利用電容層析成像監(jiān)測(cè)泥石流

周 磊，劉 石

1.華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206

2.華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，北京 102206

利用電容層析成像監(jiān)測(cè)泥石流

周 磊，劉 石

1.華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206

2.華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，北京 102206

泥石流是含有大量泥砂、石塊的一種特殊的多相流體，會(huì)對(duì)人民生命、財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重的危害。因此，對(duì)泥石流的監(jiān)測(cè)尤為重要。電容層析成像（ECT）是目前廣泛研究的一種兩相流過程層析成像技術(shù)，能夠呈現(xiàn)觀測(cè)截面上的物質(zhì)分布圖像，是一種具有非侵入性和非破壞性的流體模擬成像技術(shù)。本文利用ECT方法，模擬泥石流流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)可視化監(jiān)測(cè)。

泥石流；ECT；圖像重建

由于泥石流是復(fù)雜的多相流體，并且現(xiàn)今人們對(duì)其成因及作用機(jī)理并不十分了解，如果能夠進(jìn)行過程成像監(jiān)測(cè)，那么將對(duì)其成因及機(jī)理研究起到巨大的作用。而過程監(jiān)測(cè)技術(shù)，尤其是ECT技術(shù)由于其特有的優(yōu)勢(shì)，可能將在泥石流檢測(cè)方面發(fā)揮重要的作用。ECT技術(shù)的測(cè)量原理是基于多相流體各分相介質(zhì)具有不同的介電常數(shù)，當(dāng)各相組分濃度及分布發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起多相流混合體等價(jià)介電常數(shù)的變化，從而使其測(cè)量電容值隨之發(fā)生變化，電容值的大小反映多相流介質(zhì)相濃度的大小和分布狀況。因此，電容值的大小可以作為多相流濃度的變量。采用多電極陣列式電容傳感器，其各電極之間的相互組合可提供反映多相流體濃度分布的多個(gè)電容測(cè)量值，以此為投影數(shù)據(jù)采用合適的圖像重建算法，即可重建被測(cè)區(qū)域內(nèi)多相流介質(zhì)分布狀況的圖像。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)臺(tái)整體結(jié)構(gòu)包括：模擬泥石流坡路的管道、ECT測(cè)量系統(tǒng)以及物料循環(huán)利用的輔助設(shè)備（如圖1所示）。模擬泥石流的實(shí)驗(yàn)用油從坡度可調(diào)的管路流下，流量可調(diào)，在球狀，柱狀容器中注入酒精和濕沙用于模擬漿體流中的固體塊狀物質(zhì)，ECT傳感器對(duì)管道內(nèi)漿體流進(jìn)行實(shí)時(shí)可視化測(cè)量，可觀察固體塊狀物位置，計(jì)算其運(yùn)動(dòng)速度。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

2 圖像重建算法

本文采用線性反投影算法（Linear Back Projection,簡(jiǎn)稱LBP）作為圖像重建算法[2]。目前，ECT系統(tǒng)中使用的是基于全靈敏度信息為權(quán)值的濾波LBP法，該算法基于以下2點(diǎn)假設(shè)：

1）假設(shè)電介質(zhì)分布對(duì)電容靈敏度分布的影響很小，可以忽略；

2）假定被測(cè)電容的任何變化都是介電常數(shù)在整個(gè)管道截面上與靈敏度值成比例的變化所致。

這樣LBP法所重建的圖像中第k個(gè)象素的灰度值G(k)表示如下：

式（2.1）中N為極板數(shù)目，Ni,j為i-j極板對(duì)的歸一化電容值，Ci,j為i-j極板對(duì)的電容值，分別為管道被低介電常數(shù)相εl和高介電常數(shù)相εh充滿時(shí)i-j極板對(duì)間的電容值。Si,j(k)為第k個(gè)象素相對(duì)于i-j極板對(duì)的靈敏度值。

LBP算法表達(dá)如下：

為減少LBP算法本身所帶來的邊緣模糊現(xiàn)象，還需對(duì)G(k)設(shè)置一門限濾波，設(shè)灰度值范圍為0～255，則：

式（2.3）中，η為門限濾波值，由下式確定：

式（2.4）是由數(shù)值實(shí)驗(yàn)所確定的經(jīng)驗(yàn)公式，式中AVG 為平均算子。

該方法具有簡(jiǎn)單、計(jì)算量小、速度快等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

3.1 物塊位置的判斷

由于ECT為可視化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)，因此既便于對(duì)泥石流的及其強(qiáng)度的匯報(bào)，以進(jìn)一步采取措施，又便于本實(shí)驗(yàn)中直接讀出其位置。下面通過圖像直接讀出其位置。

3.2 物塊經(jīng)過兩傳感器所經(jīng)過的距離

由于沿管道方向，兩傳感器間的距離僅為，因此可將物體所經(jīng)過的軌跡近似看出是直線，即只需知道兩傳感器的圖形截面中同一物體所在空間位置，根據(jù)下面公式即可算出物塊所經(jīng)過的距離，注意，截面圖中的坐標(biāo)總刻度為40×40，而實(shí)際管道為15×15cm2，所以 ：

3.3 物塊經(jīng)過兩傳感器所經(jīng)過的時(shí)間間隔

由于實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)時(shí)，均為3000幀圖像，程序運(yùn)行29s，這樣每?jī)蓭瑘D像的時(shí)間間隔為29/3000s，根據(jù)3.4中所選不同圖像的幀數(shù)差即可算出同意物塊經(jīng)過兩傳感器的時(shí)間間隔：

3.4 物塊經(jīng)過兩傳感器所經(jīng)過的平均速度

根據(jù)下面公式即可世界算出速度：

4 結(jié)論

本文采用大粘性流體—油模擬泥石流流動(dòng)過程，經(jīng)過ECT系統(tǒng)處理，可觀察到高分辨率的管道內(nèi)部漿體流分布圖像，可進(jìn)行速度、位置等的計(jì)算測(cè)量，為泥石流試驗(yàn)研究提供了有效可行的手段，對(duì)研究泥石流的機(jī)理有重要意義。

[1]夏其發(fā).山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測(cè)和防治(三).

[2]雷兢.多相流的電容層析成像圖像重建研究.中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所博士學(xué)位論文，2008.

P642.23

A

1674-6708（2010）23-0196-02