性结构模型超声透射层析成像与超声波成像、计算机断层层析成像、磁共振成像对比)》，利用超声波在不同介质中声速的差异以及声波在介质中的衰减率，通过乳房肿瘤模拟实验，较好的重建出了肿瘤尺寸与位置。2010年，Y.Murai等人发表于《FlowMeasurementandInstrumentation(流量测量与仪表)》第21卷，第356-366页，题为《Ultrasonicdetectionofmovinginterfacesingas-liquidtwo-phaseflow(基于超声的气液两相流动态界面检测)》，利用超声反射渡越时间实时监测分层界面位置，并利用三种技术：回波强度法、局部多普勒技术、速度方差技术实现分界面形状和尺度的检测。2014年，F.R.Coutinho等人发表于《Sensors(传感器)》第14卷，第9093-9116页，题为《Anewmethodforultrasounddetectionofinterfacialpositioningas-liquidtwo-phaseflow(一种基于超声的新型气液两相流界面位置检测方法)》，提出了一种基于速度谱的时空转换法，经过空间滤波能够较好的获得具有声阻抗差异的两相本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于电学/超声双模态融合的层状界面重建方法，适用于管道中层状流层析成像，在管道周围均匀安置n个电极，采用电流激励电压测量且激励电极不测量的模式，通过电学层析成像测量系统获取相应的边界电压测量值，一对超声探头安置于管道的正上方与正下方，利用超声测量系统发射与接收超声脉冲波，通过超声渡越时间和介质中声波的传播速度来获得层状界面中心处到发射探头的距离，采用超声测试原理，获取待重建层状界面即目标界面在特定点处的位置信息，并将该信息作为先验信息，约束电学成像问题的求解过程，步骤为：1)定义管道水平中心平面为参考平面，在目标界面上选取一组前向控制点，记前向控制点到参考平面的距离为前向距离，并用di，i＝1,…,m，表示，m为控制点个数，那么目标界面的几何轮廓用一组形状参量d＝[d1,d2,…,dm]来表征；2)目标界面中心处的前向距离dc＝hc‑R，其中，hc表示目标界面中心到超声发射探头的距离，R表示参考平面到超声发射探头的距离，hc通过超声透射或超声反射的超声测试方法获得；3)超声获得的中心处前向距离dc作为电学成像目标函数的约束条件，得到如下约束最小二乘问题：min{||Vmeas‑V(d)||2+αdTd},s.t.dc＝hc‑R其中，Vmeas表示测量得到的电学边界电压数据，V(d)是计算得到的电学边界电压数据，α为阻尼因子；4)利用形状重建算法来求解具有先验约束的电学成像目标函数，获得形状参量d的最优解，包含如下步骤：设所述的约束最小二乘问题的迭代解如下：dk+1＝dk+δkΔdk这里，dk为第k步迭代所得到的形状参数向量，Δdk为第k步迭代的搜索方向，δk为搜索步长，通常为1，搜索方向通过求解如下近似线性化方程来确定：minΔdk{||Vmeas-V-JVΔdk||2+α(dk+Δdk)T(dk+Δdk)}s.t.H+JHΔdk=R]]>其中，H为线性约束的增广矩阵，JV和JH分别为V和H关于形状参数向量d的雅可比矩阵，JV通过有限差分法求解，JH通过解析法得到；通过拉格朗日乘数法求解上述带约束的线性方程，并令拉格朗日函数关于Δd和拉格朗日乘数λ的导数为零，唯一确定[Δd λ]，再由迭代解逐步逼近真实界面的形状参数；5)利用形状函数将所得到的形状参量转化成相应的目标界面，并绘制目标界面的几何廓形。...

【技术特征摘要】
1.一种基于电学/超声双模态融合的层状界面重建方法，适用于管道中层状流层析成像，在管道周围均匀安置n个电极，采用电流激励电压测量且激励电极不测量的模式，通过电学层析成像测量系统获取相应的边界电压测量值，一对超声探头安置于管道的正上方与正下方，利用超声测量系统发射与接收超声脉冲波，通过超声渡越时间和介质中声波的传播速度来获得层状界面中心处到发射探头的距离，采用超声测试原理，获取待重建层状界面即目标界面在特定点处的位置信息，并将该信息作为先验信息，约束电学成像问题的求解过程，步骤为：1)定义管道水平中心平面为...

【专利技术属性】
技术研发人员：任尚杰，梁光辉，董峰，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12