[发明专利]一种针对管道内流体轴向流场的超声成像方法及设备

权利要求书

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。

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：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。

3.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：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。

4.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

V‾=L×(tBA-tAB)/(2cosθ×tBA×tAB)---(1)]]>

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）：

yi=pi×(1+Δ-xi2)---(2)]]>

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(x)=yi-1(1-u)+yi(u)-16S′′(xi-1)(2u-3u2+u3)hi2-16S′′(xi)(u-u3)hi2---(3)]]>

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

16S′′(xi-1)hi-13S′′(xi)(hi+hi+1)+16S′′(xi+1)hi+1=yi+1-yihi+1-yi-yi-1hiS′′(x0)=S′′(x0)S′′(xN)=S′′(xN-1)---(4)]]>

（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pl(θ,l)=∂p(θ,l)∂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。