CN111435126A - 基于图像融合技术的多参数电磁层析成像装置及方法 - Google Patents

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方黄峰
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Abstract

本发明公开了一种基于图像融合技术的多参数电磁层析成像装置及方法。该装置由线圈阵列、磁阻传感器阵列、模拟开关、信号发生器、功率放大器、磁感应强度测量模块、互感测量模块和计算机组成；一方面，线圈阵列通过信号发生器和功率放大器提供的正弦激励产生交变磁场，磁阻传感器阵列测量对应位置的磁场感应强度，实现磁导率分布的图像重建；另一方面，互感测量模块经模拟开关依次获取各线圈激励下激励线圈与其余线圈之间的互感值，实现电导率分布的图像重建；基于图像融合算法将两种信息的图像重建结果融合，可以同时获得电导率和磁导率分布的成像结果。本发明可提供一种针对电导率和磁导率介质同时成像的多参数电磁层析成像方法。

Description

基于图像融合技术的多参数电磁层析成像装置及方法
技术领域
本发明属于过程参数检测领域，特别涉及一种基于图像融合技术的多参数电磁层析成像装置及方法。
技术背景
多相流广泛存在于各种工业过程之中，如电力工业生产、原油开采、食品加工以及药物制造等生产加工领域，因此实现多相流参数检测对于保障工业生产安全、提高生产效率和优化工业生产过程至关重要。对于一个复杂的多相流系统而言，过程层析成像技术是一种能够实现多相流流动状态的实时在线成像的理想手段。
在多相流参数检测领域，过程层析成像技术因其具有成本低、传感器结构简单以及非侵入式测量等优良特性，而得到广泛应用。尽管如此，大多数应用于多相流检测的层析成像技术往往只能针对一种电磁特性进行成像。更进一步说，对于流动状态复杂的多相流而言，其通常同时含有导电和导磁性物质。现有的层析成像方法并不能对其进行有效的成像。
本发明提出一种基于图像融合技术的多参数电磁层析成像装置和方法，该电磁层析成像方法通过实验装置同时测量得到线圈对之间的互感值和特定测点处的磁感应强度值，结合相应的图像重建算法分别获取到对应的电导率、磁导率参数在成像区域中的分布图像，再根据图像融合方法即可同时获取电导率和磁导率参数在成像区域内的分布。
本发明的有益效果：1)装置及方法传感器结构简单，成本低，是非侵入式测量方法；2) 该电磁层析成像方法可实现对电导率、磁导率两种电磁特性的同时成像，并且具有良好的成像效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于图像融合技术的多参数电磁层析成像装置及方法。该装置由线圈阵列、磁阻传感器阵列、模拟开关、信号发生器、功率放大器、磁感应强度测量模块、互感测量模块和计算机组成；
所述线圈阵列等角度均匀布置在圆形成像区域四周。线圈阵列经模拟开关、功率放大器与信号发生器连接，从而给对应线圈施加正弦激励信号。其中每个线圈为多匝铜线绕制而成，线圈尺寸为外直径38mm，内直径20mm，厚度5mm，匝数约为160匝，具体线圈尺寸视圆形成像区域的大小而定。
所述磁阻传感器阵列依据线圈阵列的尺寸，均匀布置在各个线圈的轴线上，同时紧贴圆形成像区域边缘，用于测量交变磁场。每个磁阻传感器由隧道磁电阻(TMR)芯片以及相应的放大、滤波等信号调理电路制成PCB。
所述激励/检测阵列由多组线圈和磁阻传感器等角度均匀装配在圆形成像区域四周，其中激励/检测阵列的数目和布置方式根据成像区域尺寸相应调整。
所述模拟开关包含两部分功能：一方面与激励信号(信号发生器、功率放大器)连接用于线圈激励的依次切换，另一方面，与互感测量模块连接，实现不同线圈激励下激励线圈与其余线圈之间互感值的依次测量。
所述信号发生器可以生成各种常见的激励信号，包括正弦信号、方波信号、三角波信号等。经过功率放大电路串接功率电阻后给激励线圈施加交流激励。
所述功率放大器将信号发生器产生的小信号进行功率放大，用于线圈激励。
所述磁感应强度测量模块与磁阻传感器阵列连接，获取磁电阻传感器阵列的输出信号用于信号解调和图像重建
所述互感测量模块采用一种四端子接线方式用于测量两个线圈之间的互感。
本发明所提供的基于图像融合技术的多参数电磁层析成像装置及方法结构简单，成本低廉，安装方便，操作简单便捷，并且能够同时对电导率和磁导率进行成像，是一种新颖有效的多参数成像装置和方法。
附图说明
图1为基于图像融合技术的多参数电磁层析成像装置结构示意图。
图中：1.磁阻传感器阵列；2.线圈阵列；3.具有磁导率的物体；4.具有电导率的物体； 5.模拟开关；6.互感测量模块；7.信号发生器；8.功率放大器；9.磁感应强度测量模块；10.计算机
图2为线圈/磁阻传感器示意图。
图中：1.磁阻传感器；2.线圈
图3为图像融合示意图。
具体实施方式
本发明提供一种基于图像融合技术的多参数电磁层析成像装置及方法。所述基于图像融合技术的多参数电磁层析成像装置由线圈阵列、磁阻传感器阵列、模拟开关、信号发生器、功率放大器、磁感应强度测量模块、互感测量模块和计算机组成；可实现对电导率和磁导率的同时成像；下面结合附图对本发明予以说明如下：
图1所示为基于图像融合技术的多参数电磁层析成像装置原理结构示意图。图中，磁阻传感器阵列1和激励线圈阵列2装配在一起，如图2线圈/磁阻传感器示意图所示，磁阻传感器PCB放置在线圈的轴线上，使得TMR芯片的敏感轴与相应测点处圆形成像区域的法线方向平行，z轴方向即为TMR的敏感轴方向。具有磁导率的物体3和具有电导率的物体4放置在圆形成像区域内，成像区域由亚克力管制成的圆筒构成。信号发生器7通过功率放大器8连接至模拟开关5，模拟开关5与激励线圈阵列1连接，依次驱动激励线圈，生成交变磁场。磁阻传感器阵列1的输出由磁感应强度测量模块9采集上传至计算机进行信号解调与图像重建，获得磁导率μ分布的重建图像。
激励/检测阵列由线圈阵列和磁阻传感器阵列装配构成，激励/检测阵列围绕圆形成像区域等角度均匀分布，如图1所示。其中每个线圈的尺寸和磁阻传感器的个数及布置方式需要根据检测精度要求和圆形成像区域尺寸相应调整。
图1中，互感测量模块经模拟开关与线圈阵列连接。每个线圈激励时，其余线圈作为检测线圈，通过模拟开关切换功能，利用互感测量模块可以得到激励/检测线圈对的互感值。再切换到下一个线圈激励并重复上一步操作。在获得所需的全部互感值后，结合相应的图像重建算法，可以获得电导率σ分布的重建图像。
图3所示为图像融合示意图，通过基于金字塔形分解的图像融合算法，将电导率和磁导率的重建图像进行融合，可得到同时表征电导率和磁导率分布的图像。
实施例
本实施案例中，激励/检测阵列由多个磁电阻传感器1和线圈2共同构成传感器阵列，线圈/磁阻传感器示意图如图2所示，传感器阵列等角度分布在圆形成像区域的外壁，其中每个磁阻传感器设计为PCB形式，宽度为20mm，长度约为50mm，圆形成像区域直径100mm，由高100mm的圆柱形亚克力圆筒包围。激励/检测阵列安装在圆筒中间高度处。
磁阻传感器PCB水平安装在激励线圈的轴线上，使得TMR芯片的敏感轴平行于圆形成像区域边缘相应磁感应强度测点处的法线方向。直径2cm的具有磁导率的物体3和直径3cm 的具有电导率的物体4放置在圆形成像区域内。信号发生器7通过功率放大器8连接至模拟开关5，模拟开关5与线圈阵列1连接。信号发生器7产生峰-峰值为2V，频率为1kHz的正弦交流信号，经功率放大器8放大后依次激励线圈产生交变磁场，磁阻传感器阵列1的信号输出由磁感应强度测量模块9采集上传至计算机进行信号解调与图像重建，获得磁导率μ分布的重建图像。
互感测量模块经模拟开关5与线圈阵列连接，依次切换激励线圈。每个线圈激励时，通过模拟开关5切换其余的检测线圈，测量得到激励/检测线圈对的互感值。再切换到下一个线圈激励并重复上一步操作。在获得全部互感值后，结合相应的图像重建算法，可以获得电导率σ分布的重建图像。
通过基于金字塔形分解的图像融合算法，将具有以上两种信息的单独成像结果进行图像融合，可得到同时表征电导率和磁导率分布的图像。

Claims (7)

1.一种基于图像融合技术的多参数电磁层析成像装置及方法，其特征在于，所述基于图像融合技术的多参数电磁层析成像装置由线圈阵列、磁阻传感器阵列、模拟开关、信号发生器、功率放大器、磁感应强度测量模块、互感测量模块和计算机组成。
2.根据权利要求1所述的基于图像融合技术的多参数电磁层析成像装置，其特征在于，所述线圈/磁阻传感器阵列由多组线圈和磁阻传感器装配构成激励/检测阵列，激励/检测阵列围绕圆形成像区域四周等角度均匀安装。其中激励/检测阵列的数目和布置方式根据成像区域尺寸相应调整。
3.根据权利要求2所述的激励/检测阵列，其特征在于，所述激励/检测阵列由线圈和磁阻传感器装配组成，其中所述线圈为纯铜线绕制的多匝线圈，其内径、外径、厚度及匝数等参数可以依据实际需要相应调整。
4.根据权利要求1所述的基于图像融合技术的多参数电磁层析成像装置，其特征在于，信号发生器和功率放大器连接，功率放大器和模拟开关连接再驱动线圈。磁感应强度测量模块与磁阻传感器阵列连接，获取不同位置的传感器输出信号上传到计算机，进行信号解调和磁导率分布重建。
5.根据权利要求4所述的信号发生器、功率放大器和模拟开关，其特征在于，信号发生器生成特定频率的正弦激励信号，经功率放大器放大后用于驱动激励线圈。其中模拟开关的功能包括两部分：一是在控制信号的作用下，实现线圈激励的依次切换，并由激励线圈产生交变磁场；二是模拟开关与多个线圈连接，实现线圈对互感值测量的依次切换。
6.根据权利要求1所述的基于图像融合技术的多参数电磁层析成像装置，其特征在于，互感测量模块与模拟开关连接，通过模拟开关切换功能，利用互感测量模块可以得到不同激励/检测线圈对的互感值上传到计算机，用于电导率分布重建。
7.基于图像融合技术的多参数电磁层析成像方法，其特征在于，利用互感测量模块获取不同激励/检测线圈对的互感信息，并结合相应的图像重建算法，获取成像区域内的电导率分布；利用磁感应强度测量模块获得成像区域四周不同位置的磁感应强度信息，结合相应的图像重建算法，获取成像区域内的磁导率分布。根据以上获得的图像重建结果，再结合像素级的金字塔形分解图像融合方法得到表征重建区域内电导率和磁导率分布情况的一副图像，进而实现了多参数电磁层析成像。
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