[发明专利]光学层析成像传感器发射-接收结构最优配比方法

说明书

本发明涉及光学层析成像传感器发射‑接收结构最优配比方法。本发明通过设计模拟测量模型，通过Comsol Multiphysics进行几何建模；将输出的灵敏场、仿真投影信号和图像重建算法导入到Matlab中，进行图像重建；采用线性反投影算法和一种新型Landweber算法进行图像重建；对重建图像准确度的影响对多组重建图像数据进行误差分析同时建模传感器成本函数进行最优化研究并做出相应图像；确定光学层析成像最优的发射‑接收结构。本发明服了不同参数环境下，环形光学阵列传感器具体结构直接难以确定的难题。亦可应用于其他实际测量领域，对于具体测量结构的优化提供了新思路。

技术领域

本发明属于光学层析成像技术领域，涉及一种光学层析成像传感器发射-接收结构最优配比方法。

背景技术

多相流流动体系广泛存在于工农业，化工工业，能源工业以及环境工程等诸多领域。在工业生产活动中，多相流流动的不确定性会对整体生产过程产生重要影响，直接关系到生产产品的质量以及安全问题，因此，对于多相流流动过程的检测和控制是极其必要的。近些年来，随着国家科技技术的发展和经济建设的需要，人们对于多相流参数的检测越来越重视。但是，由于在多相流检测过程中，多相流非均匀混合、不稳定流动、各相之间存在相互作用等复杂多变的流动特性给检测带来了极大的难度。在现有的检测技术当中，层析成像技术能够实施获取截面信息，重构截面流动图像，在多相流参数检测中受到广泛重视。其中，相较于超声波层析成像，核磁共振层析成像，电学层析成像等技术而言，光学层析成像技术的测量灵敏场为硬场，对流场的干扰作用小，敏感度稳定不易受影响，数据采集迅捷简便，时空分辨率高，尤其是在固、液浓度较低的分布情况下具有其独特优势，更加容易实现对多相流实时、远距离的连续测量。因此，国内外研究学者对光学PT技术颇为关注。

近些年来，国内外学者对光学层析成像技术的传感器结构提出了多种改良结构并取得了不错的结果。2003年，浙江大学阎春生设计了带有八个OFS单位的光纤过程层析成像(OFPT)结构，解决了分辨率较低，体积较大等问题；2007年，德国E Schleicher研制发明了带有256个(扇束)激光发射器和32个接收器的环形扇束空间阵列传感器，用于单相流以及气液两相流的测量；2013年，马来西亚技术大学Mohd Fadzil等人研制开发了16个(平行光束)激光二极管和16个光电二极管的气泡柱激光光学层析成像传感器，用于气液两相流的检测。

然而，大部分研究者为获取丰富的光学信号和精准的参数模型，均采用了大量的发射器和接收器，却并没有对发射-接受传感器结构进行系统的优化研究。研究表明，增加发射器和接收器对图像重建质量提升的边际效益，均随数量的提高而降低，且接收器的边际效益要高于发射器。在考虑成本的情况下，如何在一定的成本条件约束下，找到环形光学阵列发送-接收传感器的最优配比结构仍缺乏系统的研究和理论分析。

发明内容

本发明的目的就是提供一种光学层析成像传感器发射-接收结构最优配比方法，针对不同的场景不同成本模型，构建配比最优的传感器结构。

本发明具体包括如下步骤：

步骤一、设计模拟测量模型；环形光学阵列传感器内径为d_i，外径为d_o；发送器和接受器分别采用激光二极管和光电二极管，发送器和接受器均匀等距间隔分布在光学阵列传感器上，且激光类型为扇形激光；

步骤二、初步设置激光二极管和光电二极管数目为M×N；

步骤三、构建物理模型，具体如下：

步骤(1)、首先通过Comsol Multiphysics进行几何建模，管道上存在M个激光二极管和N个光电二极管；

步骤(2)、计算层析成像灵敏场，灵敏场采用正方形网格剖分，边长设置为b，目标区域像素个数为p_n个；采用Comsol射线光学模块，依次设置区域像素点并激活单个激光器，获得光电二极管测量信号，完整的灵敏场矩阵维度为M×N×p_n；