一种用于检测管道中两相流的图像重建方法技术

本发明专利技术公开了一种用于检测管道中两相流的图像重建方法，具体包含下列步骤：(1)构建电容耦合电阻层析成像传感器模型；(2)根据获得的边界测量数据，计算出雅可比矩阵S；(3)提出用于检测管道中两相流的图像重建方法的目标函数；(4)引入1个辅助变量z，将优化模型的无约束问题转化为约束问题，写出目标函数的最小化增广拉格朗日函数；(5)求解目标函数的算法，包括设置初始化参数，更新辅助变量z，求解g

【技术实现步骤摘要】
一种用于检测管道中两相流的图像重建方法


[0001]本专利技术属于电学层析成像
，具体涉及一种用于检测管道中两相流的图像重建方法。

技术介绍

[0002]由于两相流系统在电力、化工、石油、火力发电和航空航天领域等广泛使用，两相流流型辨识也成为两相流在线监测的基础，是两相流测量的重要研究方向。气液两相流多出现在石油、化工传输过程中。如水在容器里的沸腾、空气升力泵装置等。气液两相流的发展是出现于20世纪30年代，到了40年代，由于化工中遇到很多多相流的问题，科学家做了一些有关化工的多相流研究。到了50年代，由于核工业和宇航工业的发展，科学家进行了大量的两相流的研究。1961年，Charles研究了水平管油水两相流的流动，研究表明油水对壁面的湿性的不同直接影响对流型的变化。1963年，Hewitt搭建了两相流环状流试验台。1973年，Delhaye对两相流的基本方程进行了研究。1989年，Ariachakaran进行了水平管的油水两相流实验。观测到了层状流、环状流和分散流等。他通过实验认为影响流型不同因素为油水的速度和油水的体积比。1997年，Flores对垂直管油水两相流进行了研究。提出了流型转化模型。对分散泡流和泡沫流的转变进行了研究。1997年，Hewitt认为气液两相流和液液两相流都存在分层。弹状流和环状流在气液两相流中是很常见的流型，但在液液两相流中很少见。因为两相流很复杂，所以对它的测量有很大的难度。但是两相流又广泛的存在于我们的生活中，存在于我们工业的很多部门里，二十世纪八十年代，过程层析成像技术得到应用。它具有非侵入的特点，并可以连续的提供两相流的二维可视化信息。它采用传感器空间阵列，获取被测物体的流场信息，运用图像重建算法可以再现两相流体在管道内部的某一横截面上的分布状况，从而得到两相流中离散相浓度分布，并得到两相流的变化规律，通过对实验数据进行分析可提取两相流体的特征参数。电阻层析成像技术，是电学层析成像技术的一个重要分支，它基于两相流各介质间电导率的不同，通过测量电阻率分布获得多相介质分布，从而实现两相流参数检测。电阻层析成像技术运用传感器电极阵列形成旋转的空间敏感场，从不同角度进行扫描，从而获得被测物场的电导率分布信息，并采用一定的图像重建算法，重建出被测物场的二维或三维介质分布图像。电阻层析成像技术具有成本低、结构简单、响应速度快、鲁棒性好、实用范围广等特点，具有广阔的工业应用前景，是目前两相流参数检测技术研究的热点之一。随着电阻层析成像技术的发展，出现了电容耦合电阻层析成像技术(CCERT)，同样具有无辐射、无侵入、低成本、快速响应和结构简单等优点。与其它电学层析成像技术相比，电容耦合电阻层析成像技术通过在电极和导电液体之间插入绝缘层来避免接触误差，避免了电极的电化学腐蚀效应和极化效应，降低了维护成本。由于图像重建算法的精度及速度是制约电学成像应用的重要因素，本专利技术提出了一种用于检测管道中两相流的图像重建方法，实时性高，成像质量显著提高，背景清晰，抗噪性能好。

技术实现思路

[0003]本专利技术解决的技术问题是提供了一种用于检测管道中两相流的图像重建方法，实时性高，成像质量显著提高，背景清晰，抗噪性能好，相比于传统的图像重建算法，本专利技术的用于检测管道中两相流的图像重建方法分辨率更高，背景更清晰，鲁棒性更好。
[0004]本专利技术的技术实施方案为：本专利技术提出了一种用于检测管道中两相流的图像重建方法来求解电容耦合电阻层析成像的逆问题。本专利技术的用于检测管道中两相流的图像重建方法的目标函数是：式中，是最小二乘项，||D
u
g||1是正则化项，S代表雅可比矩阵，反映了在被测区域中由电导率变化引起的电流变化，g表示电导率变化，P表示等效电流的变化，D
u
表示u阶有限差分，0<u，λ是正则化参数，用于平衡最小二乘项和正则化项。在图像重建中，通过将目标函数最小化来求解最优的电导率分布，其优化模型表示为：在优化模型中引入辅助变量z，将无约束问题转化为约束问题表示为：s.t.D
u
g＝z，由于上式难以直接有效地求解，将上式表示为最小化增广拉格朗日函数：
[0005][0006]式中，T表示矩阵的转置算子,μ,β和v是增广拉格朗日乘子。
[0007]重建的算法包含以下步骤：(1)构建电容耦合电阻层析成像(CCERT)传感器模型。(2)根据获得的边界测量数据，计算出雅可比矩阵S。本专利技术的实验系统为12电极的电容耦合电阻层析成像测量系统，并采用单电极电压激励和单电极电流检测，一共可以获得132组边界测量数据。(3)提出本专利技术的用于检测管道中两相流的图像重建方法的目标函数。(4)为了便于计算，引入辅助变量z，将优化模型的无约束问题转化为约束问题，写出目标函数的最小化增广拉格朗日函数。(5)求解目标函数的算法，包括设置初始化参数，更新辅助变量z，求解g
k+1
子问题，更新正则化参数λ，判断迭代是否符合迭代终止条件或者k＞k
max
，k
max
表示最大迭代次数，若是则迭代终止，进行下一步操作；若否，设置k＝k+1继续迭代求解。(6)根据求解出的最优灰度值完成图像的重建。
[0008]本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：本专利技术提出了一种用于检测管道中两相流的图像重建方法，实时性高，成像质量显著提高，背景清晰，抗噪性能好。本专利技术对这种图像重建方法的性能进行了定性和定量分析。结果表明，本专利技术的用于检测管道中两相流的图像重建方法成像的质量更高，背景更清晰，目标物重建更准确。
附图说明
[0009]图1为本专利技术的用于检测管道中两相流的图像重建方法的流程框图；
[0010]图2为本专利技术的电容耦合电阻层析成像系统原理图；
[0011]图3为选取的三个经典模型在无噪条件下，将用于检测管道中两相流的图像重建方法与通过Landweber方法，Newton
‑
Raphson方法，Tikhonov方法进行对比后图像重建的结
果图；
[0012]图4为三个经典模型在无噪条件下，通过四种方法进行重建时计算的模糊半径对比表；
[0013]图5为三个经典模型在无噪条件下，通过四种方法进行重建时计算的时间对比表；
[0014]图6为三个经典模型在1％噪声水平下，通过四种方法图像重建的结果图；
[0015]图7为三个经典模型在1％噪声水平下，通过四种方法重建时计算的模糊半径对比表；
[0016]图8为三个经典模型在1％噪声水平下，通过四种方法重建时计算的时间对比表。
具体实施方式
[0017]结合附图详细对本专利技术的用于检测管道中两相流的图像重建方法加以说明。
[0018]本专利技术的用于检测管道中两相流的图像重建方法，针对在重建管道流体图像时，产生的实时性不好问题与背景不清晰的问题。通过自适应的方法选择正则化参数，来权衡最小二乘项与正则化项之间的权重。
[0019]如图1所示，为本专利技术的用于检测管道中两本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于检测管道中两相流的图像重建方法，其特征在于具体步骤为：步骤一：构建电容耦合电阻层析成像传感器模型，实验系统为12电极的电容耦合电阻层析成像测量系统，并采用单电极电压激励和单电极电流检测，对于每个单次测量，首先选择一对电极分别作为激励电极和测量电极，向激励电极施加交流电压源，检测电极接地，其余电极保持在悬浮电位，对于一个完整的测量周期，首先激励第1个电极，第2
‑
12个电极用作检测电极分别形成电极对，并测量交流电流，接下来，激励第2个电极，第3
‑
12个电极用作检测电极以形成电极对，并测量电流信号，测量循环持续进行，直到第11个电极被激励并且第12个电极被用作检测电极，获得总共132组边界测量数据，在检测电极上测量的电流以及随后任意一对电极之间的电阻通过下式计算：其中，I
ij
表示电极对i,j之间的电流，J表示电极的电流密度，Γ表示电极的空间位置，R
ij
表示电极对i,j之间的电阻，V0表示电压信号；步骤二：根据步骤一获得的边界测量数据，计算出雅可比矩阵S，雅可比矩阵包含M行、N列，M表示对所有电极对依次激励时获得的边界测量数据数量之和，N表示测量场域划分的像素数，雅可比矩阵计算公式为：其中S
mn
是位于雅可比矩阵m行n列的元素，与是电导率变化后的电流测量值和电阻测量值，与是测量场域内部为均匀介质时的电流测量值和电阻测量值，Δσ表示电导率的变化量(Δσ＝σ1‑
σ0)；步骤三：在计算雅可比矩阵之后，进行图像重建过程，为简单起见，等效电流的变化P、S和电导率的变化g之间的近似线性关系表示为：P＝Sg，目标函数为：式中，是最小二乘项，||D
u
g||1是正则化项，D
u
表示u...

【专利技术属性】
技术研发人员：施艳艳，廖娟娟，王萌，李亚婷，杨坷，刘镇琨，
申请(专利权)人：河南师范大学，
类型：发明
国别省市：