CN109655525A - 一种用于超声层析成像系统的相对激励方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于超声层析成像系统的相对激励方法，将双数的压电式超声传感器沿周向均布于金属管道侧壁，同时激励沿金属管道轴线对称的两个压电式超声传感器发出信号，并控制其余所有压电式超声传感器作为接收传感器，两个被同时激励出的信号在液体中合成，合成信号被接收传感器接收作为一组成像信号；依次同时激励其它沿金属管道轴线对称的两个压电式超声传感器，控制其余所有压电式超声传感器作为接收传感器，得到成像信号；通过各组成像信号进行图像重建。本发明提高了超声层析成像系统中超声激励信号和接收信号的强度和幅值，增大了超声在管道内的覆盖范围，提升了两相流检测质量以及图像重建质量，提高了超声层析成像系统的检测效率。

Description

一种用于超声层析成像系统的相对激励方法

技术领域

本发明涉及一种成像系统的激励方式，用于提升石油管道中两相流流型的检测质量。

背景技术

在输送石油管道中通常会存在油气混合的两相流现象，对其中两相流流动状态的检测不仅确保了输送时的安全性，同时有助于提高油气混输的效率。超声层析成像技术是用于两相流流动状态检测的新型传感技术。有别于其他的层析成像技术，该技术可用于金属管道中两相流的检测，同时具有无辐射、成本低、稳定性好等优点。然而，在利用超声层析成像系统检测金属管道中气液两相流时，由于金属管道与管道内液体的声阻抗相差较大，因此声波只有较少的部分能够进入管道内的液体，检测信号变小，为检测带来了困难，最终造成两相流流型成像变差。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种用于超声层析成像系统的相对激励方式，该方法有利于提高超声层析成像系统中激励和接收信号的幅值、扩大超声波的覆盖范围，提升两相流检测质量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：将双数的压电式超声传感器沿周向均布于金属管道侧壁，各个压电式超声传感器参数完全相同；同时激励沿金属管道轴线对称的两个压电式超声传感器发出信号，并控制其余所有压电式超声传感器作为接收传感器，两个被同时激励出的信号在液体中合成，合成的信号被接收传感器接收，作为一组成像信号；依次同时激励其它沿金属管道轴线对称的两个压电式超声传感器，控制其余所有压电式超声传感器作为接收传感器，得到若干组成像信号；通过各组成像信号进行图像重建。

所述压电式超声传感器数量不少于16个。

所述压电式超声传感器的型号为PZT-5A。

本发明的有益效果是：

1、提高了超声层析成像系统中超声激励信号和接收信号的强度和幅值，增大了超声在管道内的覆盖范围，提升了两相流检测质量以及图像重建质量。

2、提高了超声层析成像系统的检测效率。

附图说明

图1是本发明的基本装置图；

图2是本发明的基本原理示意图；

图3是循环激励正对传感器的超声信号合成示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

为实现断层层析成像，超声传感器数量应不少于16个。以32个为例，通用压电式超声传感器(PZT-5A)均匀分布于横截面为圆形的金属管道，9点位置的传感器编号命名为传感器T1，按照顺时针方向旋转依次对传感器进行编号。在检测两相流流型时，首先同时激励相对的两个传感器T1和T17，两个被同时激励出的信号A和B在液体中合成，这样合成的信号C强度会增大，同时声波的覆盖范围会增大，控制其余所有传感器作为接收传感器，以此作为第一组接收信号。依次同时激励T2和T18、T3和T19、T4和T20……，控制其余所有传感器作为接收传感器，接收的信号作为第二、三、四……组成像信号，最后进行信号处理及图像重建。

本发明实施例提供一种用于超声层析成像系统的相对超声激励方式，所述超声层析成像检测系统包含一个金属管道和装在金属管道内的液体及气体，液体和气体组成气液两相流，所述正对超声激励方式包括以下步骤：

步骤1、通用压电式超声传感器(PZT-5A)阵列的布置

如图1所示，图中T1到T32为32个超声传感器，每个传感器的参数和性能均相同，在使用时认为32个传感器完全相同，不存在任何差异。图1中G代表固体金属管壁、A代表管道内的圆形气体、L代表管道内的液体，32个传感器均匀等间距地分布在管道的外壁，传感器与管道外壁通过液体耦合剂连接，增大声波的透射程度。

步骤2、超声传感器信号的激励与接收

如图2所示，在两相流检测过程中，首先将传感器T1和T17同时设置为激励状态，由窗函数调制后的正弦信号或方波脉冲信号对T1和T17超声传感器进行同步激励，激励出的超声波透过管壁进入管道内的液体，两束声波在O点相遇，相遇后的声波形成新的波源，此时新的波源的信号强度增大，该波源向360°方向扩散声波，覆盖了整个气液两相流区域，其余所有超声传感器均设置为接收状态，此时完成第一组信号的接收。如图3所示，重复以上操作，将传感器T2和T18同时设置为激励状态，由5周期汉宁窗调制的正弦信号对T2和T18超声传感器进行同时激励，激励出的超声波透过管壁进入管道内的液体，两束声波在O点相遇，相遇后的声波形成新的波源，此时新的波源的信号强度增大，该波源向360°方向扩散声波，覆盖了整个气液两相流区域，其余所有超声传感器均设置为接收状态，此时完成第二组信号的接收。依次同步激励T3和T19、T4和T20……，无激励间隔时间。控制其余所有传感器作为接收传感器，接收的信号作为第三、四……组成像信号，最后进行信号处理并利用线性反投影算法进行图像重建，基本原理与公式如下：

已知测量传感器的测量值，根据敏感场分布重建检测区域内部的介质分布即为层析成像逆问题的求解。此过程简述如下，传感器的测量值与物场分布之间存在映射关系，这种映射关系可简化为下式：

式中，V——测量值向量；S——系数矩阵(灵敏度矩阵)；G——检测区域介质分布像素向量；n——测量值数目；m——重建图像像素数目。此时逆问题的求解可由公式(2)表示：

由公式(2)可知，已知量个数远小于未知量个数(n<<m)，并且系数矩阵S的逆矩阵是不存在的(S矩阵不是满秩矩阵)，可见层析成像的逆问题属于病态问题。此时需要寻找灵敏度矩阵逆矩阵的替代矩阵或是通过其他迭代的方式对G进行求解。而通常的做法是用灵敏度矩阵的转置矩阵S^T替代其逆矩阵S^-，即：

此式为线性反投影算法的数学表达式。从式中可以看出，测量值与图像(物场分布)的关系被近似为线性，因此这种算法被称为线性算法。

本发明的相对超声激励方式，激励信号在管道中心合成后形成新的声波源，提高了激励信号的强度，同时合成后的信号向全向扩散，提高了检测区域的覆盖率，增加了检测的数据量，有利于提高成像质量。采用本发明的技术方案，适用于对成像质量有较高要求的环境。

Claims (3)

1.一种用于超声层析成像系统的相对激励方法，其特征在于包括下述步骤：

将双数的压电式超声传感器沿周向均布于金属管道侧壁，各个压电式超声传感器参数完全相同；同时激励沿金属管道轴线对称的两个压电式超声传感器发出信号，并控制其余所有压电式超声传感器作为接收传感器，两个被同时激励出的信号在液体中合成，合成的信号被接收传感器接收，作为一组成像信号；依次同时激励其它沿金属管道轴线对称的两个压电式超声传感器，控制其余所有压电式超声传感器作为接收传感器，得到若干组成像信号；通过各组成像信号进行图像重建。

2.根据权利要求1所述的用于超声层析成像系统的相对激励方法，其特征在于：

所述压电式超声传感器数量不少于16个。

3.根据权利要求1所述的用于超声层析成像系统的相对激励方法，其特征在于：

所述压电式超声传感器的型号为PZT-5A。