CN1017187B - 用可见光断层扫描技术测定烟尘浓度场的方法和装置 - Google Patents

Abstract

用可见光断层扫描技术测定烟尘浓度场的方法和装置是用于气固二相流三维浓度场分析的，如旋风除尘器空间浓度分布研究等。本发明中，其射线源采用了可见光源，如点光源，其投影数据是以从点光源到各接收器之间各点上光衰减系数对射线的线积分为依据的。同时设计了相应的装置，然后用公知的计算机辅助图象重建技术把投影转化为图象。与目前通用的浓度场测定法相比，具有可较精确地测定烟尘场的空间浓度分布、易于实现测量过程自动化等优点。

Description

可见光断层扫描技术（简称可见光CT技术，下同）测定烟尘浓度场的方法适用于气固二相流的三维浓度场分析，可用于如旋风除尘器等内部的气固分离的机理研究上。

在苏联学者A·∏·克里门科等著、梁振荣译的《粉尘浓度的连续监测》（新时代出版社1984年出版）一书中提出了二种粉尘（或烟尘）浓度连续监测的方法：预沉降测量和非予沉降测量法。前者普遍采用的是称量法，其原理是将尘粒从含尘气流中分出，再用称量法确定粉尘的质量。其优点是可以测量粉尘的质量浓度，其缺点是操作工序繁杂，采样时间长。当需要测定断面上的浓度分布时，不仅要根据等速采样的原则确定采样流量而且还要在管道的测定断面上多点取样，数据处理量极大。非预沉降法是一种无接触测量法，以光学测试法最便于应用，其原理主要是应用了运动中含尘气流对光的吸收和散射现象，使光线直接穿过含尘气流进行测量，不必再在气流内部设置取样装置，因此其气流可不受外界气流干扰的影响，具有可连续测量、灵敏度高、实际上无惯性，测量过程可全部实现自动化等优点，但是，到目前为止，它只能测定粉尘的平均浓度，也无法对烟尘场截面上的相对浓度分布作出精确的测定。

为了精确测定烟尘场的空间相对浓度分布，本发明提出了一种用可见光CT技术测定烟尘场浓度空间分布的方法及装置。

所谓可见光CT技术是在光学测试法的基础上引入计算机辅助图象重建技术而发展起来的。

通常，烟尘场是一种含有大小不等尘粒的气固二相流系统，也是一种分散系统。如旋风除尘器要处理的工业含尘气流就是如此。其分散介质是工业生产中排放的气体，尘粒则形成分散相。这就产生了光的不均匀性，当光通过分散系统时就会由于散射和吸收作用而发生衰减。当入射光波长一定时，散射和吸收将随尘粒的几何形状、大小、表面状态和粒径的分布而异。因而，截面上各点的烟尘浓度就可以通过测定该点上对入射光的光衰减系数来反映，二维浓度分布就可用该截面上光衰减系数分布的图象灰度来表示，

图象重建是一种由数据到图象的处理技术，它的理论是奥地利数学家雷顿（Radon）在1917年提出的。他证明了：任何二维或三维物体能够通过其无限多个投影来确定。但是限于技术条件，当时无法得到实用。到了六十年代初，随着计算机科学和技术的发展，图象重建理论终于实用化了。英国EMI公司的工程师豪斯菲尔德（Housfield）在1972年提出了使用电子计算机的X射线断层扫描技术（Computerized    Tomography），简称X射线CT技术，相应地研制成了诊断颅脑用的计算机化的X射线CT装置。其中，投影数据的形成是以人体各部组织对X射线衰减（包括吸收、散射或反射）作用的不同为依据的。其原理（见周新伦等著的《数字图象处理》，国防工业出版社出版）如下：若令f（x，y）表示图象函数，穿过f（x，y）的一条线称为射线。f（x，y）沿某一根射线的积分称为射线积分，而射线积分的集合则组成投影。在x-y坐标系中，若从坐标原点向射线作一条垂线，以此垂线作为新坐标系（l，s）的一个轴l，则可以看出（l，s）坐标系仅仅是（x，y）坐标系旋转θ 角的结果，图1就是图象在角度为θ方向的投影P_θ（l）。二个坐标系统存在以下关系：

l＝xCosθ+y·Sinθ……（1）

s＝-xsinθ+ycosθ……（2）

从而，射线积分则可表示为：

P_θ（l）＝∫_射线f（x·y）ds……（3）

或P_θ（l）＝∫_射线f〔（l·cosθ-s·sinθ），（l·sinθ+s·

cosθ）〕（4）

射线方程为：

xcosθ+ysinθ＝L……（5）

沿着一组平行射线取f（x·y）的射线积分而组成的投影称平行投影，见图2。如果是沿着点源辐射出来的一辐射线取f（x·y）的射线积分而组成的投影称扇束投影，见图3。只要把坐标系（l，s）转换成极坐标系，就可把平行投影转换为扇束投影。即把P_θ（l）换成P（l，β）。

在X射线CT装置中，射线源是X光源，接收器是粒子探测器，其投影数据是根据人体各部组织对X射线衰减作用的不同而形成的。若衰减系数记作μ，Nin代表测量时间间隔内X光的入射光子数，N_d代表同一时间间隔内接收器收集到的光子数，则根据X射线的衰减规律，

有N_d＝N_inEXP〔-∫_射线μ（x·y）ds〕……（6）

其中μ（x·y）是点（x·y）的线性衰减系数，

因而l_n( (Nin)/(N_d) )=∫_射线μ（x·y)ds…（7）

当N_in已知时，只需测定N_d，即可求得线积分。因而，μ（x·y） 在空间的分布就可作为人体各部组织的图象灰度函数f（x·y）。

本发明则是一种采用可见光作光源的CT技术。为了实际测量的需要，它设计了一个测量圆筒，图4是它的示意图。其中，1是接收器，2是测量圆域，3是测量筒体，4是光源S₀首先将光源固定在筒体某截面边壁上，然后以光源为圆心，在同一截面上，使N+1个接收器按等角间隔排列，每个等分角为α。在实际测量时，调整测量筒，使光源-接收器截面与被测截面重合。然后如图5的测量方式所示，使测量筒从初始位置开始作逆时针方向转动，每旋转β_j角度，由N+1个接收器采集一组数据。旋转一周，共有M组数据，则每个接收器读进的数据正比于光源和该接收器之间各点上光衰减系数的射线积分。现再详述如下：

见测量截面示意图6。设筒体测量面厚度为单位长度，将截面划分为若干个具有相等的单位面积的正方形块。这种方块称为横截面的体积元素t。当光线在任何特定的光源-接收器对的位置之间沿直线l通过t传播时，若t内的分散介质中，在粒径为d_p～d_p+d（d_p）之间的尘粒粒子数为dN，在单位光程长度dl内的总的粒子横截面积为（πd_p2/4）·dN·dl，于是在这个光程长度dl内，光I的衰减为：

$\mathrm{-dI=I\; ［}{\∫}_O^L$ (πdP2)/4 ·K_消光（g,m)·f(d_p)·d(d_p)]dl…（8）

式中：f（d_p）·d（d_p）为d_p～d_p+d（d_p）之间尘粒粒子数，

f（d_p）是以尘径为分布变量的粒径分布函数;

K_消光是粒子每单位横截面积所散射和吸收的入射光数，称为消光效率，K_消光可写为： K_消光＝K_散射+K_吸收……（9）

g为颗粒周长与光的波长之比，即＝πd_p/入，

为一个无量纲的可见光粒子尺度参数，

m为颗粒的复折射指数。

令： ${\∫}_O^L$ (πd_P ²)/4 ·K消光（g,m)·f(d_P)·d(d_P)=μ^t……（10）

则μ^t即t内尘粒对入射光束的散射和吸收分数，称为光衰减系数或消光系数;t无限小时，对某一点（x，y）而言，则该点的光衰减系数为μ（x，y），即（10）式中的μ^t可用μ（x，y）代替。按照散射和吸收的分别作用

则μ^t＝μ^t _散射+μ^t _吸收……（11）

把（10）代入（8）

得： (dI)/(I) ＝-μ^tdl……（12）

若沿射线从光源（l＝0）到接收器（l＝L）对（12）求积：

可得I_l＝I₀·EXP（-τ）……（13）

其中I_l：透射光强度;

I₀：入射光强度;

τ：光学厚度，无量纲量。对某点而言，τ＝∫^L _O ^{μ（x，y）·dl} _o。由式（13）得:

${\∫}_{\mathrm{O\; \mu \; (\; x\; ,\; y\; )}}^L\mathrm{·dl=\; ln\; (}\frac{I_o}{I_l}\mathrm{)\; \dots \dots \dots \; (\; 14\; )}$

当光照到总数为N+1个接收器群时，由于线积分的路径改变，便可得N+1个线积分的测量值;当点光源按逆时针方向转动M次时，就可得到M组线积分的测量值，即投影数据，可得下式：

$({\∫}_o^{\mathrm{Li}}{\mathrm{\mu (x,y)·dl)}}_j\mathrm{=(l\; n}\frac{I_{o}i}{I_{\mathrm{Li}}}{)}_j\mathrm{\dots \dots \dots \dots \; (\; 15\; )}$

i为接收器的编号，i＝1，2，……N，N+1，

j为投影数据组的编号，j＝1.2，……M，

L_i为点光源到第i个接收器的射线。

在已知I₀，测定I_L求出投影数据后，再采用计算机化后的图象重建技术，就可以获得筒体横截面上任意一点的光衰减系数，若以光衰减系数在截面上的分布作为该截面的图象灰度函数，则它就可以用来反映该面上的二维相对浓度分布，逐步测定各个截面即可获得烟尘场的空间相对浓度分布。

在根据已经得到的投影数据用计算机重建图象时，还必需解决以下二个问题：

1、任何二维或三维物体只有通过其无限多个投影才能确定其图象，但在可见光CT中投影数据测量值的组数却是有限的，即使测量过程很精确并且尽可能地把每个等分角β_j设计得很小，也仍然不能唯一并精确地重建其原有的图象。

2、我们以上的讨论是在点光源、点接收器和没有多次散射的前提下得到的，但实际上光源和接收器都有一定的几何尺寸，而且采用多个接收器同时接收时必然存在着由于多次散射而引起的误差，这也影响了重建图象时的精确性。

因此，必须用滤波-逆投影法来补充常用的傅里叶变换法去重建图象并把相应的算法编成程序交付计算机去实现之，其大致思路如下：

1、把图象f（x，y）的一组扇束投影数据从时域转换到频域，这样就 得到了图象的一组滤波投影;

2、用一个理想低通滤波器的频谱窗函数去与实际频谱相乘，以便把信号频谱中的高频分量滤掉;

3、对所获得的信号频谱进行离散采样和截断，以便把采样点限制在一个有限值上;同时为了重现图象起见，还要用一个内插函数去与所获得的信号频谱相乘以解决非采样点的取值问题，这样就形成了图象的一组离散“滤波投影”;

4、求取每个离散“滤波投影”的逆投影以重建图象。

由于图象重建已是公知的技术，这里不再详述。

由以上叙述可见，本发明的方法特征如下：

1、其射线源为可见光源，如点光源;

2、在烟尘浓度场的被测截面上，它的投影数据是从点光源到各接收仪器之间各点上光衰减系数对射线的线积分，当点光源沿着该横截面的周边以相等的间隔（或角度）逆时针方向移动时便形成若干个投影数据组，其中横截面上任意一点（x，y）处的光衰减系数μ（x，y）可定义为该点上烟尘尘粒对可见入射光的散射和吸收的光衰减系数，它可表达为：

μ（x,y)= ${\∫}_o^L$ (πd_P ²)/4 ·K_消光（g,m)·f(d_p)·d(d_p)

其全部投影数据组可表达为：

( ${\∫}_O^{L}i$ μ(x,y)dl)_j=ln( (Ioi)/(I_LI) )_j

3、图象重建方法：当点光源的位置确定以后，根据点光源的入射光强度和各接收仪器收到的透射光强度，就可确定烟尘浓度场任意一个截面 上的一组投影数据，再通过点光源在该横截面的周边上作匀间隔移动而获得若干组投影数据后，便可采用公知的计算机辅助图象重建技术得到横截面上各点的光衰减系数，若以它作为该截面上图象的灰度函数，则就可以此来反映其二维相对浓度分布。在逐个截面测定后即可测出其三维相对浓度分布。

4、测量步骤：第一步实现圆柱体在测量域中形状及位置的重建，以用于程序调试和分析测量到的投影数据组数对重建结果的影响;第二步再实现被测对象某一横截面上的二维烟尘浓度场的重建;第三步实现空间浓度场的重建。

本发明又是一种用可见光断层扫描技术测定烟尘浓度的装置，其特征在于，它由测量圆筒主体、检测部份和微电脑多参数测量仪组成，筒体中部一个水平截面的边壁上开有一个孔，内装有光源部份，以该截面的圆心和光源孔中心连线的延长线为中线，在其二侧的边壁上均匀对称地开有一组孔，内装有光电接收器;检测部份由光电接收器和放大电路组成，它的输出则输往微电脑多参数测量仪的测量通道中去。

实施例：旋风除尘器内二维浓度场的测定方法及装置

1、烟尘浓度场测量装置：

旋风除尘器烟尘浓度场测量装置见图7和图8。如图9所示，先在筒体中部某一截面A的边壁上打一个孔，把内装有一个150瓦卤钨灯泡4的套筒5嵌入孔内，在灯泡上方引入一根送风软管6，在套筒底部再开一个出气孔7，在灯泡的左侧有一块反光瓦8，以截面A的圆心和光源的连线作为中心线，在筒体上打一个中心孔，然而在中心孔两侧边壁上依次打 32个φ3mm的小孔，小孔的轴线会聚于光源。相邻两孔的轴间距为5mm，也即两孔间的夹角为1°。在每个孔内放置一个φ2mm的光电二极管2CU5C，它的特点是指向特性好，指向角狭小，可以大大地减少杂散光的干扰以提高接收的准确度，另外其频率响应也很灵敏。然后再逐一调整光电二极管使其正对光源并加以固定。检测部份是一般的光信号放大电路，见图10，其中A是放大器，U_SC是其输出电压，R₁～R₃是电阻，C₁是电容。U_SC直接送往MPV-4型微电脑多参数测量仪的32路测量通道。

2、旋风除尘器

其纵断面见图11。其中，9是用钠玻璃做的筒体Ⅰ，10是用有机玻璃做的筒体Ⅱ，11是被测截面，12是锥体，13是集尘斗。图12是其横断面，可知它是一种切流反转式旋风除尘器。图13是它的喂灰装置，14是电磁振动器，是用于控制进口颗粒浓度的，其不均匀误差△≤±5%，喂灰器的振动频率由变压器控制，颗粒工质采用干燥的煤粉，由吹风机15送入入口风管16。另外，17是喂灰槽，18是用于调节煤粉流量的调节板。

3、测量圆域的标定

将半径为R的测量圆域沿半径等分50份，沿圆周等分360份，于是在50个环上共有50×360个节点。

4、圆柱体在测量域中形状及位置的重建，以用于调试程序和分析测量到的投影数据组数对结果的影响。见图14：圆柱体半径R＝25mm，在测量圆域的360°范围内每隔9°测量一组接收器数据，共40组，每组投影64根线，（在计算机计算时只用了59根线的数据，下同）。圆柱体在图中是偏心放置的。首先测定测量圆域内没有放置圆柱体时的校准值数据， 在以后的实测过程中就把它作为对应于各个接收器的入射光强度数值，然后测量放置圆柱体时的透射光实测数据，将它们送入计算机中分别建立数据文件，接重建算法计算后即得图14的图象。其中虚线代表实际边界，实线代表重建边界。然后用求积仪对重建图象与实际图象的重合度进行计算，其重合率为89%。当投影组数为60，每组投影也为64线时，其重合率为92%。这就证明了可见光CT技术可以准确地测定物体在测量域中的形状和位置。

4、旋风除尘器内二维浓度场的重建

浓度场测量装置在360°范围内每隔3°测量一组接收器数据，共120组数据，每组投影64根线。在测量时把测量装置套在除尘器外，并采用托架支撑使测量装置中由点光源与接收器组成的截面与除尘器被测截面重合，调正各光电二极管使其与光源对准。此时分别测量校准值数据和实测值数据，然后再每隔3°移动点光源重复再测第二组数据，一共可得到120组投影数据，再按上述同样的步骤送往计算机运算，即可得到图15所示的等相对浓度线。由图可知，在横截面上，有一个明显的最高浓度区，浓度由此向周围逐渐降低。再结合实验照片及观察，我们可以判断出断面上的高浓度区正是盘旋下降的灰带在该断面上的位置，这与特林登观察到的现象相吻合。

Claims (5)

1、一种用可见光断层扫描技术测定烟尘浓度场的方法，其特征如下：

(1)、其射线源为可见光源，如点光源；

(2)、在烟尘浓度场的一个被测截面上，某个图象的投影数据是从点光源到各接收器之间各点上光衰减系数对射线的线积分，当点光源沿着该横截面的周边以相等的间隔(或角度)逆时针方向移动时便形成若干个投影数据组，其中横截面上任意一点(x，y)处的光衰减系数μ(x，y)可定义为该点上烟尘尘粒对可见入射光的散射和吸收的衰减系数，它可表达为：

μ(x,y) ${\∫}_O^L$ (πd_P ²)/4 =_消光(g，m)·f(d_p)·d(d_p)

其全部投影数据组可表达为：

d_p：烟尘粒子的直径；

K_消光：粒子每单位横截面积所散射和吸收的可见入射光数，定义为消光效率，

即：K_消光=K_散射+K_吸收

K_散射：粒子每单位截面积所散射的入射光数；

K_吸收：粒子每单位截面积所吸收的入射光数；

I₀：入射光强度；

I_L：透射光强度；

g：无量纲的光学粒子尺度参数，定义为颗粒周长与光的波长之比，即g= (πd_P)/(λ) ，

m：颗粒的折射复指数；

i：接收器的编号；

j：投影数据组的编号；

L_i：点光源到第i个接收器的射线，

(3)、图象重建的方法：当点光源的位置确定以后，根据点光源的入射光强度I₀和各接收器收到的透射光强度I_L，就可确定烟尘浓度场任意一个截面上的一组投影数据，并再通过点光源在该截面的周边上作匀间隔运动而获得若干组投影数据后，便可采用公知的计算机辅助图象重建技术得到横截面上各点的光衰减系数，就可以此来反映其二维相对浓度分布。在逐个截面测定后即可测出其三维相对浓度分布。

(4)、测量步骤：第一步实现测量圆筒在测量域中形状及位置的重建，以用于程序调试和分析测量到的投影数据组数对重建结果的影响；第二步再实现被测对象某一截面上的二维烟尘浓度场的重建；第三步实现空间浓度场的重建。

2、一种用可见光断层扫描技术测定烟尘浓度的装置，其特征在于，它由套在除尘器外、由托架支撑且可绕本身中轴线沿相等的间隔均匀旋转的测量圆筒、用光电接收器和放大电路构成的检测部分和接收上述检测部分输出信号的微电脑多参数测量仪组成，沿着筒体中部一个与除尘器被测截面重合的水平截面的方向，在测量圆筒的边壁上开了一个装有光源的孔，并以该水平截面的圆心和光源孔中心线的延长线为中线，在筒体上打一个中心孔，在其两侧的边壁上接照所测烟尘浓度分布测量精度（即被测节点数等于测量圆筒的半径等分环数×该圆筒的圆周等分份数）的要求沿圆周等弧度且对称地开有一组其轴线必须都会聚于光源的小孔，在小孔内都装了一个指向特性好的光电接收器。

3、根据权利要求2所述的用可见光断层扫描技术测定烟尘浓度的装置，其特征在于，在中心孔两侧边壁上按照把烟尘浓度场分成50×360个节点的要求，依次打32个φ3mm的小孔，相邻两孔的轴间距为5mm，即两孔间的夹角为1°。

4、根据权利要求2所述的用可见光断层扫描技术测定烟尘浓度的装置，其特征在于，其所用的光电接收器是φ2mm的光电二极管2CU-5C。

5、根据权利要求2所述的用可见光断层扫描技术测定烟尘浓度场的装置，其特征在于，所说的测量圆筒的半径为25mm。

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