comsol与matlab的气液两相流超声成像仿真【字数：17073】
comsol与matlab的气液两相流超声成像仿真[160515130934287x]
在工业生产和科学研究中，过程层析成像技术越来越受到人们的重视。过程层析成像技术对于评估非接触式实时监测的安全可靠性和理解两相流的原理具有十分重要的意义。该技术不但能保证生产过程的安全高效进行，还能提高产品质量。而透射式超声层析成像更是因为其快速安全和高精度成像的特点成为近年来的一个研究热点。本论文主要针对气液两相流中超声层析成像技术的应用，其内容涉及了COMSOL仿真、二值逻辑反投影算法和MATLAB软件进行图像重建三部分，并基于此进行了探讨。首先，基于气液两相流在声阻抗分布上的高对比度，认为气液两相流是一种强非均匀介质，分析了透射式超声层析成像对实时监测液体中气泡分布情况的应用以及存在的问题，并建立了透射式超声技术的阵列结构。接着，通过COMSOL软件进行探测区域的声场仿真获得声压分布，并提取和处理声压级数据，得到信号矩阵。然后，介绍了二值逻辑反投影图像重建算法，并针对其应用于超声成像系统时存在一定的局限性和成像误差，分析了一种改进的二值逻辑反投影图像重建算法，以便在快速成像的同时能获得更好的图像精度。最后，将信号矩阵数据导入MATLAB软件，结合改进的二值逻辑反投影算法进行图像重建，获得了较好的重建图像，验证了算法的可行性。为了方便，设计了一个GUI 面板。目 录
1. 绪论 1
1.1本课题的研究背景及其意义 1
1.2目前国内外研究现状 2
1.3本文的主要工作和组织结构 3
1.3.1本文的主要工作 3
1.3.2本文的组织结构 4
2. 超声技术的层析成像测量理论 5
2.1超声及其特征量介绍 5
2.1.1声压 5
2.1.2声强 5
2.1.3声衰减 6
2.1.4声压级与声强级 6
2.2透射模式超声层析成像技术介绍 6
2.3透射式超声技术的阵列结构 7
3. 利用COMSOL软件的气泡声场模拟 10
3.1软件COMSOL Multiphysics 简介 10
3.2运用COMSOL中的声 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
学模块对圆柱体超声波声场的模拟 11
3.2.1 模型定义 11
3.2.2 网格划分 12
3.2.3 求解过程 12
3.2.4 不同气泡分布下的声场仿真结果 13
3.3探测区域边界的声压级提取 17
3.3.1声压级提取 17
3.3.2数据处理 18
3.3.3信号矩阵 22
4. 二值逻辑反投影图像重建算法 25
4.1二值逻辑反投影图像重建算法 25
4.2改进二值逻辑反投影图像重建算法 26
4.3三角形判断法则 28
5. 利用MATLAB软件进行图像重建 31
5.1GUI功能面板的设计 31
5.2不同气泡分布下重建结果 31
5.3误差与算法性能分析 32
6. 结论和展望 34
6.1结论 34
6.2展望 34
6.3对环境及社会可持续发展的影响 34
参考文献 36
附录 38
附录1：UPT重建主程序相关功能代码 38
致谢 42
1. 绪论
1.1本课题的研究背景及其意义
在自然世界和工业化生产中，管道液体中存在其他物质混合流动的现象很常见，我们把这种现象称作两相流或多相流[15]。航空航天、石油化工、机械制造等工业生产过程中，两相流或多相流介质极为常见，比如气/固两相流的管道运输以及油/气/水多相流的石油工业过程[68]。由此可见，对多相流进行检测十分重要。由于工业生产需求的提升，两相流参数检测技术研究得到国内外学者的普遍重视。科研者在了解被测参数二维、三维分布的情况下，可以更准确地了解工业生产过程（两相介质）的实际情况，实现某些参数的准确计量和分析，这有助于优化过程操作，深化理论研究，对科学研究和工业生产有重要的理论和工程意义。
近年来，过程参数检测技术在工业生产和科学研究中所占据的地位越来越重要[9,10]。随着工业技术的发展和对产品质量要求的提高，对过程参数进行连续监测和控制的要求也越来越高。就目前而言，对两相流进行参数检测极其困难，因此两相流参数检测在国内外都尚属一个急待研究探索的领域。国内外研究人员均做了大量研究工作，目前在解决过程参数检测问题上通常可以应用一些经验模型，但是在研究复杂工业问题过程中，这些是远远不够的。
在工业中对两相流参数的检测最早使用两种方法，相分离法和人工化验法。这两种方法均有自动化水平较低的缺点，导致测量结果有很大误差，因此后期研究人员逐渐探究过程层析成像技术来解决该测量问题。
过程层析成像技术是一种用于多相流在线检测的方法，采用非接触式测量来获得过程参数，由于多相流内部结构复杂且难以直接进行测量，因此过程层析成像技术这样的非侵入式测量技术得到了相关研究人员的重视。根据获取信号手段以及传感机理的不同，目前将层析成像技术分类为光学成像、电学成像、超声成像和核磁共振成像等[1117]。其中，超声成像由于其成本低廉，无电离辐射等优点，目前正逐渐发展为行业的研究热点[18]。
超声成像方法具有装置简单，成本较低的优点，它对被测对象的电学和光特性没有特殊要求，可穿过高浓度或光学不透明介质，不易受“软场效应”影响[1921]。另外，超声成像可以将超声声场分布有效地控制在一定范围内，有比较明确的重建图像物理意义，成像精度较高。尽管超声层析成像测量技术具有高鲁棒性、快速安全以及精度较高的特点，但在工业应用中，往往需要满足具有较好的实时性这一要求。对于这一方面要求检测换能器阵列能够快速反应，自动扫描和切换，快速进行信号处理；同时也要求成像重建算法简单实用、快速有效。将透射式超声过程层析成像技术应用于气液两相流在线监测系统时，考虑到投影数据阴影部分与成像物体的不连续分布状况间存在内在联系，由此便提供了一种反演截面图像的途径。
1.2目前国内外研究现状
过程层析成像(PT)技术这一名词术语的提出只是近二十几年的事，然而，有关它的科学研究早在70 年代中期就已经开始了。自1972 年第一台CT机被英国人G. N. Hounsfield研制成功，使得PT技术在医学诊断中得到广泛运用。相关研究人员意识到该技术在无损检测领域有巨大的潜力，并进行了大量实验性研究，研究取得了跨越性的进展。
1997年，天津大学徐立军博士[1]深入研究了透射式超声层析成像技术在气/液两相流截面分布状况的在线监测应用问题，提出了实时二值逻辑反投影图像重建算法。该方法一共采用42个换能器组成一个超声换能器阵列（如图1.1所示），其中6个发射探头T，其余为接收探头R。实验结果表明，该成像系统和重建算法可得到较清晰的气泡轮廓图。
2001 年，日本学者M.B. Utomo等人[22]利用透射式超声层析成像原理和迭代滤波反投影的方法研究了在浆态下鼓泡塔的截面颗粒分布情况。2007 年，马来西亚学者Rahim[23]提出了混合二值逻辑反投影算法，并利用其设计的透射式超声换能器阵列结构（如图1.2所示）进行图像重建，发射换能器和接收换能器均匀的设置在管道周围，图中蓝色为发射换能器Tx，红色为接收换能器Rx。运用该系统进行图像重建，结果表明，混合二值逻辑反投影算法的重建结果优于线性反投影算法。2008年，上海大学温君芳等[2]运用以矩量法为基础的Born迭代算法进行重建图像，提高了图像重建精度，并在以水为介质的钢和铝材料截面图像中通过仿真进行了验证，证明了算法的可行性。
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