CN113177990A - 一种基于旋转环形传感器的光学层析成像装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于旋转环形传感器的光学层析成像装置与方法。本发明环形传感器与待测管道同轴设置，在旋转电机的控制下绕待测管道旋转。无线接收模块接收环形传感器发出的光信号，传输至计算机中处理。计算机通过电机转速控制模块控制旋转电机的转速。计算机利用Landweber算法进行截面图像重建，迭代结束获得的灰度向量即可还原管道截面图像。本发明基于旋转环形传感器，能够获得多个角度上的投影信息，大幅增加投影数据，提高重建图像质量；采用旋转环形传感器，降低了对安装空间的要求，适用于小管道的截面图像重建；利用投影加速Landweber算法，缩短成像时间，提高重建图像精度。
Description
技术领域
本发明属于光学成像技术领域，涉及一种基于旋转环形传感器的光学层析成像装置与方法。
背景技术
多相流动是指管道内同时存在气、液、固等相态的流动过程。多相流动广泛存在于化工、石油、医药以及食品等工业领域。多相流截面参数的准确测量对流体理论研究、工业应用、安全生产等具有重要作用。光学层析成像技术通过发射-接收元件获得反映管道截面信息的投影数据，利用重建算法，能够获取截面上的相分布信息，重建截面图像，为后续参数测量系统重要依据。同时，相较于电学层析成像、超声层析成像，光学层析成像具有非接触测量、硬场、高时空分辨率等优点，具有巨大的应用前景，受到国内外学者的广泛关注。
然而，现有的针对光学层析成像的传感器结构的研究较少，受到安装空间的限制，发射-接收元件数量较少，导致获得的投影数据不足，重建获得的图像质量不高，影响后续的检测精度。
发明内容
本发明的目的就是提供一种基于旋转环形传感器的光学层析成像装置与方法。通过旋转环形传感器，能够在不增加发射-接收元件的基础上，大幅增加投影数据，提高重建图像的质量。且对安装空间要求较低，能够适用于微小型设备中。
本发明装置包括旋转电机、环形传感器、无线接收模块、计算机和电机转速控制模块。两套旋转电机对称固定在待测管道外壁，环形传感器与待测管道同轴设置，在旋转电机的控制下绕待测管道旋转。无线接收模块接收环形传感器发出的光信号，将光信号传输至计算机中处理。计算机输出电机转速控制信号至电机转速控制模块，以控制旋转电机的转速。
环形传感器包括激光管、基座、信号转换发射模块、光电二极管阵列以及配重。激光管、信号转换发射模块、光电二极管阵列以及配重均设置在基座外壁，激光管和光电二极管阵列相对设置，信号转换发射模块和配重相对设置；在测量过程中，激光器发射激光，照射到光电二极管阵列上形成光信号信息，该信息由信号转换发射模块转换为电压信号并通过无线传输方式传送给无线接收模块。在旋转电机控制旋转过程中，环形传感器能够在多个角度上检测光信号并传输至计算机。
利用该装置实现管道截面图像重建的具体流程为：
1)启动装置，控制旋转电机至特定转速,激活激光器；
2)激活光电二极管阵列、信号转换发射模块与无线接收模块，设定采集频率；
3)完成单次测量得到光信号向量，通过信号转换发射模块传出，由无线接收模块获取，输入计算机存储；
4)环形传感器旋转一圈，所获得多个光信号向量构成投影数据；
5)利用Landweber算法进行截面图像重建，Landweber算法所使用的迭代初值由LBP算法提供。迭代结束获得的灰度向量即可还原管道截面图像。
本发明与现有技术相比具有有益效果：
1)基于旋转环形传感器，能够获得多个角度上的投影信息，大幅增加投影数据，提高重建图像质量；
2)采用旋转环形传感器，降低了对安装空间的要求，适用于小管道的截面图像重建；
3)利用投影加速Landweber算法，缩短成像时间，提高重建图像精度。
附图说明
图1为基于旋转环形光学传感器的光学层析成像系统；
图2为环形光学传感器结构示意图；
图3为层析成像流程示意图。
具体实施方式
本发明针对现有多相流参数检测手段缺乏的现状，提出了一种基于旋转环形光学传感器的光学层析成像装置与成像方法，相应装置具有结构简单、非接触测量、时空精度高等优点，为多相流参数检测提供了有益借鉴。
以下结合附图和实施例对本发明的做详细的说明，对本发明的实施例的说明，仅为本发明较佳的实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围，凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应归属与本发明专利涵盖的范围之内。
如图1所示，基于旋转环形传感器的光学层析成像系统包括旋转电机2、环形传感器3、无线接收模块4、计算机5和电机转速控制模块6。两套旋转电机2对称固定在待测管道1外壁，环形传感器3与待测管道1同轴放置，在旋转电机2的控制下绕待测管道1以设定速度旋转。无线接收模块4接收环形传感器3发出的光信号，送入计算机5中处理。计算机5输出电机转速控制信号至电机转速控制模块6，以控制旋转电机2的转速。
如图2所示，环形传感器3包括激光管6、基座7、信号转换发射模块8、光电二极管阵列9以及配重10。激光管7、信号转换发射模块8、光电二极管阵列9以及配重10均设置在基座7外壁，激光管7和光电二极管阵列9相对设置，信号转换发射模块8和配重10相对设置；
在测量过程中，激光器6发射激光11，照射到光电二极管阵列9上形成光信号信息，该信息由信号转换发射模块8转换为电压信号并通过无线传输方式传送给无线接收模块4。在旋转电机2控制旋转过程中，环形传感器3能够在多个角度上检测光信号并传输至计算机5。
利用该装置实现管道截面图像重建的具体流程为：
1)启动装置，控制旋转电机2至特定转速vrps，激活激光器6；
2)激活光电二极管阵列9、信号转换发射模块8与无线接收模块4，设定采集频率为m×vHZ(即每旋转一圈，采集信号m次)；
3)设光电二极管阵列9个数为n，则在该位置完成单次测量得到光信号向量为：
t＝[u1 u2 … un]；
其中，ui,i＝1,…,n为第i个光电二极管测量得到的光信号强度。测量所得光信号向量t通过信号转换发射模块8传出，由无线接收模块4获取，输入计算机5存储；
4)环形传感器3旋转一圈共完成m次测量，所获得的m个光信号向量构成投影数据T(m×n维)：
T＝[t1 t2 … tm]T；
5)计算机利用Landweber算法进行截面图像重建，Landweber算法所使用的迭代初值由LBP算法提供：
P＝DTT；
其中，P为待测截面图像灰度向量，D为该结构下的灵敏场矩阵。Landweber算法利用极小化噪声数据的均方差作为优化目标函数：
min{f(P)}
式中
其下降梯度为：
带入最速下降法的公式可以得到：
其中，η代表迭代步长，k代表迭代次数。在每次迭代过程后，通过引入一个凸投影函数Q(·)到值域内进行加速算法收敛：
其中，a代表投影函数Q(·)的下边界，b代表投影函数Q(·)的上边界。
若经过投影函数处理之后的图像灰度向量P达到停止条件，则退出迭代，否则继续运行。迭代结束获得的灰度向量P即可还原管道截面图像。
Claims (2)
1.一种基于旋转环形传感器的光学层析成像装置，其特征在于：包括旋转电机、环形传感器、无线接收模块、计算机和电机转速控制模块；两套旋转电机对称固定在待测管道外壁，环形传感器与待测管道同轴设置，在旋转电机的控制下绕待测管道旋转；无线接收模块接收环形传感器发出的光信号，将光信号传输至计算机中处理；计算机输出电机转速控制信号至电机转速控制模块，以控制旋转电机的转速；
所述的环形传感器包括激光管、基座、信号转换发射模块、光电二极管阵列以及配重；激光管、信号转换发射模块、光电二极管阵列以及配重均设置在基座外壁，激光管和光电二极管阵列相对设置，信号转换发射模块和配重相对设置；在测量过程中，激光器发射激光，照射到光电二极管阵列上形成光信号信息，该信息由信号转换发射模块转换为电压信号并通过无线传输方式传送给无线接收模块；在旋转电机控制旋转过程中，环形传感器能够在多个角度上检测光信号并传输至计算机。
2.一种基于旋转环形传感器的光学层析成像方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
1)启动装置，控制旋转电机至特定转速,激活激光器；
2)激活光电二极管阵列、信号转换发射模块与无线接收模块，设定采集频率；
3)完成单次测量得到光信号向量，通过信号转换发射模块传出，由无线接收模块获取，输入计算机存储；
4)环形传感器旋转一圈，根据采集频率重复步骤3)后，计算机获得多个光信号向量构成投影数据；
5)利用Landweber算法进行截面图像重建，Landweber算法所使用的迭代初值由LBP算法提供；迭代结束获得的灰度向量即可还原管道截面图像。
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Citations (3)
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| CN107796333A (zh) * | 2017-11-20 | 2018-03-13 | 北京航空航天大学 | 一种基于扫描振镜的光学层析成像系统 |
| CN108378824A (zh) * | 2018-03-16 | 2018-08-10 | 清华大学 | 具有阵列式环形扫描内窥探头的光学相干层析成像系统 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN2548150Y (zh) * | 2002-05-24 | 2003-04-30 | 广东工业大学 | 环形扇束光学层析成像激光空间阵列传感器 |
| CN107796333A (zh) * | 2017-11-20 | 2018-03-13 | 北京航空航天大学 | 一种基于扫描振镜的光学层析成像系统 |
| CN108378824A (zh) * | 2018-03-16 | 2018-08-10 | 清华大学 | 具有阵列式环形扫描内窥探头的光学相干层析成像系统 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 李华军等: "基于阵列传感器的小管道气液两相流流型辨识", 《工程热物理学报》, pages 1906 - 1910 * |
| 邹旭华等: "激光传感过程层析成像技术探讨", 《现代制造工程》, pages 12 - 15 * |
| 马敏等: "基于旋转电极的电容层析成像技术图像融合算法", 《计量学报》, pages 43 - 46 * |
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