液-固兩相系中超聲層析成像實驗研究

汪烈成, 蘇明旭, 蔡小舒

(上海理工大學能源與動力工程學院,上海 200093)

液-固兩相系中超聲層析成像實驗研究

汪烈成, 蘇明旭, 蔡小舒

(上海理工大學能源與動力工程學院,上海 200093)

基于幾何聲學原理,應用半柱面晶片超聲換能器發射扇形束超聲波,設計了環形超聲換能器陣列,搭建了多通道同步數據采集系統,形成了一套透射式超聲層析成像測試裝置.研究了二值邏輯反投影圖像重建算法,此算法和測試裝置構成了透射式超聲層析成像系統,對聚四氟乙烯隔板和圓柱體進行實驗.圖像重建結果表明,該系統能夠定位成像物體的位置,確定其大小和形狀.將單個圓柱體二值反投影算法的重建圖像與設定值比較,成像誤差小于6%.

液-固兩相系;超聲層析成像;換能器陣列;圖像重建;二值邏輯;同步數據采集

以超聲波為信息檢測手段構成的計算機層析成像系統稱為超聲層析成像系統(UCT)[1].UCT的發展為醫學工程提供了一種安全、無損、低成本、不需注射藥物、對機體組織分辨率較高的診斷工具,易確定病變的位置、大小及性質[2].在工業過程監測中, UCT技術能提供流場二維/三維參數分布的有效信息,以超聲波為信息檢測手段的過程層析成像技術得到迅速發展.徐立軍[3]研制了一種基于扇形幾何聲束的透射式超聲層析成像系統來判斷氣液兩相流中的氣相流型及其含氣率.Utomo[4]利用透射式超聲層析成像原理和過濾迭代背向投影圖像重建反演算法測量了空氣、二氧化鈦和水三相流中氣相和顆粒相的流動狀態.Rahim[5]基于透射式超聲層析成像原理,設計了非侵入式超聲換能器陣列,并提出雜交二值反投影圖像重建算法.Rahiman[6]在圓形容器周圍均勻布置了13個發射和接收超聲換能器,應用于高聲阻抗的混合介質測量中.

對于實際工業應用場合,對成像系統在精度、分辨率、實時性上要求均較高.基于此,本文以幾何聲學近似為理論基礎,運用透射模式UCT原理,研制了環形的超聲換能器陣列,發展二值邏輯反投影圖像重建算法,形成一套透射模式超聲層析成像系統,實現液-固兩相體系截面信息的實時測量.

1 超聲層析成像系統研制

基于幾何聲學近似的超聲層析成像技術是指根據聲傳播路徑物體的幾何投影,結合相應的重建算法對物體成像,并據此判定成像物體的位置、形狀、大小及數目等參數[7].超聲傳感器陣列是層析成像系統獲取投影信息的單元,其結構形式是決定系統獨立檢測參量數目、測量數據誤差及其采集效率的關鍵.其中,數據采集效率反映測試系統的動態性能,獨立檢測參量和數據誤差則影響整個系統的靜態成像性能[8-9].

層析成像的理論依據為Radon變換和Radon反變換[10],由其定義,只有在投影角無限多,且每個投影角度下的投影線足夠多的情況下才能獲得對象的“精確重建”.換言之,超聲換能器陣列的獨立檢測量必須足夠多,才能從硬件系統上確保對象的圖像重建質量.由于扇形束掃描方式數據采集效率較固定收發換能器方式更高,因此,本文按扇形束掃描方式設計了相應的換能器.

1.1 超聲換能器陣列研制

設計了一種半圓柱形的壓電晶片,換能器結構如圖1所示,最大的特點是其聲輻射角度范圍近似180°,且具有較均勻的輻射特性,接收特性也與此相似.鑒于超聲層析成像系統要求超聲換能器中心頻率高、信號持續時間短(如窄脈沖)、雙程插入損失低,且工作于厚度方向,采用了克里姆霍爾茲(KLM)等效電路來描述超聲換能器的厚度振動模式[11].前端聲學端口阻抗匹配采用“四分之一波長匹配層”,后端聲學端口阻抗匹配采用鎢粉和環氧樹脂的混合物.

圖1 換能器結構示意圖Fig.1 Diagram of the transducer structure

制作了由16個頻率均為2.25 MHz的超聲換能器構成的換能器陣列,如圖2所示.實驗采用一發多收形式,一次掃描可以獲得240(16×15)個獨立聲學信號(不考慮自發自收信號),較文獻[12]采用了42個超聲換能器(6個發射,36個接收)得到216 (6×36)個獨立信號而言,在減少超聲傳感器數目的同時獲得了更多的獨立信號.

圖2 換能器陣列實物圖Fig.2 Diagram of transducer array

1.2 超聲層析成像系統

在前述超聲換能器陣列基礎上,建成了如圖3所示的超聲層析成像測試系統.系統由超聲波激勵信號源、直徑為120 mm的成像水槽、換能器陣列、前置信號放大器、基于PCI總線的NI-5105高速數據采集卡、發射切換電路及計算機等組成.

實驗中,發射切換電路控制信號源發射出一定強度的電脈沖,逐個激發超聲波,其余的15個換能器接收信號.信號源同時給出1個下降沿信號作為采集卡的同步采集信號.換能器接收到信號后經40 dB同步放大電路后,由高速數據采集卡(60 M/s)對其進行采集,保存到計算機上.通過LabVIEW編程實現信號頻譜分析和其它數據處理后獲得1個 16×16的信號矩陣(包含自發自收信號).

圖3 超聲層析成像系統示意圖Fig.3 Diagram of the ultrasound computerized tomography system

1.3 系統特性測試

圖4給出了同一超聲換能器在不同角度(以成像水槽圓心為原點,發射接收換能器所成角度)接收到的超聲信號,不難看出,換能器在不同角度均能接收到聲波信號.隨著角度的增加,超聲傳播距離增大,信號也相應延遲.對于超聲信號通過FFT(fast Fourier transformation)變換獲得最大頻域幅值.由于換能器的制作差異,需要作歸一化處理.將不含成像物體時換能器接收到的信號作為背景,與存在成像物體時的對應信號作比值,得到信號矩陣P(16,16).

圖4 換能器在不同角度上接收到的超聲信號Fig.4 Ultrasonic signals received by the transducers at different angles

2 圖像重建算法

超聲層析成像的實現包括正演和反演兩個基本過程.正演是反演的基礎,其模型選取與求解精度直接影響反演精度,而反演即為圖像重建過程.由于本文研究對象(成像物體)的尺寸遠大于水中超聲波的波長(ka?1,k=2π/λ,k為角波數,a為研究對象半徑,λ為波長),反演算法在幾何聲學近似模型基礎上設計,此時,二值邏輯反投影反演算法(BLBP)具有成像速度快、成像精度高的特點.

實際應用時考慮到物體邊緣效應會帶來誤差,往往帶來介于正常信號和零信號之間的弱信號影響成像效果,為此,在二值邏輯反投影圖像重建算法中,引入邏輯值“2”,并采用雙閾值處理,則可獲取新的信號矩陣S(i,j),使得原物體成像更準確.該過程可表示為

在信號矩陣中,i代表發射傳感器編號,j代表接收傳感器編號,0代表信號完全被物體遮擋,1代表信號部分被物體遮擋,2代表信號完全通過.圖像重建過程如圖5所示,當1號換能器發射超聲波時, 9號換能器被完全遮擋,在圖像矩陣上由O,A,B這3點構成的扇形區域權重加1;此時,8號換能器被部分遮擋,那么,由O,B,C構成的扇形區域權重加0.5;而不被遮擋的情形,權重則加0.以此類推,圖像矩陣取決于其信號矩陣各個元素值的大小.如此循環一周,則圖像矩陣上的每一個元素均獲得不同程度的權重累加,此時,選取適當閾值,即可反演獲得重建圖像.

圖5 BLBP反演算法示意圖Fig.5 Diagram of the BLBP reconstruction algorithm

3 層析成像的結果及分析

實驗中,以聚四氟乙烯圓柱(模擬柱狀流動)和隔板(模擬半管流動)為層析成像研究對象,包括以下4種工況:a.在成像水槽正中插入一塊隔板;b.成像水槽中心處放置單個圓柱體,半徑為10 mm; c.成像水槽不同位置放置2個半徑不同的圓柱體,半徑分別為13,10 mm;d.成像水槽不同位置放置3個半徑不同的圓柱體,半徑分別為20,13,10 mm.實驗系統進行信號測試并獲取實驗數據,運用二值邏輯反投影算法,通過Matlab編程重建圓柱體和模擬流型圖像.為了便于比較,同時進行了數值仿真,將上述4種實驗工況直接以圖像形式模擬出來.

仿真結果和實驗數據的圖像重建如圖6和圖7所示,成像截面的外切正方形劃分為256×256的網格.對于上述4種工況,完成一次數據反演和圖像重建時間均小于0.02 s,可滿足實時性要求.從圖7可見,實驗數據的重建結果(幾何輪廓)可能在面積、形狀、位置(幾何中心)上和真實輪廓存在差異.為此定義一個空間成像誤差來量化整個超聲層析成像系統的成像精度.

式中,Gs(i,j),Gr(i,j)分別定義為真實圖像和重建圖像;L表示劃分的網格個數.

按式(2)～(4)計算圖7中重建圖像的成像誤差,對于隔板情形,圖像重建SIE=9.38%;對于單圓柱體,圖像重建效果最好,SIE=5.60%,表明該系統能夠初步定位成像物體的位置、確定物體的大小和形狀;對于更為復雜的雙圓柱體和三圓柱體,誤差分別為37.29%和38.05%.然而,UCT技術應用于液-固兩相流在線監測,測試系統的進一步發展和應用還需特別注意考慮如下問題:

a.聲阻抗分布的強非均勻性.

本實驗中,實驗對象為聚四氟乙烯圓柱,其聲阻抗(3.1×106Pa·s/m3)和水較接近.鑒于研究對象尺寸遠大于超聲波波長而作了幾何聲學近似假設.在實際應用中,固相和液相介質的聲學特性差別可能會很大,具有強非均勻性聲阻抗,此時,由于兩相界面的強聲反射現象會導致測量聲壓信號偏離理論假設,影響反演結果的準確性.

b.超聲波的低傳播速度.

超聲波屬機械波,與光相比傳播速度很慢,在水中約為1 497 m/s(25℃).超聲波的低傳播速度原理限制了超聲投影信號的獲取速度.如果液-固兩相流流速達到每秒幾十米以上,兩相流橫截面上兩相分布狀況隨時間快速變化,要求超聲成像系統必須在足夠短的時間內完成從信號采集到圖像重建所有步驟,才能滿足實時性要求.

圖6 仿真圖像Fig.6 Simulation results

圖7 實驗數據重建圖像Fig.7 BLBP reconstruction algorithms results

4 結 論

a.本文提出的陣列檢測方法,采用聲輻射角度范圍近似180°的晶片和一發多收的扇形束掃描方式,具有較寬的投影角,且單個投影角度下的投影線多,在較少的探頭數目(16個)條件下,獲得較好的實驗信號矩陣,有利于提高對象圖像重建的質量.

b.改進BLBP反演算法重建一幅圖像的時間小于0.02 s,同時具有一定的成像精度,系統能夠定位成像物體的位置,確定物體大小和形狀,單個圓柱成像誤差小于6%.在此基礎上,進一步研究傳感器系統和快速精確的圖像重建算法將有利于提高系統的分辨率、改善動態性能.

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(編輯:石 瑛)

Experimental Study on Ultrasound Computerized Tomography on Liquid-solid Two-phase System

WANGLiecheng, SUMingxu, CAIXiaoshu
(School of Energy and Power Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

Based on ultrasonic geometric acoustics principle,a circular ultrasonic transducer array was designed,where fan-shape beam ultrasonic transmitters were applied to emit ultrasonic pulses.Further, with a multi-channel synchronous data acquisition system,the whole transmission-mode ultrasound computerized tomography(UCT)device was developed.The basic principle of binary logical back projection reconstruction algorithm(BLBP)and its improvement were presented in detail,followed by experiments on a polytetrafluoroethylene(PTEF)plate and rod.The results show that the system can be used to identify the size,shape and location of objects.Comparing the images reconstructed by BLBP with given values,their errors are within 6%in the case of a single circular rod.

liquid-solid two-phase system;ultrasound computerized tomography;transducer array;image reconstruction;two-value logic;synchronous data acquisition

TK 31

A

1007-6735(2015)01-0007-06

10.13255/j.cnki.jusst.2015.01.002

2013-09-11

國家自然科學基金資助項目(51176128,51076106);上海市教委重點學科資助項目(12ZZ142)

汪烈成(1988-),男,碩士研究生.研究方向:超聲層析成像.E-mail:liechengw@gmail.com

蘇明旭(1973-),男,教授.研究方向:光散射和超聲散射顆粒測量理論和技術.E-mail:sumxmail@163.com