CN103336145B - 一种针对管道内流体轴向流场的超声成像方法及设备 - Google Patents

Abstract

一种针对管道内流体轴向流场的超声成像方法及设备，方法为：在管道上下游两个截面各布置多个超声收发换能器，利用换能器交织成的声道网络对轴向流场进行探测；逐次激励各换能器，电子扫描采集各声道顺逆流传播的超声信号；计算线平均流速，得到轴向流场在各声道上的投影积分；对声道平行分组，对各声道组的投影数据进行等间距细分；用层析成像算法，由细分投影数据重建轴向流场，并进行输出显示；其设备包括依次连接的流场探测管段、超声信号激励和采集模块、声道线流速测量模块、轴向流场重构模块和输出和显示模块；本发明在不干扰原始流态的前提下，对管道截面上的轴向流场进行快速精确的无盲区探测，进而实现对轴向流场的高精度二维重建。

Description

一种针对管道内流体轴向流场的超声成像方法及设备

技术领域

本发明涉及利用超声波进行流速测量技术领域，具体涉及一种针对管道内流体轴向流场的超声成像方法及设备。

背景技术

经典力学中，流体流动可由纳维斯托克斯方程进行描述。但是作为非线性的偏微分方程组，纳维斯托克斯方程精确解的计算非常困难。特别在湍流、脉动流等复杂流态下，求解复杂度会进一步提高。因此，诸如汽车、飞机风洞试验，输送管道流态及流量监测等工程问题的解决以及流体力学理论研究的推进都依赖于高精度实验结果的获取。流体速度场作为描述流动特征的基本物理量，它的精确测量具有尤为重要的意义。

针对管道内流场的测量，目前已有的方法包括皮托管测速仪、热丝风速仪、激光多普勒测速仪、粒子图像测速仪和基于超声波的流场测量技术等。其中，皮托管测速仪和热丝风速仪属于插入式测量方法，会对流场产生干扰。而激光多普勒测速仪和粒子图像测试仪虽然避免了插入式测量，但需要待测流体中存在指示流体运动的示踪粒子，并且仅适用于透光性良好的流体。此外，皮托管测速仪、热丝风速仪和传统的激光多普勒测速仪均属于单点测量，欲获得整个流场的流速信息需布置众多测量点。

基于超声波的流场测量技术是根据流速对超声信号频率或传播时间的调制作用实现的，属于非插入式测量的方法，而且没有对流体透光性的苛刻要求。根据声信号的传播方式，超声流场测量技术可以分为散射式超声流场测量技术和直射式超声流场测量技术两类。散射式超声流场测量技术通过测量声波由微粒散射产生的多普勒频移或多次测量过程中微粒反射回波的时间偏移，获取流体中特定微粒的运动速度。通过获取声道不同位置的微粒运动速度，便可得到管道内的一维流速分布。散射式超声流场测量技术要求待测管段中包含液滴、气泡、粉尘等随流体运动的散射微粒，并且流速的测量结果对颗粒运动方向较为敏感，需进行校正。

直射式超声流场测量技术首先利用时差式传播速度差法获取多个声道的线平均流速，再通过参数模型法或层析成像法得到管道截面上的二维轴向流场分布。相比于散射式超声流场测量技术，直射式超声流场测量技术可实现流场的二维测量，并且可同时适用于纯净流体和非纯净流体，减少了对散射微粒的要求。

文献[1]中，E.Mandard等人提出了一种理论参数模型，可以描述包含一个或两个极点的非对称轴向流场，并利用12个探头搭建了包含18个声道流场探测网络，利用各声道的流速信息确定理论模型中的参数，从而获取管道截面的流速分布。参数模型法测量轴向流场时，仅需少量声道的流速信息，对硬件要求低，但只能对特定类型的流场实现较好的表征。

文献[2]中，SuthamTeerawatanachal等首次利用层析成像法对管道内轴向流场进行了测量。首先利用时差式超声流速测量原理获取不同倾角和径向偏移的多组声道的线平均流速，得到轴向流场在多个方位的投影数据，再利用层析成像算法由投影数据重建真实流场。为探测流场，他们设计了一种可旋转探测管段，在管道上、下游分别安装1个发射换能器和7个接收换能器，每次测量可同时获得7个声道的流速信息，通过手动调整管段探测角度，完成对管道截面的全方位扫描。但机械旋转的存在会干扰原始流场，同时导致流场的探测周期很长，只适合测量缓变或稳定的流场。

文献[3]中，DeddyKurniadi等人提出了一种包含16个换能器的探头布置方案，在上下游相距管径D的两个截面上分别安装8个发射换能器和8个接收换能器，16个换能器在周向呈等角间距分布，通过控制发射时序快速测量各声道的平均流速。但他们的声道布置方案在管道中心附近存在探测盲区，致使重构的轴向流场在中心处存在明显缺陷。各声道仅能获得单向传播的超声信号，流速测量结果受声速温漂的影响。同时，他们通过选用低频超声探头的方式来满足探测方案对探头发散角的要求，降低了各声道超声信号传播时间的测量精度。

[1]EMandard,DKouame,RBattault,JPRemenieras,FPatat,Methodologyfordevelopingahigh-precisionultrasoundflowmeterandfluidvelocityprofilereconstruction,IEEETransactionsonUltrasonics,Ferroelectrics,andFrequencyControl,2008,55(1):161-172

[2]SuthamTeerawatanachai,KinichiKomiya,HiromichiSasamoto,NariakiOgata.Anultrasonictomographyforreconstructingthevelocityprofileofairflowfromnonuniformlyspacedprojectiondata[J].TransoftheSocietyofInstrumentandControlEngineers.1992,28(11):1274-1281.

［3］DKurniadi,ATrisnobudi,Amulti-pathultrasonictransittimeflowmeterusingatomographymethodforgasflowvelocityprofilemeasurement,

Part.Part.Syst.Charact,2006(23),330-338

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种针对管道内流体轴向流场的超声成像方法及设备，在不干扰原始流态的前提下，对管道截面上的轴向流场进行快速精确的无盲区探测，进而实现对轴向流场的高精度二维重建。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种针对管道内流体轴向流场的超声成像方法，首先在换能器安装管道6上下游两个截面A和B上各布置N个超声收发换能器7，其中N为奇数，然后利用超声收发换能器7交织成的声道网络对换能器安装管道6内流体轴向流场进行探测；通过逐次激励各超声收发换能器7，以电子扫描的方式采集各声道顺逆流传播的超声信号；随后计算线平均流速，并得到轴向流场在各声道上的投影积分；随后对声道进行平行分组，利用内插方法对各声道组的投影数据进行等间距细分；最后采用层析成像算法，由细分投影数据重建轴向流场，并进行输出显示。

所述在换能器安装管道6上下游两个截面各布置的N个超声收发换能器7在截面周向呈等角间距分布，每个截面上的超声收发换能器7的空间指向对准另一截面的中心位置。

所述超声收发换能器7为大发散角超声收发换能器，采用圆柱压电陶瓷和凸球面匹配层结合的结构，凸球面匹配层置于圆柱压电陶瓷顶部。

上述所述的针对管道内流体轴向流场的超声成像方法，具体步骤如下：

步骤1：制作针对超声流速成像的专用超声收发换能器：超声收发换能器7由壳体、背衬、管套、压电陶瓷和匹配层组成，将背衬、压电陶瓷和匹配层依次垒叠，并安装于管套内，再将管套置于壳体内，相互之间采用环氧树脂粘结；

步骤2：加工流场探测管道并安装超声收发换能器7：加工好流场探测管道后，在位于场探测管道上下游的两个横截面A和B上分别布置N个超声收发换能器7，使两个截面上的2N个超声收发换能器7在周向呈等角间距分布，上下游安装截面的每一个超声收发换能器7需对准另一截面的中心位置；

步骤3：超声信号激励和采集模块2采集数据：首先计算机经由通讯总线向FPGA控制平台发送开始采集命令，然后FPGA控制平台产生发射脉冲，传递给发射电路，经过功率放大、脉冲升压和阻抗匹配之后，驱动相应超声收发换能器7发射超声脉冲，处于接收状态的超声收发换能器7收到超声脉冲后，将其转化为电信号，并送入接收电路进行放大、滤波，计算机利用多通道数据采集卡对接收电路调理后的信号进行量化采集，FPGA控制平台通过继电器阵列切换超声收发换能器7工作状态，采集不同扫描情况下的数据；

步骤4：探测管道流场并采集超声信号：在超声信号激励和采集模块2的控制下采用顺次扫描的方法对管道流场进行探测，首先由上游截面A上的N个超声收发换能器7逐次向下游截面B上的N个超声收发换能器7发射超声脉冲并采集记录接收信号，然后由下游截面的N个超声收发换能器7向上游截面的N个超声收发换能器7发射超声脉冲并采集记录接收信号，从而得到全部N²个声道上超声信号顺逆流传播的波形数据；

步骤5：计算各声道平均流速：采用数字相关法处理采集到的波形数据，得到各声道超声信号的顺逆流的传播时间t_AB和t_BA，利用下式(1)计算流体在各声道的线平均流速

$\stackrel{\‾}{V}=L\×(t_{\mathrm{BA}}-t_{\mathrm{AB}})/(2\cos \mathrm{\θ}\×t_{\mathrm{BA}}\×t_{\mathrm{AB}})---\left(1\right)$

式中，L为声脉冲信号传播路径长度，.θ为声道与管道轴线的夹角；

步骤6：获取流体轴向流场平行束扫描的投影数据：将N²个声道上的线平均流速与其声传播路径在截面的投影长度相乘得到流场在各声道的原始投影数据，然后对原始投影数据平行重排，根据声道倾角将原始投影数据划分为N组，每组对应的N个声道互相平行，随后对各组声道原始投影数据进行等间距内插细分，得到细分投影数据p(θ,l)；对任一组原始投投影数据进行内插的过程如下：

（1）对原始投影数据(x_i,p_i)(i=1,2,...,N)进行预处理，利用抛物线权值函数加权得到加权后的投影数据(x_i,y_i),加权公式为式（2）：

$y_i=p_i\×(1+\mathrm{\Δ}-x_i^2)---\left(2\right)$

式中x_i为声道至管道中心的归一化距离，Δ为常数，用于调节抛物线加权的强度，Δ愈小加权后的投影数据(x_i,y_i)愈接近抛物线规律分布，其取值根据实际情况进行调节；

（2）对加权后的投影数据(x_i,y_i)进行样条内插，插值数据y的计算公式为为式（3）：

$y=S\left(x\right)=y_{i-1}(1-u)+y_i\left(u\right)-\frac{1}{6}{S}^{\′\′}\left(x_{i-1}\right)(2u-{3u}^2+u^3)h_i^2-\frac{1}{6}{S}^{\′\′}\left(x_i\right)(u-u^3)h_i^2---\left(3\right)$

式中，h_i=x_i-x_i-1，u=(x-x_i-1)/h_i，x_i-1<x<x_i，i=1,2,...,N，S''(x_i)为拟合曲线S(x)的二阶导数，其可由下面的方程组（4）进行求解

$\left\{\begin{array}{c}\frac{1}{6}{S}^{\&prime;\&prime;}\left(x_{i-1}\right)h_i-\frac{1}{3}{S}^{\&prime;\&prime;}\left(x_i\right)(h_i+h_{i+1})+\frac{1}{6}{S}^{\&prime;\&prime;}\left(x_{i+1}\right)h_{i+1}=\frac{y_{i+1}-y_i}{h_{i+1}}-\frac{y_i-y_{i-1}}{h_i}\\ S^{\&prime;\&prime;}\left(x_0\right)=S^{\&prime;\&prime;}\left(x_0\right)\\ S^{\&prime;\&prime;}\left(x_N\right)=S^{\&prime;\&prime;}\left(x_{N-1}\right)\end{array}\right.---\left(4\right)$

（3）由插值数据y反求细分的投影数据p，计算公式为式（5）：

p=y/(1+Δ-x²)（5）

步骤7：采用层析成像算法重建轴向流场：采用平行束扫描的反投影滤波算法作为重构方法，由其根据细分投影数据p(θ,l)重建轴向流场的过程如下：

（1）在平行束扫描模式下，求取细分投影数据p(θ,l)关于变量l的偏导数 $p_l(\mathrm{\&theta;},l)=\frac{\&PartialD;p(\mathrm{\&theta;},l)}{\&PartialD;l}$

（2）选定一组平行的直线簇，使其能够覆盖待重建的流场区域；直线簇的法向量为方向向量为据此将流场中任意一点表示为x=sΘ+tΘ^T，并进而求出直线簇与流场区域边界交点由参数(s,t)表达的结果，为便于计算可使直线簇平行于x轴或y轴；

（3）对投影数据的偏导数进行加权反投影，得到微分反投影函数：

式中，Φ=(cosθ,sinθ)

（4）针对直线簇中的每一条直线，以t为变量，在有限区间上对微分反投影函数进行希尔伯特逆变换，得到重构的轴向流场：

式中，t₁、t₂为选定的直线与流场边界的交点，C为流场沿这条直线的投影值；

步骤8：通过输出和显示模块5人机交互界面显示重建的轴向流场：在测量截面上对重建流场进行二维积分，计算出输送管道的体积流量，并通过显示器、HART、Profobus仪用数据总线等接口进行输出。

步骤2所述上下游的两个横截面A和B间的间距为流场探测管道的直径。

实现上述所述超声成像方法的设备，包括依次连接的流场探测管段1、超声信号激励和采集模块2、声道线流速测量模块3、轴向流场重构模块4和输出和显示模块5；

所述流场探测管段1包括换能器安装管道6和在换能器安装管道上下游两个截面各布置的N个超声收发换能器7，其中N为奇数；

所述超声信号激励和采集模块2包括由通讯总线、时序控制和脉冲激励组成的FPGA控制平台，所述FPGA控制平台和多个发射电路的输入端连接，多个发射电路的输出端和继电器切换阵列的输入端连接，继电器切换阵列的输出端和多个接收电路的输入端连接，多个接收电路的输出端和多通道A/D变换器的输入端连接，多通道A/D变换器的输出端和计算机的输入端连接，计算机的输出端和FPGA控制平台的通讯总线连接，FPGA控制平台的时序控制同时与多通道A/D变换器和继电器切换阵列连接，所述继电器切换阵列连接连接有2N个超声收发换能器7；

所述声道线流速测量模块3，实现对超声脉冲信号飞行时间的测量，并由此得到各声道的线平均流速；

所述轴向流场重构模块4根据各声道的线流速信息，采用层析成像算法重建轴向流场，并积分求解体积流量；

所述输出和显示模块5通过友好的人机界面显示重建的流速剖面，利用仪用数据总线输出流量信息。

本发明由于采用超声法测量声道线平均流速，具有非插入测量的优点，可避免对原始流场的干扰。流场探测管段采用双截面奇数换能器布置方案，形成的声道网络，可对轴向流场实现高分辨率、无盲区探测；超声收发换能器凸球面匹配层的特殊设计，可使其具有良好的发散特性，提高信号信噪比，同时允许探头具有较高工作频率，保证超声脉冲传播时间测量精度；采用电子扫描的方式快速探测流场，可缩短探测周期，提高测量的实时性；各声道顺逆流超声信号的同时获取，能够消除声速温漂的影响，保证工作稳定性；采用稀疏投影的层析成像方法重构流场，引入平行分组和细分内插提高了重构图像的分辨率；预处理内插方法引入投影数据径向变换的先验知识，可有效抑制投影数据内插细分时在边缘的畸变，保证内插精度。本发明对管道截面上的任意轴向流场实现快速、精确的二维成像测量提供了条件。

附图说明

图1是本发明所提供的管道内轴向流场超声成像设备的功能框图。

图2是凸球面匹配层超声换能器的结构示意图。

图3是凸球面匹配层换能器与同等尺寸圆柱形换能器的发散性能对比图。

图4是双截面奇数换能器布置方案总体示意图。

图5是超声换能器周向排布方式和声道网络示意图。

图6是在过管道轴线的剖面上，超声换能器的安装角度示意图。

图7是超声换能器信号激励和采集模块的结构框图。

图8是对管道内流场进行探测时，换能器的收发工作状态示意图，图8a是上游1#换能器向下游所有换能器发射超声脉冲的示意图，图8b是上游3#换能器向下游所有换能器发射超声脉冲的示意图，图8c是上游8#换能器向下游所有换能器发射超声脉冲的示意图，图8d是下游9#换能器向上游所有换能器发射超声脉冲的示意图。

图9是对声道平行重排的分组示意图。

图10是对投影数据进行等间距细分内插的示意图。

图11是轴向流场重构效果示意图，图11a是待重建的轴向流场，图11b是由三次样条内插的投影数据重建的轴向流场，图c是采用预处理内插法细分投影数据，重建得到的轴向流场。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，本发明一种针对管道内流体轴向流场的超声成像设备，包括依次连接的流场探测管段1、超声信号激励和采集模块2、声道线流速测量模块3、轴向流场重构模块4和输出和显示模块5；所述流场探测管段1包括换能器安装管道6和在换能器安装管道上下游两个截面各布置的N个超声收发换能器7，其中N为奇数；所述超声信号激励和采集模块2包括由通讯总线、时序控制和脉冲激励组成的FPGA控制平台，所述FPGA控制平台和多个发射电路的输入端连接，多个发射电路的输出端和继电器切换阵列的输入端连接，继电器切换阵列的输出端和多个接收电路的输入端连接，多个接收电路的输出端和多通道A/D变换器的输入端连接，多通道A/D变换器的输出端和计算机的输入端连接，计算机的输出端和FPGA控制平台的通讯总线连接，FPGA控制平台的时序控制同时与多通道A/D变换器和继电器切换阵列连接，所述继电器切换阵列连接有2N个超声收发换能器7；所述声道线流速测量模块3，实现对超声脉冲信号飞行时间的测量，并由此得到各声道的线平均流速；所述轴向流场重构模块4根据各声道的线流速信息，采用层析成像算法重建轴向流场，并积分求解体积流量；所述输出和显示模块5通过友好的人机界面显示重建的流速剖面，利用仪用数据总线输出流量信息。

如图2所示，所述超声收发换能器7为大发散角超声收发换能器，采用圆柱压电陶瓷和凸球面匹配层结合的结构，凸球面匹配层置于圆柱压电陶瓷顶部，超声收发换能器由壳体、压电晶片、背衬、管套和匹配层组成，背衬、压电晶片和匹配层依次垒叠，并安装于管套内，相互之间采用环氧树脂粘结。背衬为圆柱体，由高阻抗、高衰减的吸声材料制作而成，粘结于压电陶瓷底部，通过阻尼作用使压电陶瓷的谐振能量尽快耗散，减小发射脉冲的宽度，提高探头轴向的灵敏度；压电陶瓷采用机电耦合系数和压电应变常数都较高的锆钛酸铅PZT-5系列压电陶瓷制作而成，以满足收发两用的要求；压电陶瓷压制烧结为圆柱形，沿轴向进行极化，利用厚度谐振产生超声信号；匹配层的作用在于增强传播至流体中的声信号强度并提高发散角，由声阻抗率接近流体和压电陶瓷声阻抗率几何平均值的材料制作而成。其底部为圆柱体，顶部为凸球面结构，整体高度为声波在匹配材料中的四分之一波长；顶部的作用相当于一个发散的声透镜，当声波经由凸球面匹配层传播至流体中时，其传播方向会向偏离换能器轴线的角度偏折。凸球面匹配层相当于聚焦透镜，对声波起到会聚作用，在不降低谐振频率的前提下，能够以较低的实现成本改善换能器发散特性，提高接收信号的信噪比。这种设计可使换能器具有较大的发散角，在偏离换能器轴线的方向仍能具有较强的发射和接收强度，从而满足探测方案对换能器空间指向性的要求。

如图3所示，示出了数值仿真得到的凸球面匹配层换能器与同等尺寸圆柱换能器的发散特性对比，从图中可以看出采用凸球面匹配的特殊设计，换能器的半功率角由30°提高至90°，发散特性得到明显改善。

如图4所示，所述在换能器安装管道上下游两个截面A和B上各布置的11个超声收发换能器7在截面周向呈等角间距分布，两个截面A和B间的间距为流场探测管道的直径，工作时，上游或下游安装平面上的每一个超声收发换能器7所产生的发射信号，均可被另一安装平面上的所有超声收发换能器7所接收，从而在空间内形成121个声道的探测网络，网络在管道截面的投影如附图5所示，由图5可见，这种声道布置方案可对流场实现无盲区探测。

等角间距分布方式保证上下游截面上的每一个超声收发换能器7所产生的发射信号，均可被另一截面上的所有超声收发换能器7接收，在空间内形成N²个声道。在换能器数目相同的前提下，相比传统方法，可获得更多的声道数，声道网络的分辨率更高。探头数目为奇数的特殊选择，可保证声道网络中存在穿越管道中心的直径声道，消除探测盲区。

为保证所有超声收发换能器7均能接收到较强的信号，且幅值近似相等，换能器的空间指向应如附图6所示，上下游两个截面A和B上的超声收发换能器7的空间指向对准另一截面的中心位置。需要指出的是，此处给出了上下游截面各布置11个超声收发换能器7的特例，但只要保证各截面的超声收发换能器7总数为奇数N，声道网络便不会存在探测盲区。且探测网格数为N²量级，在安装空间允许的条件下，增加超声收发换能器7数目可提高探测的分辨率。其他奇数个换能器的布置方案均属于本发明的涉及范围。

如图7所示，超声信号激励和采集模块2包括由通讯总线、时序控制和脉冲激励组成的FPGA控制平台，所述FPGA控制平台和多个发射电路的输入端连接，多个发射电路的输出端和继电器切换阵列的输入端连接，继电器切换阵列的输出端和多个接收电路的输入端连接，多个接收电路的输出端和多通道A/D变换器的输入端连接，多通道A/D变换器的输出端和计算机的输入端连接，计算机的输出端和FPGA控制平台的通讯总线连接，FPGA控制平台的时序控制同时与多通道A/D变换器和继电器切换阵列连接，所述继电器切换阵列连接有2N个超声收发换能器；计算机通过数据总线与FPGA控制平台和多通道数据采集卡相连，发送控制命令，读取采集数据；FPGA控制平台同发射电路、多通道数据采集卡和继电器切换阵列相连，产生发射脉冲，控制数据采集过程的开始和结束，决定继电器切换状态。发射电路和接收电路通过继电器切换阵列同超声收发换能器相连接，由继电器切换阵列决定超声收发换能器的发射或接收状态。

本发明针对管道内流体轴向流场的超声成像设备的搭建及对管道内流体轴向流场进行测量的方法，包括如下步骤：

步骤1：制作针对超声流速成像的专用超声收发换能器：超声收发换能器7由壳体、背衬、管套、压电陶瓷和匹配层组成，将背衬、压电陶瓷和匹配层依次垒叠，并安装于管套内，再将管套置于壳体内，相互之间采用环氧树脂粘结；

步骤2：加工流场探测管道并安装超声收发换能器7：加工好流场探测管道后，在位于场探测管道上下游的两个横截面A和B上分别布置N个超声收发换能器7，两个横截面A和B间的间距为流场探测管道的直径，使两个截面上的2N个超声收发换能器7在周向呈等角间距分布，上下游安装截面的每一个超声收发换能器7需对准另一截面的中心位置；

步骤3：超声信号激励和采集模块2采集数据：首先计算机经由通讯总线向FPGA控制平台发送开始采集命令，然后FPGA控制平台产生发射脉冲，传递给发射电路，经过功率放大、脉冲升压和阻抗匹配之后，驱动相应超声收发换能器发射超声脉冲，处于接收状态的超声收发换能器收到超声脉冲后，将其转化为电信号，并送入接收电路进行放大、滤波，计算机利用多通道数据采集卡对接收电路调理后的信号进行量化采集，FPGA控制平台通过继电器阵列切换超声收发换能器工作状态，采集不同扫描情况下的数据；

步骤4：探测管道流场并采集超声信号：在超声信号激励和采集模块2的控制下采用顺次扫描的方法对管道流场进行探测，首先由上游截面A的1#至11#超声收发换能器7逐次向下游截面B的11个超声收发换能器7发射超声脉冲，并采集记录接收信号。而后，由下游截面B的1#至11#超声收发换能器7向上游截面A的所有超声收发换能器7发射超声脉冲，并采集记录接收信号，从而得到全部121个声道上超声信号顺逆流传播的波形数据。如图8所示，为部分超声收发换能器的收发工作状态示意图。

步骤5：计算各声道平均流速：采用数字相关法处理采集到的波形数据，得到各声道超声信号的顺逆流的传播时间t_AB和t_BA，利用下式(1)计算流体在各声道的线平均流速

$\stackrel{\&OverBar;}{V}=L\&times;(t_{\mathrm{BA}}-t_{\mathrm{AB}})/(2\cos \mathrm{\&theta;}\&times;t_{\mathrm{BA}}\&times;t_{\mathrm{AB}})---\left(1\right)$

式中，L为声脉冲信号传播路径长度，.θ为声道与管道轴线的夹角；

步骤6：获取流体轴向流场平行束扫描的投影数据：将121个声道上的线平均流速与其声传播路径长度L相乘得到流场在各声道的原始投影数据，然后对原始投影数据平行重排，根据声道倾角将原始投影数据划分为11组，每组对应的11个声道互相平行，如图9所示，给出了其中一组声道的示例；平行重排得到的各组投影数据是非等间距而且稀疏的，为满足层析成像算法重构时对投影数据等间距分布的要求，同时增强重建流场图像的平滑性，需将各组声道投影数据进行等间距内插细分，得到如附图10所示的细分投影数据p(θ,l)，对任一组原始投投影数据进行内插的过程如下：

（1）对原始投影数据(x_i,p_i)(i=1,2,...,11)进行预处理，利用抛物线权值函数加权得到加权后的投影数据(x_i,y_i),加权公式为式（2）：

$y_i=p_i\&times;(1+\mathrm{\&Delta;}-x_i^2)---\left(2\right)$

式中x_i为声道至管道中心的归一化距离，Δ为常数，用于调节抛物线加权的强度，Δ愈小加权后的投影数据(x_i,y_i)愈接近抛物线规律分布，其取值根据实际情况进行调节；

（2）对加权后的投影数据(x_i,y_i)进行样条内插，插值数据y的计算公式为为式（3）：

$y=S\left(x\right)=y_{i-1}(1-u)+y_i\left(u\right)-\frac{1}{6}{S}^{\&prime;\&prime;}\left(x_{i-1}\right)(2u-{3u}^2+u^3)h_i^2-\frac{1}{6}{S}^{\&prime;\&prime;}\left(x_i\right)(u-u^3)h_i^2---\left(3\right)$

式中，h_i=x_i-x_i-1，u=(x-x_i-1)/h_i，x_i-1<x<x_i，i=1,2,...,11，S''(x_i)为拟合曲线S(x)的二阶导数，其可由下面的方程组（4）进行求解

$\left\{\begin{array}{c}\frac{1}{6}{S}^{\&prime;\&prime;}\left(x_{i-1}\right)h_i-\frac{1}{3}{S}^{\&prime;\&prime;}\left(x_i\right)(h_i+h_{i+1})+\frac{1}{6}{S}^{\&prime;\&prime;}\left(x_{i+1}\right)h_{i+1}=\frac{y_{i+1}-y_i}{h_{i+1}}-\frac{y_i-y_{i-1}}{h_i}\\ S^{\&prime;\&prime;}\left(x_0\right)=S^{\&prime;\&prime;}\left(x_0\right)\\ S^{\&prime;\&prime;}\left(x_N\right)=S^{\&prime;\&prime;}\left(x_{N-1}\right)\end{array}\right.---\left(4\right)$

（3）由插值数据y反求细分的投影数据p，计算公式为式（5）：

p=y/(1+Δ-x²)（5）

在对投影数据进行样条插值的前后，分别对抛物线加权和反加权，其目的在于改善拟合曲线的平滑性，这是因为紊流和层流情况下，投影数据在边界处的导数是不同的，只能利用抛物线条件求取样条插值的拟合函数；而原始投影数据是非等间距分布的，在边缘处较为密集，直接采用抛物线条件拟合，在边界处会产生形状畸变；经过预处理，减低边缘点的作用，可有效消除插值引入的畸变；

步骤7：采用层析成像算法重建轴向流场：采用平行束扫描的反投影滤波算法作为重构方法，由其根据细分投影数据p(θ,l)重建轴向流场的过程如下：

（1）在平行束扫描模式下，求取细分投影数据p(θ,l)关于变量l的偏导数 $p_l(\mathrm{\&theta;},l)=\frac{\&PartialD;p(\mathrm{\&theta;},l)}{\&PartialD;l}$

（2）选定一组平行的直线簇，使其能够覆盖待重建的流场区域；直线簇的法向量为方向向量为据此将流场中任意一点表示为x=sΘ+tΘ^T，并进而求出直线簇与流场区域边界交点由参数(s,t)表达的结果，为便于计算可使直线簇平行于x轴或y轴；

（3）对投影数据的偏导数进行加权反投影，得到微分反投影函数：

式中，Φ=(cosθ,sinθ)

（4）针对直线簇中的每一条直线，以t为变量，在有限区间上对微分反投影函数进行希尔伯特逆变换，得到重构的轴向流场：

式中，t₁、t₂为选定的直线与流场边界的交点，C为流场沿这条直线的投影值；

步骤8：通过输出和显示模块5人机交互界面显示重建的轴向流场：在测量截面上对重建流场进行二维积分，计算出输送管道的体积流量，并通过显示器、HART、Profobus仪用数据总线等接口进行输出。

如图11所示，是在计算机上利用上述方法对双弯管下游的理论轴向流场进行仿真重建的结果；图11a为待重建的真实轴向流场；图11b为由三次样条内插的细分投影数据重建得到的轴向流场，中间区域的重建结果同真实流场较为接近，在边缘处存在明显畸变，测量误差较大；图11c是采用本发明提出的内插方法对投影数据进行细分，并由其重建得到的轴向流场，与真实流场非常吻合。对比三幅图可知，利用本发明的成像方法可实现对管道内轴向流场的精确测量，所提出的预处理内插方法可有效抑制重建流场在边缘处的畸变。

以上所述仅为本发明的优选实施例，不可以此限定本发明的权利保护范围。依据权利要求中所限定的内容作出的等同变化，仍属于本发明的涵盖范围。

Claims (4)

1.一种针对管道内流体轴向流场的超声成像方法，其特征在于：首先在换能器安装管道(6)上下游两个截面A和B上各布置N个超声收发换能器(7)，其中N为奇数，然后利用超声收发换能器(7)交织成的声道网络对换能器安装管道(6)内流体轴向流场进行探测；通过逐次激励各超声收发换能器(7)，以电子扫描的方式采集各声道顺逆流传播的超声信号；随后计算线平均流速，并得到轴向流场在各声道上的投影积分；随后对声道进行平行分组，利用内插方法对各声道组的投影数据进行等间距细分；最后采用层析成像算法，由细分投影数据重建轴向流场，并进行输出显示；所述在换能器安装管道(6)上下游两个截面各布置的N个超声收发换能器(7)在截面周向呈等角间距分布，每个截面上的超声收发换能器(7)的空间指向对准另一截面的中心位置；所述超声收发换能器(7)为大发散角超声收发换能器，采用圆柱压电陶瓷和凸球面匹配层结合的结构，凸球面匹配层置于圆柱压电陶瓷顶部。

2.根据权利要求1所述的针对管道内流体轴向流场的超声成像方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤1：制作针对超声流速成像的专用超声收发换能器：超声收发换能器(7)由壳体、背衬、管套、压电陶瓷和匹配层组成，将背衬、压电陶瓷和匹配层依次垒叠，并安装于管套内，再将管套置于壳体内，相互之间采用环氧树脂粘结；

步骤2：加工流场探测管道并安装超声收发换能器(7)：加工好流场探测管道后，在位于流场探测管道上下游的两个横截面A和B上分别布置N个超声收发换能器(7)，使两个截面上的2N个超声收发换能器(7)在周向呈等角间距分布，上下游安装截面的每一个超声收发换能器(7)需对准另一截面的中心位置；

步骤3：超声信号激励和采集模块(2)采集数据：首先计算机经由通讯总线向FPGA控制平台发送开始采集命令，然后FPGA控制平台产生发射脉冲，传递给发射电路，经过功率放大、脉冲升压和阻抗匹配之后，驱动相应超声收发换能器(7)发射超声脉冲，处于接收状态的超声收发换能器(7)收到超声脉冲后，将其转化为电信号，并送入接收电路进行放大、滤波，计算机利用多通道数据采集卡对接收电路调理后的信号进行量化采集，FPGA控制平台通过继电器阵列切换超声收发换能器(7)工作状态，采集不同扫描情况下的数据；

步骤4：探测管道流场并采集超声信号：在超声信号激励和采集模块(2)的控制下采用顺次扫描的方法对管道流场进行探测，首先由上游截面A上的N个超声收发换能器(7)逐次向下游截面B上的N个超声收发换能器(7)发射超声脉冲并采集记录接收信号，然后由下游截面的N个超声收发换能器(7)向上游截面的N个超声收发换能器(7)发射超声脉冲并采集记录接收信号，从而得到全部N²个声道上超声信号顺逆流传播的波形数据；

步骤5：计算各声道平均流速：采用数字相关法处理采集到的波形数据，得到各声道超声信号的顺逆流的传播时间t_AB和t_BA，利用下式(1)计算流体在各声道的线平均流速

$\stackrel{\&OverBar;}{V}=L\&times;(t_{\mathrm{BA}}-t_{\mathrm{AB}})/(2\cos \mathrm{\&theta;}\&times;t_{\mathrm{BA}}\&times;t_{\mathrm{AB}})---\left(1\right)$

式中，L为声脉冲信号传播路径长度，θ为声道与管道轴线的夹角；

步骤6：获取流体轴向流场平行束扫描的投影数据：将N²个声道上的线平均流速与其声传播路径在截面的投影长度相乘得到流场在各声道的原始投影数据，然后对原始投影数据平行重排，根据声道倾角将原始投影数据划分为N组，每组对应的N个声道互相平行，随后对各组声道原始投影数据进行等间距内插细分，得到细分投影数据p(θ,l)；对任一组原始投影数据进行内插的过程如下：

(1)对原始投影数据(x_i,p_i)(i＝1,2,...,N)进行预处理，利用抛物线权值函数加权得到加权后的投影数据(x_i,y_i),加权公式为式(2)：

$y_i=p_i\&times;(1+\mathrm{\&Delta;}-x_i^2)---\left(2\right)$

式中x_i为声道至管道中心的归一化距离，Δ为常数，用于调节抛物线加权的强度，Δ愈小加权后的投影数据(x_i,y_i)愈接近抛物线规律分布，其取值根据实际情况进行调节；

(2)对加权后的投影数据(x_i,y_i)进行样条内插，插值数据y的计算公式为式(3)：

$y=S\left(x\right)=y_{i-1}(1-u)+y_i\left(u\right)-\frac{1}{6}{S}^{\&prime;\&prime;}\left(x_{i-1}\right)(2u-3u^2+u^3)h_i^2-\frac{1}{6}{S}^{\&prime;\&prime;}\left(x_i\right)(u-u^3)h_i^2---\left(3\right)$

式中，h_i＝x_i-x_i-1，u＝(x-x_i-1)/h_i，x_i-1<x<x_i，i＝1,2,...,N，S”(x_i)为拟合曲线S(x)的二阶导数，其可由下面的方程组(4)进行求解

$\left\{\begin{array}{c}\frac{1}{6}{S}^{\&prime;\&prime;}\left(x_{i-1}\right)h_i-\frac{1}{3}{S}^{\&prime;\&prime;}\left(x_i\right)(h_i+h_{i+1})+\frac{1}{6}{S}^{\&prime;\&prime;}\left(x_{i+1}\right)h_{i+1}=\frac{y_{i+1}-y_i}{h_{i+1}}-\frac{y_i-y_{i-1}}{h_i}\\ S^{\&prime;\&prime;}\left(x_0\right)=S^{\&prime;\&prime;}\left(x_0\right)\\ S^{\&prime;\&prime;}\left(x_N\right)=S^{\&prime;\&prime;}\left(x_{N-1}\right)\end{array}\right.---\left(4\right)$

(3)由插值数据y反求细分的投影数据p，计算公式为式(5)：

p＝y/(1+Δ-x²)(5)

步骤7：采用层析成像算法重建轴向流场：采用平行束扫描的反投影滤波算法作为重构方法，由其根据细分投影数据p(θ,l)重建轴向流场的过程如下：

(1)在平行束扫描模式下，求取细分投影数据p(θ,l)关于变量l的偏导数 $p_l(\mathrm{\&theta;},l)=\frac{\&PartialD;p(\mathrm{\&theta;},l)}{\&PartialD;l}$

(2)选定一组平行的直线簇，使其能够覆盖待重建的流场区域；直线簇的法向量为方向向量为据此将流场中任意一点表示为x＝sΘ+tΘ^T，并进而求出直线簇与流场区域边界交点由参数(s,t)表达的结果，为便于计算使直线簇平行于x轴或y轴；

(3)对投影数据的偏导数进行加权反投影，得到微分反投影函数：

式中，Φ＝(cosθ,sinθ)

(4)针对直线簇中的每一条直线，以t为变量，在有限区间上对微分反投影函数进行希尔伯特逆变换，得到重构的轴向流场：

式中，t₁、t₂为选定的直线与流场边界的交点，C为流场沿这条直线的投影值；

步骤8：通过输出和显示模块(5)人机交互界面显示重建的轴向流场：在测量截面上对重建流场进行二维积分，计算出输送管道的体积流量，并通过显示器、HART或Profobus仪用数据总线进行输出。

3.根据权利要求2所述的针对管道内流体轴向流场的超声成像方法，其特征在于：步骤2所述上下游的两个横截面A和B间的间距为流场探测管道的直径。

4.实现权利要求1至3任一项所述超声成像方法的设备，其特征在于：包括依次连接的流场探测管段(1)、超声信号激励和采集模块(2)、声道线流速测量模块(3)、轴向流场重构模块(4)和输出和显示模块(5)；

所述流场探测管段(1)包括换能器安装管道(6)和在换能器安装管道上下游两个截面各布置的N个超声收发换能器(7)，其中N为奇数；

所述超声信号激励和采集模块(2)包括由通讯总线、时序控制和脉冲激励组成的FPGA控制平台，所述FPGA控制平台和多个发射电路的输入端连接，多个发射电路的输出端和继电器切换阵列的输入端连接，继电器切换阵列的输出端和多个接收电路的输入端连接，多个接收电路的输出端和多通道A/D变换器的输入端连接，多通道A/D变换器的输出端和计算机的输入端连接，计算机的输出端和FPGA控制平台的通讯总线连接，FPGA控制平台的时序控制同时与多通道A/D变换器和继电器切换阵列连接，所述继电器切换阵列连接有2N个超声收发换能器(7)；

所述声道线流速测量模块(3)，实现对超声脉冲信号飞行时间的测量，并由此得到各声道的线平均流速；

所述轴向流场重构模块(4)根据各声道的线流速信息，采用层析成像算法重建轴向流场，并积分求解体积流量；

所述输出和显示模块(5)通过友好的人机界面显示重建的流速剖面，利用仪用数据总线输出流量信息。