本發(fā)明屬于信息科學
技術(shù)領(lǐng)域：
，應(yīng)用于管道輸送系統(tǒng)中對內(nèi)部流體流速進行測量，特別涉及一種用于管道內(nèi)軸向流場成像的迭代超聲層析成像方法。
背景技術(shù)：
：在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中，為實現(xiàn)物質(zhì)的輸送和能量的轉(zhuǎn)換，常構(gòu)建一些明渠和管道等對自然界的流動現(xiàn)象主動加以應(yīng)用。對管道內(nèi)軸向流場進行定量表征具有多方面的重要意義，如實現(xiàn)高精度的流量計量，研究流體力學理論，解決與流體力學相關(guān)的工程問題等。早期的流場測量方法通過對空間中的不同位置點進行流速測量發(fā)展而來，也稱為基點法，典型的有畢托管測速儀和熱絲風速儀。兩者同屬于插入式流場測量方法，在測量時均會對流場產(chǎn)生干擾。利用多普勒效應(yīng)的超聲多普勒測速儀和激光多普勒測速儀是兩種典型的非插入式基點法流場測量儀器。多普勒測速儀通過利用流體中自然存在的雜質(zhì)或人為添加粉塵、氧化鐵等散射微粒，利用超聲或激光等測量微粒的多普勒頻移來確定微粒速度，間接得到流場中某些點的流速【劉友,楊曉梅,馬修真.基于激光多普勒測速的流場測試技術(shù).激光與光外,2012,42(1):18-21.】。與基點法不同，全場式流場測量方法能夠在一次測量中直接獲得二維或三維流速分布剖面，包括傳統(tǒng)的陰影法、紋影法、干涉法、莫爾偏折法等和目前應(yīng)用較廣泛的以粒子圖像測速儀為代表的基于示蹤粒子的移動進行流場測量的方法【王浩,曾理江.二維及三維流場的光學測量方法.光學技術(shù),2001,27(2):139-142.】【DabiriD.Digitalparticleimagethermometry/velocimetry:areview.ExpFluids,2008,46:191-241.】。全場式流場測量方法還包括電容層析成像【FuchsA,BrandstatterB,WatzenigD,etal.Flowprofileestimatorforclosedpipesbasedonelectricalcapacitancetomographytechniques.Proc.21stIEEEInstrum.Meas.Technol.Conf.,IEEEPress,2004,2326–2631.】、X射線層析成像【ChoiYJ,MccarthyKL,MccarthyMJ.Tomographictechniquesformeasuringfluidflowproperties.JFoodSci2002,67(7):2718–2724.】、核磁共振層析成像【HeindelTJ,GrayJN,JensenTC.AnX-raysystemforvisualizingfluidflows.FlowMeasInstrum,2008,19(2):267–278.】和超聲波層析成像【廖光洪,朱小華,林巨等.海洋聲層析應(yīng)用與觀測研究綜述.地球物理學進展2008,23:1782-1790.】等。超聲波層析成像方法利用流體流動對超聲波的調(diào)制作用來測量沿聲道方向的流體平均流速并基于層析成像原理由聲道平均流速重建流場分布?；诔暡▽游龀上竦牧鲌鰷y量方法可以彌補光學測量技術(shù)在非透光條件下的使用限制，無需像粒子圖像測速儀等方法一樣添加示蹤粒子，并且具有成本低、通用性強和測速精度較高等優(yōu)點，具有重要的研究意義和應(yīng)用價值。目前，將計算機層析成像與時差式超聲波法相結(jié)合來進行流場測量的方法在海洋洋流觀測、大氣風場監(jiān)測和管道內(nèi)流場測量等很多場合得到了研究和應(yīng)用。將超聲層析成像方法用于管道軸向流場測量時，超聲波的傳播路徑與在其他應(yīng)用場合下相比更短，這對飛行時間測量精度提出了更高的要求。正因為如此，基于時差式超聲波法的管道軸向流場層析成像技術(shù)起步較晚。然而，伴隨著近年來電子電路技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，該方面的研究受到國內(nèi)外學者越來越多的關(guān)注。1991年，Teerawatanachai等人設(shè)計了一種可旋轉(zhuǎn)的超聲波探測管段【TeerawatanachaiS,KomiyaK,SasamotoH.Estimatingthevelocityprofileofairflowbymeansoftheultrasonictranslationtimecomputedtomographymethod.Proc.1991Int.Conf.Ind.Electron.ControlInstrum.,IEEEPress,1991:2379–2384.】。管段上安裝有1個發(fā)射器和7個接收器，共構(gòu)成7條扇束形聲道。由于探測管段可旋轉(zhuǎn)到的角度位置有8個，所以總共可獲得56個聲道上的投影數(shù)據(jù)。這項研究首次實現(xiàn)了對管道軸向流場的超聲層析重建。Sejong等人將可旋轉(zhuǎn)探測管段工藝與超聲波流量計中常用的平行式聲道布置方式相結(jié)合，實現(xiàn)對流場的平行束式掃描【ChunS,YoonB-R,LeeK-B.Diagnosticflowmeteringusingultrasoundtomography.JMechSciTechnol2011,25(6):1475-1482.】。與扇形束掃描相比，這種布置方案下超聲波收發(fā)換能器一一對應(yīng)，能夠保證超聲波信號具有較高的信噪比，但相應(yīng)的掃描效率有所降低。Rychagov等人設(shè)計了一種與之類似的平行束式流場掃描方式，區(qū)別在于是將可旋轉(zhuǎn)管段與超聲波流量計中的折射式聲道布置方式相結(jié)合【RychagovMN,RuchkinSV,TereshchenkoSA,etal.Imagingoffluidflowbytomographicreconstructionusingenhancedmultipathultrasonicmeasurements.ProcIEEEUltrason.Symp,IEEEPress,2003:803–806.】。在這種方式下，位于同一側(cè)的發(fā)射接收探頭構(gòu)成V字形聲道，能夠有效地補償橫流對測量的影響。Kurniadi等人設(shè)計了一種無需管道進行旋轉(zhuǎn)的超聲波傳感器布置方案【KurniadiD,TrisnobudiA.Amulti-pathultrasonictransittimeflowmeterusingatomographymethodforgasflowvelocityprofilemeasurement.PartPartSystCharact,2006,23(3):330–338.】。該方案分別將探測管段上下游的兩個橫截面作為發(fā)射平面和接收平面，其上各布置有8個發(fā)射或接收換能器，共構(gòu)成64條聲道。由于超聲波在各聲道方向上單向傳播，因而在計算流速時需要以零流狀態(tài)下的超聲波傳播速度作為標定數(shù)據(jù)，所以測量結(jié)果受流體溫度的影響較大。另外，該布置方案的測量精度受管道橫流的影響較大并且管道軸心處的成像分辨率較低。技術(shù)實現(xiàn)要素：為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種用于管道內(nèi)軸向流場成像的迭代超聲層析成像方法，在不干擾原始流態(tài)的前提下，無盲區(qū)地監(jiān)控管道內(nèi)軸向流場分布，實現(xiàn)高精度的二維流場重建。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種用于管道內(nèi)軸向流場成像的迭代超聲層析成像方法，通過在管道上下游兩個截面安裝具有大發(fā)射角的超聲波傳感器構(gòu)建密集聲道網(wǎng)絡(luò)；激發(fā)并接收超聲波信號，通過計算超聲波沿各聲道順逆流傳播的時間獲得管道軸向流場沿各聲道的平均流速，進而獲得若干原始投影數(shù)據(jù)；對投影數(shù)據(jù)按平行聲道分組，內(nèi)插并細分，擴充投影數(shù)據(jù)數(shù)量；離散化待建的管道軸向流速場圖像，在先驗約束條件下，基于投影數(shù)據(jù)進行迭代層析成像，實現(xiàn)管道軸向流場重建；本發(fā)明可以在不干擾原始流態(tài)的情況下實現(xiàn)對管道內(nèi)部軸向流場分布的探測，進而實現(xiàn)對管道軸向流場的高精度重建。具體包括以下步驟：步驟一：在管道的上下游兩個橫截面上分別安裝N個具有大發(fā)射角和接收角的超聲波傳感器，每一個傳感器均能夠與另一截面上所有傳感器之間互相收發(fā)，共形成N(N-1)條可利用聲傳播路徑，即聲道(注：在管道橫截面上投影相同的兩傳感器之間構(gòu)成的聲道對軸向流場成像而言無意義)。步驟二：分別測量超聲波沿各聲道順流和逆流傳播的時間，由下式計算管道流體沿各聲道的軸向平均流速：V‾path=L2cosφ(tB→A-tA→BtA→BtB→A)]]>其中，tB→A和tA→B分別為超聲波順流和逆流傳播的時間，φ為聲道與管道軸線方向的夾角，L為聲道長度；步驟三：將上一步獲得的投影相同聲道的軸向平均流速數(shù)據(jù)取平均，然后分別與各聲道在管道橫截面上的投影長度相乘，得到原始流場沿各聲道的個投影數(shù)據(jù)，將投影數(shù)據(jù)按照是否位于同一平行聲道組進行分類，共N組；投影相同聲道指的是空間中的若干條不同的但在管道橫截面上具有重合的投影的聲道。步驟四：對投影數(shù)據(jù)進行預(yù)處理操作，設(shè)定管壁處的投影值為0，為更好地反映投影數(shù)據(jù)的連續(xù)性，選用三次樣條曲線進行原始數(shù)據(jù)擬合，內(nèi)插函數(shù)為：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)為區(qū)間[a,b]上的原始數(shù)據(jù)點，a＝t0<t1<…<tn＝b，ui-1＝ti-ti-1，Mi-1＝B″(ti-1)，Mi＝B″(ti)。t0是內(nèi)插采用的第一個原始數(shù)據(jù)點橫坐標，tn是內(nèi)插采用的最后一個即第n個原始數(shù)據(jù)點橫坐標，內(nèi)插共采用了n個原始數(shù)據(jù)點，B″(ti)是內(nèi)插函數(shù)在第i個投影數(shù)據(jù)點處的二階導數(shù)。步驟五：對投影數(shù)據(jù)的內(nèi)插曲線進行等間隔離散獲得N組細分的投影數(shù)據(jù)；步驟六：將包含了重建目標即管道軸向流場的某個正方形圖像離散化為J＝n×n個像素，圖像向量X＝(x1,x2,...,xJ)T和投影向量P＝(p1,p2,...,pI)T之間存在下面的關(guān)系：AX＝P式中，A＝(ai,j)I,J是長度矩陣或稱為系統(tǒng)矩陣，ai,j為直線Li被第j個像素區(qū)域截取的長度，代表第j個像素對第i條射線投影的貢獻，j＝1,2,3,…,J,i＝1,2,...,I,J為所有像素的個數(shù)，I為所有投影數(shù)據(jù)的個數(shù)，圖像向量X中xj為待建流場在第j個像素點區(qū)域內(nèi)流速的平均值，投影向量P中pi為直線Li上的投影數(shù)據(jù)，圖像向量X在管壁外側(cè)處的值始終限制為0；步驟七：執(zhí)行迭代，將線性方程組中的每個方程看作一個超平面，對于給定的初始值X(0)，將其投影到第一個方程所代表的超平面得到X(1)，然后將X(1)投影到第二個方程所代表的超平面得到X(2)，依次類推得到第I個超平面上的投影X(I)，這樣完成了一次迭代。然后，以X(I)為初始值進行第二次迭代，最終得到投影X2(I)。迭代過程可表示為：Xk(i)=Xk(i-1)+λ(i)pi-Xk(i-1)·AiAi·AiAi=Xk(i-1)+λ(i)Q(P-AXi(i-1)),i=1,2,...,I]]>式中，Xk(i)代表經(jīng)過第k輪迭代的第i次投影后得到的圖像向量，Ai為系統(tǒng)矩陣A的第i個行向量，λ(i)∈(0,1)為松弛因子，Q是定義的算子；步驟八：按上式進行若干輪迭代，直到迭代終止的條件滿足，即某輪迭代后的圖像向量與前一輪迭代后的圖像向量Xs-1(i)之間滿足以下關(guān)系：Xs(i)-Xs-1(i)<ε式中，ε為給定的某一個極小量，由此，可獲得管道內(nèi)軸向流場成像圖。所述步驟一中，超聲波傳感器布置在管道的上下游兩個橫截面上，每個橫截面上安裝N個，且沿軸向一一對應(yīng)。所述步驟一中，超聲波傳感器的發(fā)射角和接收角至少滿足：上游任一超聲波傳感器發(fā)射信號能夠被下游任一超聲波傳感器接收；下游任一超聲波傳感器發(fā)射信號能夠被上游任一超聲波傳感器接收。所述步驟四中，存在n-1個約束條件，即：g′i(ti)＝g′i+1(ti)(i＝1,2,...,n-1)且人為限定邊界點處的二階導數(shù)為零，即：M0＝B″(t0)＝0，Mn＝B″(tn)＝0。所述步驟七中，為了在保證圖像重建質(zhì)量的同時加快迭代速度，最初迭代時步長λ(i)應(yīng)滿足下式：λ(i)<2<QAEk(i),Ek(i)><QAEk(i),QAEk(i)>=2<AEk(i),P-AXk(i)><AEk(i),AEk(i)>.]]>在此基礎(chǔ)上，最初迭代時步長λ(i)再盡量滿足下式：λ^(i)=<Q(P-AXk(i)),P-AXk(i),><Q(P-AXk(i)),Q(P-AXk(i))>=<Ek(i),P-AXk(i),><Ek(i),Ek(i)>]]>且后期迭代λ(i)需要選擇較小的常量以保證較好的重建質(zhì)量。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明旨在利用超聲波法非接觸無損測量的優(yōu)點，通過合適的傳感器設(shè)計和聲道布置方式，形成對管道內(nèi)軸向流場的網(wǎng)格化密集探測。通過選用大收發(fā)角的超聲波傳感器，使得其區(qū)別于傳統(tǒng)方法中一對傳感器構(gòu)成一條聲道的特點，聲道數(shù)目大大擴展；通過投影數(shù)據(jù)的平行重排和內(nèi)插擴充，克服了實際獲取數(shù)據(jù)在數(shù)量上的局限性；采用添加了先驗知識的迭代層析成像算法實現(xiàn)了管道軸向流場的成像。本發(fā)明為實現(xiàn)在復雜流態(tài)下對管道內(nèi)部軸向流場分布的監(jiān)控提供了條件。附圖說明圖1是超聲波傳感器布置方案總體示意圖，其中圖1(a)是傳感器布置方式和收發(fā)形式，圖1(b)是聲道在管道橫截面上的投影圖。圖2是平行聲道組示意圖，其中圖2(a)是包含N/2個聲道的弦聲道組，圖2(b)是包含個聲道的直徑聲道組。圖3是待建圖像離散模型示意圖。圖4是消除漩渦影響的設(shè)計原理，其中圖4(a)是軸向流速矢量分解和橫向漩渦矢量分解圖，圖4(b)是橫向漩渦示意圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖和實施例詳細說明本發(fā)明的實施方式。一種用于管道軸向流場成像的迭代超聲層析成像方法，包括以下步驟：步驟一：參照圖1，以管徑500mm的管道為例，在上下游間距為500mm的兩個橫截面上加工傳感器安裝孔。考慮到尺寸限制，出于折中考慮，每個橫截面上分別安裝12個收發(fā)一體式超聲波傳感器。該布置方法下探頭的個數(shù)可以增刪，具體數(shù)目結(jié)合實際應(yīng)用場合下的管道直徑、傳感器尺寸和成像分辨率的要求進行改動。步驟二：加工制作具有大聲束角的超聲波傳感器，用于發(fā)射和接收超聲波信號。傳感器的空間指向和聲束角均滿足一定的條件，使得其可以向另一橫截面上的所有傳感器收發(fā)超聲波信號，如圖1(a)所示。在本實施例情況下，傳感器的空間指向與管道軸線的夾角可設(shè)計為22.45°，半指向角設(shè)計為大于24.47°。步驟三：將傳感器置于管道上的安裝孔中，管道空間中可構(gòu)成144條聲道，其中132條可用聲道。由圖1(b)所示，此132條聲道在管道橫截面上的投影線共66條，即每條投影線實際代表空間的兩條聲道。這樣的設(shè)計可以消除流場內(nèi)部漩渦對測量的影響。如圖4所示，探頭A、B之間的聲道和探頭C、D之間的聲道是空間中的兩條不同聲道，但在管道橫截面上具有重合的投影。假定位于管道橫截面上的流場橫向漩渦如圖4(b)所示，則由上游探頭A向下游探頭B發(fā)射的超聲波速度會因此橫流而減慢，導致流速被低估，由上游探頭D向下游探頭C發(fā)射的超聲波速度則因此橫流而加快，導致流速被高估。漩渦的影響可通過將兩聲道的流速測量值取平均來抵消。步驟四：通過一定的時序控制方式完成所有超聲波傳感器之間信號的收發(fā)，利用信號處理方法處理采集的超聲波波形，獲取超聲波沿各聲道順流和逆流傳播的時間，由下式計算管道流體沿各聲道的軸向平均流速：V‾path=L2cosφ(tB→A-tA→BtA→BtB→A)---(1)]]>其中，tB→A和tA→B分別為超聲波順流和逆流傳播的時間，φ為聲道與管道軸線方向的夾角，L為聲道長度；步驟五：將上一步獲得的投影相同聲道的軸向平均流速數(shù)據(jù)取平均，以消除橫向漩渦對速度的影響。將此平均值與聲道在管道橫截面上的投影長度相乘，可得到原始流場在圖1(b)所示投影線上的66個投影數(shù)據(jù)。將投影數(shù)據(jù)按照是否位于同一平行聲道組進行分類，共12組，有圖2所示的兩種形式，分別是圖2(a)所示的包含N/2個聲道的弦聲道組以及圖2(b)所包含個聲道的直徑聲道組。步驟六：對投影數(shù)據(jù)進行預(yù)處理操作，設(shè)定管壁處的投影值為0。為更好地反映投影數(shù)據(jù)的連續(xù)性，選用三次樣條曲線對每組投影數(shù)據(jù)擬合，內(nèi)插函數(shù)為：p=B(t)=gi(t)=Mi-16ui-1(ti-t)2+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)---(2)]]>式中，(ti,pi)為區(qū)間[a,b]上的原始數(shù)據(jù)點，a＝t0<t1<…<tn＝b。另外，ui-1＝ti-ti-1，Mi-1＝B″(ti-1)，Mi＝B″(ti)。由于原始數(shù)據(jù)點處的左右導數(shù)相同，所以存在n-1個約束條件，即：g′i(ti)＝g′i+1(ti)(i＝1,2,...,n-1)(3)另外，人為限定邊界點處的二階導數(shù)為零，即：M0＝B″(t0)＝0(4)Mn＝B″(tn)＝0(5)根據(jù)原始投影數(shù)據(jù)的分布和數(shù)值特點，可將投影數(shù)據(jù)改寫為投影角度θk(即聲道傾角)和聲道旋轉(zhuǎn)角βt的函數(shù)p(θk,βt)。圖2示出了投影角度θk、聲道旋轉(zhuǎn)角βt和聲道位置rt。由于βt為等間隔的，因此相比于以rt為橫坐標，以βt為橫坐標進行樣條擬合能夠改善兩側(cè)聲道處的插值效果。步驟七：對投影數(shù)據(jù)進行橫坐標轉(zhuǎn)換(依據(jù)兩者之間的關(guān)系rt＝Rcosβt)，得到離散化后的等間隔聲道(rt的變化為等距的)投影數(shù)據(jù)。以每組投影數(shù)據(jù)擴充為101個為例，總共可獲得1212個投影數(shù)據(jù)。步驟八：將包含了重建目標即管道軸向流場的某個正方形圖像離散化為J＝n×n(例：200×200)個像素，如圖3所示。圖像向量X＝(x1,x2,...,xJ)T和投影向量P＝(p1,p2,...,pI)T之間存在下面的關(guān)系：AX＝P(6)式中，A＝(ai,j)I,J是長度矩陣或稱為系統(tǒng)矩陣，ai,j為直線Li被第j個像素區(qū)域截取的長度，代表第j個像素對第i條射線投影的貢獻，j＝1,2,3,…,J,i＝1,2,...,I,J為所有像素的個數(shù)，I為所有投影數(shù)據(jù)的個數(shù)。另外，圖像向量X中xj為待建流場在第j個像素點區(qū)域內(nèi)流速的平均值，投影向量P中pi為直線Li上的投影數(shù)據(jù)。步驟九：在迭代之前和迭代過程中，添加先驗約束條件：始終設(shè)定圖像向量X在管壁外側(cè)處的值為0；將真實聲道投影數(shù)據(jù)設(shè)置為嚴格約束條件；添加平滑算法滿足流場連續(xù)分布的特點等。步驟十：執(zhí)行迭代。迭代過程可以表示為：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---(7)]]>式中，Xk(i)代表經(jīng)過第k輪迭代的第i次投影后得到的圖像向量，Ai為系統(tǒng)矩陣的第i個行向量，λ(i)∈(0,1)為松弛因子,Q是定義的算子。為了在保證圖像重建質(zhì)量的同時加快迭代速度，最初迭代時步長λ(i)應(yīng)在滿足式(8)條件的基礎(chǔ)上盡量滿足式(9)。后期迭代λ(i)需要選擇較小的常量以保證較好的重建質(zhì)量。λ(i)<2<QAEk(i),Ek(i)><QAEk(i),QAEk(i)>=2<AEk(i),P-AXk(i)><AEk(i),AEk(i)>---(8)]]>λ^(i)=<Q(P-AXk(i)),P-AXk(i),><Q(P-AXk(i)),Q(P-AXk(i))>=<Ek(i),P-AXk(i),><Ek(i),Ek(i)>---(9)]]>按式(7)進行若干輪迭代，直到迭代終止的條件滿足，即某輪迭代后的圖像向量與前一輪迭代后的圖像向量Xs-1(i)之間滿足以下關(guān)系：Xs(i)-Xs-1(i)<ε(10)式中，ε為給定的某一個極小量。由此，可獲得管道內(nèi)軸向流場成像圖。當前第1頁1 2 3