一种气液两相流含气率测量方法与流程

本发明属于检测技术领域，具体涉及一种气液两相流含气率测量方法。

背景技术：

超声层析成像技术是以Radon变换作为理论基础的一种无损检测技术，其定义为“利用声源对待测物体进行扫描，再利用相应的探测器获得与物体物理参数相关的特征值，然后利用反演算法，将特征值作为投影数据，进行图像反演，重建物体的形状、尺寸、坐标位置、数目和温度等参数”。

超声层析成像技术可分为两步：1)通过声源对待测区域进行扫描，使用相应位置的超声探测器获取接收信号，并在接收信号中获取有效的特征值；即Radon变换的正变换的过程；2)将提取的特征值作为投影数据，进行反演成像，即Radon逆变换。

根据平行束的扫描机制，以线阵形式，利用时延控制线阵上的每个阵元发射超声波扫描待测区域，在相应一端也以线阵形式的探测器接收传播过来的超声波。这种扫描方式表面上较为简单，其实存在很多的不足之处，首先以时延控制线阵上每个阵元的发射声波，其实验必须大于声波在扫描区域的传播时间，且当扫描区域更换时，需调节时延；其次，在某一方向扫描完毕后，需利用电机同步转动两个线阵至另一方向进行扫描，操作上较为繁琐。综上所述，以平行束扫描机制所涉及的线阵获取投影值，其效率较低，操作复杂；时延的设置不确定，鲁棒性差。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提供了一种气液两相流含气率测量方法

为解决以上问题，本发明采用了以下技术手段：

步骤1)选择超声波作为激励信号，使用超声环形阵获取走时投影数据，使用时延去控制环形阵中每个阵元的发射时间顺序，分别获取扫描区域为无气泡水域和向含气泡水域的走时投影值t_exp-water和t_exp-sample。

步骤2)利用MATLAB仿真出扫描区域为无气泡水域时的仿真走时投影值t_simulated。

步骤3)利用校准公式计算走时校准值t_revised。

步骤4)将步骤3)所计算得到的走时校准值t_revised对t_exp-sample进行校准得到经校准的走时投影值t_{exp-sample-revised}。

步骤5)将步骤4)中经校准修正的t_{exp-sample-revised}进行反演成像，得到目标的几何结构、坐标位置、数目和尺寸。

步骤6)结合几何结构、数目和尺寸，对含气率进行计算。

本发明的有益效果在于：本发明通过扇形束扫描方式，去除了伪影，提高了重建精度和分辨率，从而提高含气率的计算精度。在相同数量投影值的进行图像重建的结果，扇形束扫描方式明显优于平行束扫描方式，而且扇形束较平行束扫描方式效率高，操作较为简便和快捷。

附图说明

图1为超声环形阵示意图。

图2为本发明方法流程图。

图3为扇形束扫描坐标位置处于(-80，0)处的气泡重建结果图。

图4为平行束扫描坐标位置处于(-80，0)处的气泡重建结果图。

图5为扇形束扫描坐标位置处于(20，40)、(-20，-40)、(0，80)、(-80，0)和(0，0)处的五个气泡重建结果图。

图6为平行束扫描坐标位置处于(20，40)、(-20，-40)、(0，80)、(-80，0)和(0，0)处的五个气泡重建结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

针对平行束扫描方式所存在缺陷，采用扇形束扫描方式，设计了一阵超声环形阵，以获取扇形束投影值，弥补上述方案设计的不足，以期获得推广应用。

本发明提供了一种超声环形阵，以实现扇形束扫描，如图1所示，其直径210mm，在环形等弧长分布16个换能器，可作为发射端和接收端。

以气泡作为研究对象，使用超声环形阵，以合适频率的超声波作为激励信号，对目标进行扇形束扫描。具体操作步骤如下：选择16个阵元中的任意一个作为扫描源，发射超声波，经过扫描区域，由相应的阵元接收信号，依顺序重复执行此操作，直至16个阵元发射完毕截止。最后，在相应扫描方向的接收信号中提取走时作为投影数据。将投影数据记作T_i,j，其中i表示发射端序号，j表示接收端序号，共获取i×j投影值。将所获得的投影数据进行输入数据进行反演成像，对目标进行图像重建。

利用MATLAB对超声环形阵获取走时投影值进行仿真，表1所示为部分仿真结果和实验结果。

表1某一方向扇形束投影值

从表1可以看到，仿真结果和实验结果相差很大，这主要是在实验中由于水下环境复杂和环形阵本身存在系统性误差，导致实验结果准确性较差，但是对比两组走时数据，不难看到其变化趋势呈抛物状，因此，因此只要对实验结果进行校准，即可获得相对准确的实验走时投影数据，以供反演成像。其校准公式为：t_revised＝t_simulated-t_exp-water，其中t_revised为走时校准值，t_simulated为仿真走时，t_exp-water为在无气泡水域中利用超声环形阵所获得的走时投影值。则校准过的实验走时投影值为t_{exp-sample-revised}＝t_revised+t_exp-sample，其中t_{exp-sample-revised}为经校准后的含气泡水域所获取的走时投影值，t_exp-revised为校准后的实验走时，t_exp-sample为校准前的含气泡水域所获取的走时投影值。

综上所述，该发明的实施步骤如下：1)选择合适频率的超声波作为激励信号，使用超声环形阵获取走时投影数据，使用时延去控制环形阵中每个阵元的发射时间顺序，分别获取扫描区域为无气泡水域和含气泡水域的走时投影值t_exp-water和t_exp-sample；2)利用MATLAB仿真出扫描区域为无气泡水域时的仿真走时投影值t_simulated；3)利用上述的校准公式计算走时校准值t_revised；4)将3)所计算得到的走时校准值t_revised对t_exp-sample进行校准得到经校准的走时投影值t_{exp-sample-revised}；5)将4)中经校准修正的t_{exp-sample-revised}进行反演成像，得到目标的几何结构、尺寸、坐标位置和数目，流程图如图2所示。

如图3、4、5和6所示，分别为扇形束和平行束走时投影利用上述校准公式经过校准后的投影值通过插值后，经过反演成像，重建气泡形状，计算出尺寸、数目和坐标位置。图3和图4分别为在扇形束和平行束扫描方式的重建结果，气泡位于坐标(-80，0)，半径为20mm；通过对两种扫描方式成像结果进行对比，很明显地，扇形束扫描得到的成像结果在成像精度和分辨率上高于平行束扫描方式。通过对图5和图6进行相应计算，得到气泡的坐标位置分别为(20，40)、(-20，-40)、(0，80)、(-80，0)和(0，0)，半径分别为5mm、10mm、15mm、20mm和25mm，结合气泡几何形状、数目、尺寸和实验时环形阵的尺寸参数等即可对含气率进行计算。然而，通过对成像结果进行分析，采用平行束扫描存方式的成像结果存在大量的伪影，使得重建精度和重建分辨率降低，而通过扇形束扫描方式，大大地克服了这一现象，大大地提高了重建精度和分辨率，从而提高气液两相流中含气率的精度至两个数量级。因此，在相同数量投影值进行图像重建的结果，扇形束扫描方式明显优于平行束扫描方式，而且扇形束较平行束扫描方式效率高，实验过程中操作较为简便和快捷。