周 磊，劉 石

1.華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京 102206

2.華北電力大學控制與計算機工程學院，北京 102206

利用電容層析成像監(jiān)測泥石流

周 磊，劉 石

1.華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京 102206

2.華北電力大學控制與計算機工程學院，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，會對人民生命、財產(chǎn)造成嚴重的危害。因此，對泥石流的監(jiān)測尤為重要。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，能夠呈現(xiàn)觀測截面上的物質(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。本文利用ECT方法，模擬泥石流流動，實現(xiàn)可視化監(jiān)測。

泥石流；ECT；圖像重建

由于泥石流是復雜的多相流體，并且現(xiàn)今人們對其成因及作用機理并不十分了解，如果能夠進行過程成像監(jiān)測，那么將對其成因及機理研究起到巨大的作用。而過程監(jiān)測技術，尤其是ECT技術由于其特有的優(yōu)勢，可能將在泥石流檢測方面發(fā)揮重要的作用。ECT技術的測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)，當各相組分濃度及分布發(fā)生變化時，會引起多相流混合體等價介電常數(shù)的變化，從而使其測量電容值隨之發(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電容測量值，以此為投影數(shù)據(jù)采用合適的圖像重建算法，即可重建被測區(qū)域內(nèi)多相流介質(zhì)分布狀況的圖像。

1 實驗裝置

實驗臺整體結(jié)構(gòu)包括：模擬泥石流坡路的管道、ECT測量系統(tǒng)以及物料循環(huán)利用的輔助設備（如圖1所示）。模擬泥石流的實驗用油從坡度可調(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傳感器對管道內(nèi)漿體流進行實時可視化測量，可觀察固體塊狀物位置，計算其運動速度。

圖1 實驗系統(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值的濾波LBP法，該算法基于以下2點假設：

1）假設電介質(zhì)分布對電容靈敏度分布的影響很小，可以忽略；

2）假定被測電容的任何變化都是介電常數(shù)在整個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極板對的歸一化電容值，Ci,j為i-j極板對的電容值，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i-j極板對間的電容值。Si,j(k)為第k個象素相對于i-j極板對的靈敏度值。

LBP算法表達如下：

為減少LBP算法本身所帶來的邊緣模糊現(xiàn)象，還需對G(k)設置一門限濾波，設灰度值范圍為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)值實驗所確定的經(jīng)驗公式，式中AVG 為平均算子。

該方法具有簡單、計算量小、速度快等優(yōu)點，得到了廣泛應用。

3 實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

3.1 物塊位置的判斷

由于ECT為可視化實時監(jiān)測技術，因此既便于對泥石流的及其強度的匯報，以進一步采取措施，又便于本實驗中直接讀出其位置。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，截面圖中的坐標總刻度為40×40，而實際管道為15×15cm2，所以 ：

3.3 物塊經(jīng)過兩傳感器所經(jīng)過的時間間隔

由于實驗采集數(shù)據(jù)時，均為3000幀圖像，程序運行29s，這樣每兩幀圖像的時間間隔為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，可進行速度、位置等的計算測量，為泥石流試驗研究提供了有效可行的手段，對研究泥石流的機理有重要意義。

[1]夏其發(fā).山區(qū)地質(zhì)災害的預測和防治(三).

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

P642.23

A

1674-6708（2010）23-0196-02