[发明专利]用于管道内轴向流场成像的迭代超声层析成像方法

摘要

一种用于管道内轴向流场成像的迭代超声层析成像方法，通过在管道上下游两个截面安装具有大发射角的超声波传感器构建密集声道网络；激发并接收超声波信号，通过计算超声波沿各声道顺逆流传播的时间获得管道轴向流场沿各声道的平均流速，进而获得若干原始投影数据；对投影数据按平行声道分组，内插并细分，扩充投影数据数量；离散化待建的管道轴向流速场图像，在先验约束条件下，基于投影数据进行迭代层析成像，实现管道轴向流场重建；本发明可以在不干扰原始流态的情况下实现对管道内部轴向流场分布的探测，进而实现对管道轴向流场的高精度重建。

主权项

一种用于管道内轴向流场成像的迭代超声层析成像方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：在管道的上下游两个横截面上分别安装N个具有大发射角和接收角的超声波传感器，每一个传感器均能够与另一截面上所有传感器之间互相收发，共形成N(N‑1)条可利用声道；步骤二：分别测量超声波沿各声道顺流和逆流传播的时间，由下式计算管道流体沿各声道的轴向平均流速：${\stackrel{\&OverBar;}{V}}_{path}=\frac{L}{2\cos \mathrm{\&phi;}}\left(\frac{t_{B\&RightArrow;A}-t_{A\&RightArrow;B}}{t_{A\&RightArrow;B}{t}_{B\&RightArrow;A}}\right)$其中，t_B→A和t_A→B分别为超声波顺流和逆流传播的时间，φ为声道与管道轴线方向的夹角，L为声道长度；步骤三：将上一步获得的投影相同声道的轴向平均流速数据取平均，然后分别与各声道在管道横截面上的投影长度相乘，得到原始流场沿各声道的个投影数据，将投影数据按照是否位于同一平行声道组进行分类，共N组；步骤四：对投影数据进行预处理操作，设定管壁处的投影值为0，为更好地反映投影数据的连续性，选用三次样条曲线进行原始数据拟合，内插函数为：$\begin{array}{c}p=B\left(t\right)=g_i\left(t\right)=\frac{M_{i-1}}{6u_{i-1}}{(t_i-t)}^3+\frac{M_i}{6u_{i-1}}{(t-t_{i-1})}^3+(\frac{p_{i-1}}{u_{i-1}}-\frac{M_{i-1}}{6}{u}_{i-1})(t_i-t)\\ +\left(\frac{p_i}{u_{i-1}}-\frac{M_i}{6}{u}_{i-1}\right)\left(t-t_i\right),t_{i-1}\&lt;t\&lt;t_i,\left(i=1,2,...,n\right)\end{array}$式中，(t_i,p_i)为区间[a,b]上的原始数据点，a＝t₀<t₁<…<t_n＝b，u_i‑1＝t_i‑t_i‑1，M_i‑1＝B”(t_i‑1)，M_i＝B”(t_i)，t₀是内插采用的第一个原始数据点横坐标，t_n是内插采用的最后一个即第n个原始数据点横坐标，内插共采用了n个原始数据点，B″(t_i)是内插函数在第i个投影数据点处的二阶导数；步骤五：对投影数据的内插曲线进行等间隔离散获得N组细分的投影数据；步骤六：将包含了重建目标即管道轴向流场的某个正方形图像离散化为J＝n×n个像素，图像向量X＝(x₁,x₂,...,x_J)^T和投影向量P＝(p₁,p₂,...,p_I)^T之间存在下面的关系：AX＝P式中，A＝(a_i,j)_I,J是长度矩阵或称为系统矩阵，a_i,j为直线L_i被第j个像素区域截取的长度，代表第j个像素对第i条射线投影的贡献，j＝1,2,3,…,J,i＝1,2,...,I,J为所有像素的个数，I为所有投影数据的个数，图像向量X中x_j为待建流场在第j个像素点区域内流速的平均值，投影向量P中p_i为直线L_i上的投影数据，图像向量X在管壁外侧处的值始终限制为0；步骤七：执行迭代，迭代过程表示为：$\begin{array}{c}{X_k}^{\left(i\right)}={X_k}^{\left(i-1\right)}+{\mathrm{\&lambda;}}^{\left(i\right)}\frac{p_i-{X_k}^{\left(i-1\right)}\&CenterDot;A_i}{A_i\&CenterDot;A_i}{A}_i\\ ={X_k}^{\left(i-1\right)}+{\mathrm{\&lambda;}}^{\left(i\right)}Q\left(P-{{\mathrm{AX}}_k}^{\left(i-1\right)}\right),i=1,2,...,I\end{array}$式中，X_k⁽ⁱ⁾代表经过第k轮迭代的第i次投影后得到的图像向量，A_i为系统矩阵A的第i个行向量，λ⁽ⁱ⁾∈(0,1)为松弛因子，Q是定义的算子；步骤八：按上式进行若干轮迭代，直到迭代终止的条件满足，即某轮迭代后的图像向量与前一轮迭代后的图像向量X_s‑1⁽ⁱ⁾之间满足以下关系：X_s⁽ⁱ⁾‑X_s‑1⁽ⁱ⁾<ε式中，ε为给定的某一个极小量，由此，可获得管道内轴向流场成像图。