本發(fā)明屬于檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種氣液兩相流含氣率測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

超聲層析成像技術(shù)是以Radon變換作為理論基礎(chǔ)的一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，其定義為“利用聲源對(duì)待測(cè)物體進(jìn)行掃描，再利用相應(yīng)的探測(cè)器獲得與物體物理參數(shù)相關(guān)的特征值，然后利用反演算法，將特征值作為投影數(shù)據(jù)，進(jìn)行圖像反演，重建物體的形狀、尺寸、坐標(biāo)位置、數(shù)目和溫度等參數(shù)”。

超聲層析成像技術(shù)可分為兩步：1)通過(guò)聲源對(duì)待測(cè)區(qū)域進(jìn)行掃描，使用相應(yīng)位置的超聲探測(cè)器獲取接收信號(hào)，并在接收信號(hào)中獲取有效的特征值；即Radon變換的正變換的過(guò)程；2)將提取的特征值作為投影數(shù)據(jù)，進(jìn)行反演成像，即Radon逆變換。

根據(jù)平行束的掃描機(jī)制，以線陣形式，利用時(shí)延控制線陣上的每個(gè)陣元發(fā)射超聲波掃描待測(cè)區(qū)域，在相應(yīng)一端也以線陣形式的探測(cè)器接收傳播過(guò)來(lái)的超聲波。這種掃描方式表面上較為簡(jiǎn)單，其實(shí)存在很多的不足之處，首先以時(shí)延控制線陣上每個(gè)陣元的發(fā)射聲波，其實(shí)驗(yàn)必須大于聲波在掃描區(qū)域的傳播時(shí)間，且當(dāng)掃描區(qū)域更換時(shí)，需調(diào)節(jié)時(shí)延；其次，在某一方向掃描完畢后，需利用電機(jī)同步轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)線陣至另一方向進(jìn)行掃描，操作上較為繁瑣。綜上所述，以平行束掃描機(jī)制所涉及的線陣獲取投影值，其效率較低，操作復(fù)雜；時(shí)延的設(shè)置不確定，魯棒性差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種氣液兩相流含氣率測(cè)量方法

為解決以上問(wèn)題，本發(fā)明采用了以下技術(shù)手段：

步驟1)選擇超聲波作為激勵(lì)信號(hào)，使用超聲環(huán)形陣獲取走時(shí)投影數(shù)據(jù)，使用時(shí)延去控制環(huán)形陣中每個(gè)陣元的發(fā)射時(shí)間順序，分別獲取掃描區(qū)域?yàn)闊o(wú)氣泡水域和向含氣泡水域的走時(shí)投影值t_exp-water和t_exp-sample。

步驟2)利用MATLAB仿真出掃描區(qū)域?yàn)闊o(wú)氣泡水域時(shí)的仿真走時(shí)投影值t_simulated。

步驟3)利用校準(zhǔn)公式計(jì)算走時(shí)校準(zhǔn)值t_revised。

步驟4)將步驟3)所計(jì)算得到的走時(shí)校準(zhǔn)值t_revised對(duì)t_exp-sample進(jìn)行校準(zhǔn)得到經(jīng)校準(zhǔn)的走時(shí)投影值t_{exp-sample-revised}。

步驟5)將步驟4)中經(jīng)校準(zhǔn)修正的t_{exp-sample-revised}進(jìn)行反演成像，得到目標(biāo)的幾何結(jié)構(gòu)、坐標(biāo)位置、數(shù)目和尺寸。

步驟6)結(jié)合幾何結(jié)構(gòu)、數(shù)目和尺寸，對(duì)含氣率進(jìn)行計(jì)算。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明通過(guò)扇形束掃描方式，去除了偽影，提高了重建精度和分辨率，從而提高含氣率的計(jì)算精度。在相同數(shù)量投影值的進(jìn)行圖像重建的結(jié)果，扇形束掃描方式明顯優(yōu)于平行束掃描方式，而且扇形束較平行束掃描方式效率高，操作較為簡(jiǎn)便和快捷。

附圖說(shuō)明

圖1為超聲環(huán)形陣示意圖。

圖2為本發(fā)明方法流程圖。

圖3為扇形束掃描坐標(biāo)位置處于(-80，0)處的氣泡重建結(jié)果圖。

圖4為平行束掃描坐標(biāo)位置處于(-80，0)處的氣泡重建結(jié)果圖。

圖5為扇形束掃描坐標(biāo)位置處于(20，40)、(-20，-40)、(0，80)、(-80，0)和(0，0)處的五個(gè)氣泡重建結(jié)果圖。

圖6為平行束掃描坐標(biāo)位置處于(20，40)、(-20，-40)、(0，80)、(-80，0)和(0，0)處的五個(gè)氣泡重建結(jié)果圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。

針對(duì)平行束掃描方式所存在缺陷，采用扇形束掃描方式，設(shè)計(jì)了一陣超聲環(huán)形陣，以獲取扇形束投影值，彌補(bǔ)上述方案設(shè)計(jì)的不足，以期獲得推廣應(yīng)用。

本發(fā)明提供了一種超聲環(huán)形陣，以實(shí)現(xiàn)扇形束掃描，如圖1所示，其直徑210mm，在環(huán)形等弧長(zhǎng)分布16個(gè)換能器，可作為發(fā)射端和接收端。

以氣泡作為研究對(duì)象，使用超聲環(huán)形陣，以合適頻率的超聲波作為激勵(lì)信號(hào)，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行扇形束掃描。具體操作步驟如下：選擇16個(gè)陣元中的任意一個(gè)作為掃描源，發(fā)射超聲波，經(jīng)過(guò)掃描區(qū)域，由相應(yīng)的陣元接收信號(hào)，依順序重復(fù)執(zhí)行此操作，直至16個(gè)陣元發(fā)射完畢截止。最后，在相應(yīng)掃描方向的接收信號(hào)中提取走時(shí)作為投影數(shù)據(jù)。將投影數(shù)據(jù)記作T_i,j，其中i表示發(fā)射端序號(hào)，j表示接收端序號(hào)，共獲取i×j投影值。將所獲得的投影數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行反演成像，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行圖像重建。

利用MATLAB對(duì)超聲環(huán)形陣獲取走時(shí)投影值進(jìn)行仿真，表1所示為部分仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表1某一方向扇形束投影值

從表1可以看到，仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差很大，這主要是在實(shí)驗(yàn)中由于水下環(huán)境復(fù)雜和環(huán)形陣本身存在系統(tǒng)性誤差，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性較差，但是對(duì)比兩組走時(shí)數(shù)據(jù)，不難看到其變化趨勢(shì)呈拋物狀，因此，因此只要對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)，即可獲得相對(duì)準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)走時(shí)投影數(shù)據(jù)，以供反演成像。其校準(zhǔn)公式為：t_revised＝t_simulated-t_exp-water，其中t_revised為走時(shí)校準(zhǔn)值，t_simulated為仿真走時(shí)，t_exp-water為在無(wú)氣泡水域中利用超聲環(huán)形陣所獲得的走時(shí)投影值。則校準(zhǔn)過(guò)的實(shí)驗(yàn)走時(shí)投影值為t_{exp-sample-revised}＝t_revised+t_exp-sample，其中t_{exp-sample-revised}為經(jīng)校準(zhǔn)后的含氣泡水域所獲取的走時(shí)投影值，t_exp-revised為校準(zhǔn)后的實(shí)驗(yàn)走時(shí)，t_exp-sample為校準(zhǔn)前的含氣泡水域所獲取的走時(shí)投影值。

綜上所述，該發(fā)明的實(shí)施步驟如下：1)選擇合適頻率的超聲波作為激勵(lì)信號(hào)，使用超聲環(huán)形陣獲取走時(shí)投影數(shù)據(jù)，使用時(shí)延去控制環(huán)形陣中每個(gè)陣元的發(fā)射時(shí)間順序，分別獲取掃描區(qū)域?yàn)闊o(wú)氣泡水域和含氣泡水域的走時(shí)投影值t_exp-water和t_exp-sample；2)利用MATLAB仿真出掃描區(qū)域?yàn)闊o(wú)氣泡水域時(shí)的仿真走時(shí)投影值t_simulated；3)利用上述的校準(zhǔn)公式計(jì)算走時(shí)校準(zhǔn)值t_revised；4)將3)所計(jì)算得到的走時(shí)校準(zhǔn)值t_revised對(duì)t_exp-sample進(jìn)行校準(zhǔn)得到經(jīng)校準(zhǔn)的走時(shí)投影值t_{exp-sample-revised}；5)將4)中經(jīng)校準(zhǔn)修正的t_{exp-sample-revised}進(jìn)行反演成像，得到目標(biāo)的幾何結(jié)構(gòu)、尺寸、坐標(biāo)位置和數(shù)目，流程圖如圖2所示。

如圖3、4、5和6所示，分別為扇形束和平行束走時(shí)投影利用上述校準(zhǔn)公式經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后的投影值通過(guò)插值后，經(jīng)過(guò)反演成像，重建氣泡形狀，計(jì)算出尺寸、數(shù)目和坐標(biāo)位置。圖3和圖4分別為在扇形束和平行束掃描方式的重建結(jié)果，氣泡位于坐標(biāo)(-80，0)，半徑為20mm；通過(guò)對(duì)兩種掃描方式成像結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，很明顯地，扇形束掃描得到的成像結(jié)果在成像精度和分辨率上高于平行束掃描方式。通過(guò)對(duì)圖5和圖6進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算，得到氣泡的坐標(biāo)位置分別為(20，40)、(-20，-40)、(0，80)、(-80，0)和(0，0)，半徑分別為5mm、10mm、15mm、20mm和25mm，結(jié)合氣泡幾何形狀、數(shù)目、尺寸和實(shí)驗(yàn)時(shí)環(huán)形陣的尺寸參數(shù)等即可對(duì)含氣率進(jìn)行計(jì)算。然而，通過(guò)對(duì)成像結(jié)果進(jìn)行分析，采用平行束掃描存方式的成像結(jié)果存在大量的偽影，使得重建精度和重建分辨率降低，而通過(guò)扇形束掃描方式，大大地克服了這一現(xiàn)象，大大地提高了重建精度和分辨率，從而提高氣液兩相流中含氣率的精度至兩個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，在相同數(shù)量投影值進(jìn)行圖像重建的結(jié)果，扇形束掃描方式明顯優(yōu)于平行束掃描方式，而且扇形束較平行束掃描方式效率高，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中操作較為簡(jiǎn)便和快捷。