范文一：计算机层析成像技术及其在化工多相流测量中的应用

第１９卷第４期２００５年４月

化工时刊

ＣｈｅｍｉｃａＩＩｎｄｕｓｔｒｖＴｉｍｅｓ

ＶＯＩ．１９．ＮＯ．４ＡＯｒ．４．２００５

计算机层析成像技术及其在化工

多相流测量中的应用

李保华

刘跃进

韩路长

李毅斌

（湘潭大学化工学院，湖南湘潭４１１１０５）

摘要介绍了射线、电容、电阻和超声波４种计算机层析成像技术的测量原理和在化工多相流测量中的应用，并讨论了它们的发展现状及存在的一些问题。关键词

计算机层析成像技术

多相流

测量

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计算机层析成像技术（ｐｕｔｅｒｉｓｅｄ

Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ，

这些测量对深入揭示多相流分相分布、流体流动的基本规律具有重要的意义，同时对生产过程的管

简称ｃＴ技术），是２０世纪７０年代初首先在医学工程上得以成功应用并蓬勃发展起来的一项新技术。它

理、控制和运行也有直接的参考价值。本文介绍射

线、电容、电阻和超声波４种计算机层析成像技术的测量原理和在化工多相流测量中的应用，结合国内外研究者应用ｃＴ技术在多相流测量方面所做的工作，对近期发展现状及存在的一些问题做一些分析和评述。

的出现不仅使医学技术发生革命性飞跃，而且还促进

了计算机的应用，对各学科领域理论的研究和发展也起了积极的推动作用。目前，ＣＴ技术在临床医学诊断和病理研究方面取得很大的成功，并且被运用到石油、化工、航天、天文学、地质勘测、地震学、无损探伤检测等领域－１ｑＪ。计算机层析成像技术在化工多相流测量中的应用主要表现在：①提供被测流体在管道或容器某一截面的直观实时图像，用于识别和判断流型；②确定分散相的颗粒尺寸和运动轨迹等微尺度参数；③通过对图像的处理和分析，可得到分相的浓度分布；

Ⅱ盐篡垫星堑盛堡夔查笪基查壁堡

计算机层析成像系统一般由敏感部件的空间阵列、数据采集单元、信号处理、图像重建及解释分析单元、图像成像显示单元等４大部分组成。其工作原理是：安装在容器或管道上的某个截面上的敏感部件空

收稿日期：２０（）４．１２．．２４

作者简介：李侏华（１９，６，），男．硕上，研究方向：多相流反应』：程；刘跃进（１９５８～），教授，博导．研究方向：多相流反应工程，粉体材料工程。Ｅ

ｎｌａｊｌ：ｘｄｌｙｊ＠１６３㈣ｎＩ

一４２

万方数据　

李保华等计算机层析成像技术及其在化工多相流测量中的应用

２００５．ＶｏＩ．１９，Ｎｏ．４

间阵列，对被测物场形成二维的分布状况的投影信息，并输出相应信号，经信号处理电路后，输入计算机数据采集，数据采集的采样速度必须足够快，以保证一次完整扫描时间间隔内多相流体各相组分相分布基本无变化。经处理的数据信号输入到图像重建单元，运用重建算法对容器或管道截面内各相组分进行空间定位。图像解释和分析可视为对重建图像进行翻译的过程，根据图像重建后获得的关于容器或管道截面各局部区域的原始信息，通过相应的数学分析和处理，给出测量所需的各种检测参数值和表征被测流体各相组分分布状况的数字图像各像素的灰度值。最后根据图像解释单元给出的数字图像灰度值和所需的各检测参数值，在计算机显示屏上显示出反映容器或管道截面内多相流体各相分布的实时图像以及其它有关的测量信息，一般的计算机层析成像系统如图１所示：

图１计算机层析成像技术系统的基本构成

经过几１０年的研究和发展，计算机层析成像技流中ＣＴ技术研究比较热门的是射线［４“］、电

容［４儿９Ｉ、电阻［７、１０一１１和超声波［７、１２～１３］层析成像技

术。另外最近几年也有应用核磁共振技术、电磁技术、核电子发射技术的层析成像为数不多的报道［１４～１８｜。

１．１

射线层析成像

射线层析成像主要是ｘ一射线或丫一射线成像。

４Ｉ。利用ｘ～射

万　

方数据图，它采用的是一个１００ｍＣｉ的Ｃｓ一１３７辐射源和多个探测器旋转的方式，按照空问分辨率将反应的横截面划分很多个像素小区间，发射出的７一射线以直线穿过这些像素区间被吸收，未被吸收被排成扇形的多个ＮａＩ晶体探测器所接受。这样通过平移和旋转可测得近万条辐射线可做为图像重建的投影数据进行图像重建。图３就是通过ｃＴ扫描而得到的气液搅拌釜的截面数字彩色图像。

图２ＣＴ扇形射线扫描示意图

图３通过ＣＴ扫描得到的气液搅拌釜的

截面数字彩色图像

利用多束ｘ一射线或了一射线测量气液两相流

ＶｕｏｎｏｕｏＪ等人研究了气液两相流空隙率测量及流

ｃｕａｉ鼬ｍ，研究了气固流化床动力学和Ｊ等将ｘ～ｃＴ技术应用一４３——

术在多相流测量中已经取得令人鼓舞的研究成果。根据获取信息和传感方法的不同，目前国内外在多相空隙率、流型的辨别以及用ｘ射线研究气固两相颗

粒运动状况的有关技术报道。ｘ一射线或７一射线层

析成像在化工多相流中国外有典型的研究：１９８０年，

Ｄｅ

其测量原理是依据射线穿越不同密度的流体所产生

型辨别；１９８１年，Ｈａｕ［加］采用７一射线层析成像技术

与常规Ｐｉｔｏｔ管相结合，测量气液两相质量流量并重建出管道截面图象；Ｃｍ砒ｈｅｒ等采用多７一射线源和多固态检测器构成的层析成像系统，对气力输送下的粉粒体浓相质量流量以及流动模型进行了初步的研究；１９８５年Ｍａｃ参数检测；１９８７年，Ｂａｎｂｏｌｚｅｒｌ２２于流态化反应器的参数和流动状态监测，１９９４年，

的衰减作用不同而成像。ｘ一射线或丫一射线源发出

的射线通过不同密度的多相流体时，符合射线衰减的Ｂｅｅ面ａｒ¨ｂｅｒｔ定律，／，０＝ｅｘｐ（一ｐ弘１）ｌ线或ｙ一射线对管道或过程容器内的多相流流体进

行３６０度扫描得到测量信号，然后通过对信号的数学统计处理和计算机图像重建，即得到被扫描截面分相分率的数字彩色图像。图２为ｃＴ扇形射线扫描示意

２００５．ＶＯＩ．１９，ＮＯ．４

Ｋｕｍａｒ，ｓ．Ｂ．心３Ｊ利用射线成像技术来测量鼓泡塔中的相含率分布以及流动模型；１９９７年，ｓｈｏｌｌｅｎｂｅｇｅｒＬ２４ｏ使用丫技术测量鼓泡塔径向局部气含率；１９９９、２０００年

ｖｅｅｒａｃ心５以６Ｊ测量搅拌鼓泡反应器内气含率的径向分

布等。随后的几年国外研究人员用层析成像技术对鼓泡塔的相含率研究比较多。最近，国内北京石油化工学院的靳海波博士用７一射线透射技术测量气液鼓泡塔内气含率的轴向分布，但是只是测得射线透过截面某一弦长的局部气含率，并没有对其图象重建【２７｜。因此，采用了一射线源多探测器对鼓泡塔内截面气含率分布的测量还有待进一步的研究。

射线层析成像技术的优点是：①是一种无接触式测量技术，因此不受温度、压力和流体非透明和浓度的限制；②适用范围广，无论是气固、气液、液固都适用；③重建的图像精度高，这主要是通过３６０。不同角度的扫描，获取足够多的数据以及精度高的图像重建算法。其缺点是：①有一定辐射安全问题；②要获得多相流的瞬时图像、捕捉动态过程信息，则对信号的采集和处理提出很高的要求，从而使仪器设备成本大大增加，在化工多相流中测到的一般是多相流分相分率的时均值。

１．２超声波层析成像

超声波层析成像是目前广泛研究的一种层析成像，它以超声波作为扫描源，利用被测介质对入射声波的吸收和散射效应所引起的入射声波幅值的衰减；声波在不均匀介质中传播时，其传播速度随介质不同而发生的变化：不均匀介质引起散射声场的幅值和相位的同时变化等等，从不同的角度和方向对物场进行扫描测量而获得管道或过程容器截面的投影数据，最后重建截面介质分布图像。

根据超声波和被测介质相互作用机理不同，可将超声波层析成像分为３类：透射模式层析成像、衍射模式层析成像、反射模式层析成像。其中反射、透射模式层析成像应用比较多。ｗｅｉｇａｎｄ旧副等人在１９８９年提出反射模式的超声波成像系统对气液两相进行实时成像和参数测量：德国的Ｍｅｓｃｈ拉９Ｊ等在气液两相流泡状超声波层析成像系统德研究取得了一定的成功；ｓｃｈｌａｂｅｇｌ３０Ｊ等采用３６个环状超声传感器陈列构成反射模式超声波层析成像系统；Ｇ．Ｊ．Ｂｒｏｗｎ＿３¨等人讨论了将透射模式超声层析成像技术用于气固两相流流型辨识。国内方面，天津大学徐苓安教授等研制的

一一

４４

一一

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方数据化工纵横《Ｃｏｍｍｅｎｔｓ＆Ｒｅｖｉｅｗｓ

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透射模式超声波层析成像系统，可用于气液两相泡状流体分布的监测１１２｜。

由于超声波是一种机械波，与光波、电磁波比较超声波在介质中的传播速度较慢，因而在应用过程中，系统实时性较差难以对高速多相流体进行实时测量，而且超声波灵敏度分布场易受多相介质分布的影响。此外传统的反投影算法在成像质量上有待进一步提高和改善，为了改善传统的反投影算法所造成的图像失真，一般采用二进制滤波逻辑反投影算法。另外从原理上讲超声波层析成像技术能适用于大多数工业多相流生产过程的参数检测，它是一种非辐射性技术、安全性高、成本较低的测量方法，其工业应用前景被很多研究者看好。１．３电学层析成像

电学层析成像主要包括电阻、电容和电磁感应层析成像技术３大类。有关电磁感应层析成像技术在多相流参数检测领域应用的文献相对较少【３川，这里介绍电阻、电容层析成像技术。

电阻层析成像（ＥＲＴ）是２０世纪８０年代末期发展起来的并广泛应用的一项层析成像技术。ＥＲＴ（Ｅｌｅｃ．

ｔｒｉｃａｌＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ

Ｔｏｍｏｇｍｐｈｙ）的实质就是运用一个物理

可实现系统完成对被测物场特性分布厂（ｒ，牵）的Ｒａｄｏｎ变换和Ｒａｄｏｎ逆变换１３２｜。系统的工作过程就是根据特殊设计的敏感器阵列获得的物质信息（边界测量电压），去求取物场内部的电压分布投影数据，再采用定性／定量的图像重建算法求出被测物场的图（电导分布信息），进而从重建图像信息中提取物场的特征参数，为过程检测和控制提供依据。目前统一采用的工作方式为交流电流激励、电压测量。国内外研

究者主要在敏感电极阵列的优化设计，硬件电路性能

的提高，图像重建算法的改进，应用性的开发方面进行研究。ｗａｎｇ【３３Ｊ等人利用ＥＲＴ技术对气液两相流在搅拌容器中的混合过程进行了测量。美国（ｕｎｉｖｅ卜

ｓｉｔｙｏｆ

Ａｒｉｚｏｎｓ）的Ｄ．Ｊ．ＬａＢｒｅｃｑｕｅ等人将ＥＲＴ应用于环

境监测、与整治的研究ｒ川。

电容层析成像，ＥｃＴ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ

ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅＴｏｍｏｇ—

ｍｐｈｙ）是２０世纪８０年代末，９０年代初提出的一种新的层析成像技术。电容层析成像技术测量多相流参数原理是基于多相流各分相的介电常数的不同，通过设置在设备壁面上均匀分布的传感器电极阵列形成测量截面，当各相流体组分浓度发生变化时，会引起

李保华等计算机层析成像技术及其在化工多相流测量中的应用

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多相流体系等价介电常数的变化，从而使其测量电容随之发生变化，得到不同电极间的电容值，（图４为８电极ＥｃＴ的测量原理示意图）。最后将测量得到的电容值作为投影数据，经过计算机图像重建处理，得到数字图像结果。

图４

８电极ＥＣＴ的测量原理示意图

ＥｃＴ技术是较早被研究的技术，早在１９８８

年英国曼彻斯特大学理工学院率先研制成功一种构造简单、价格低廉、动态响应好，且不与被测介质直接接触的８极板电容层析成像系统模型，采用简便反投影算法，用水和沙子分别模拟两相流静态模型，取得初步结果；１９９０年该系统发展成为１２电极，并配备了Ｔｍｎｓｐｕｔｅｒ阵列式处理器来对数据进行并行处理以提高系统的实时性。

同时，美国能源部也于１９９０年研制成一种在线监测流化床内物料密度三维分布的电容层析成像系统。国内对电容层析成像技术也进行了初步的研究，并取得了一定的成果旧Ｊ。清华大学张宝芬教授等采用有限元分析法，对传感器敏感场及不同流型对应的电容值进行了仿真计算，对图像重建过程中的图像失真和电容传感器“软场”特性进行了相关分析，为传感制作及相应的图像重建算法提供了理论依据。浙大黄志尧博士提出了一种多相流流型模糊判别方法，取得了较好的实验结果。电容层析成像技术在油气水、气液固三相流参数检测方面也有文献报道旧４｜。

电阻、电容层析成像系统具有成本低、响应速度快、非侵人性、安全性能好（非辐射），应用广泛等优点。但是由于传感器的设计与选择的难度要求高，而且检测场是“软场”，其应用将受到一?定的限制。

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方数据根据多相流工业生产过程参数在线测量的要求，从应用角度而言，一个完善的层析成像多相流参数检测系统，应具备以下几个特点：

①层析成像系统的成本应该是较低、安全性要好，适用范围要广泛，便于推广。

②层析成像的检测系统应具有高的抗干扰性和可靠性，能适应各种操作环境。

③层析成像系统的硬件和软件结构应尽可能的简单，便于使用、维护和管理。

④实时性要好，能适用于工业现场在线测量。参数测量精度和图象重建质量应满足工业的不同要求。

ｘ一射线、７一射线层析成像技术的最大优势在

于敏感场是硬场，投影数据多，重建图像质量相对高，并且具有可借鉴的成熟的医学ｃＴ技术，在多相流相分率测量方面得到广泛的应用。虽然其具有辐射性，

但是近年来人们在系统的安全性、实时性等方面都有所改进。电容层析成像（ＥｃＴ）和电阻层析成像（ＥＲＴ）具有成本低、实时性好、非接触或非侵入、系统结构简单、非辐射安全可靠等优点。但它们检测场是软场，其检测值易受多相流体流动状态的影响，还会受到外电场引起的杂散电容的干扰，影响了图像重建精度。超声波层析成像（ｕｃＴ）技术成本较低、非辐射无安全防护问题，实时性较好、图象重建质量也较高。综上所述，这些测量技术都不同程度的存在某种局限性，在实际应用过程中可以根据其特点结合实际情况适用。

通过对各种层析成像技术的分析，一个完善的层析成像系统在多相流参数检测中必须具有成本低、应用范围广、实时性强、可靠安全等特点。相信随着社会经济、计算机技术、传感器技术、信号采集处理技术的不断发展，最终将能克服上述困难，从而建立起低成本、安全、快速、高分辨率、能实现实时监测的高质量可视化数字图像多相流测量系统，层析成像技术在多相流领域将得到广泛的应用和发展。

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中石化淮安采输卤工程投产

２００５年３月１８日，中石化江苏石油勘探局淮安采输卤工程正式投入生产运行。新建成投产的中石化淮安采输卤工程是淮安市江阴区实施岩盐资源规模开发、加快推进盐化工产业化发展的重点工程，投资总额为２．７１３３亿元，是中石化江苏石油勘探局在非烃类领域投资建设的最大项目。中石化淮安采输卤工程从淮阴区赵集镇采集地下卤水，通过管道输往中石化南化连云港碱厂，管道总长１７０ｋｍ，每年的采输卤能力为３６５万ｍ３。

国家特种超细粉体中心学术委员会南理工成立

２００５年３月１９日至２０日．国内一批材料科学界资深院士、权威学者汇聚南京理工大学，共同探讨我国超细化技术发展与工程化问题。国家特种超细粉体工程技术研究中心学术委员会同时在南理工正式成立，包括１４名院士在内的１９名国内著名学者

加盟。

国家特种超细粉体工程技术研究中心是于２００２年初经国家科技部批准，依托南京理工大学组建而成，主要开展军民两用特殊材料的超细粉体技术研究开发及工程产业化，现已获得多项重大科技成果。

泰州列入国家医药出口基地

泰州市今年作为江苏省唯一的城市上报国家商务部，已被初步列为首批ＩＯ～１２家国家医药出口基地之一。２００４年，泰州市医药产业实现销售、利税、利润分别占全省的２６％、２３％和２４％，有４家医药企业利税超亿元，

（沈镇平）

一４６—

万方数据　

计算机层析成像技术及其在化工多相流测量中的应用

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

李保华， 刘跃进， 韩路长， 李毅斌， Li Baohua， Liu Yuejin， Han Luchang， Li Yibin

湘潭大学化工学院,湖南,湘潭,411105化工时刊

CHEMICAL INDUSTRY TIMES2005,19(4)2次

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本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_hgsk200504018.aspx

范文二：X射线计算机层析成像技术在多相流中的应用

X 射线计算机层析成像技术在多相流中的

应用

摘要：流动成像是多相流研究时的一项重要实验手段。当流体和容器是透明的并且离散相的相含率比较低，可以直接利用普通的高速摄影仪得到实验所需要的图像。但是当流体不透明或者容器不透明或者相含率比较高时，就需要一种成像技术来满足流动成像的需求。非侵入式的流动成像技术能够提供高质量的多相流流动图像且不改变内部的流场。其中，X 射线计算机层析成像技术是常用的一种非侵入式流动成像技术，能够为多相流的研究提供高质量的图像和大量的实验数据。本文简要介绍了X 射线计算机层析成像系统的组成和特点及其在多相流领域的应用。

关键词：多相流X 射线层析成像成像技术

中图分类号：O434.1文献标识码：A 文章编号：

The application of X-ray computed tomographic imaging

technique in multiphase flow

Abstract:Flow visualization is one of the important experimental means when investigate multiphase flow. It can directly get the needed graphs by high-speed camera when the flow and container are transparent and the volume fraction of dispersed phase were very low. When the flow or the container is not opaque, or the volume fraction of dispersed phase is very high, a new imaging technology for flow visualization is needed. Noninvasive flow visualization technique can provide high quality flow images while do not change the inner flow field. X-ray tomographic imaging technique is one of the common use noninvasive flow visualization technique, which can provide high quality images and numerous experiment dates for visualization. The composition of X-ray computed tomographic imaging technique and its application in multiphase flow was described briefly.

Key words:multiphase flow,X-ray，tomography ，imaging technique

0 引言

多相流广泛存在于石油，化工，矿业，纺织，造纸等工业领域，掌握好多相流的流型，相含率等，对提高生产效率有极为重要的意义[1]。然而，多相流流动的复杂性对其测试技术提出了很高的要求，例如对流场无干扰，时间分辨率和空间分辨率要足够高。

实验室中研究多相流运动特征时常用有机玻璃来做容器。因有机玻璃为透明介质，有利于直接观察到内部的运动状态，所以可以直接用高速摄影仪成像来对多相流的运动进行记录和做进一步地分析。但很多情况下受限于容器或管道的不透明性，例如研究某一铁制管道里的多相流动，便不能直接观察到其内部的流动特征。有两类技术研究这种情况下的多相流流动：一种是侵入式的，利用探针对管内的流动参数进行测量；另一种是非侵入式的，利用磁

场，电场等对多相流动进行测量。

过程层析成像技术(Process Tomography, PT)属于非侵入式的探测系统，在多相流中的研究得到了广泛的应用，可以显示过程参数的二维或者三维分布状况。多相流的主要参数有流型，流量，流速，密度与分相含率。利用层析成像可以检测到多相流体的某个截面的实时图像，可以直接对流型进行辨识；与流速测量技术相结合，可求得多相流体的流量，流速；通过对所得图像进一步处理和分析，能够得到各相组分的局部浓度分布；利用伪3-D 图像重构技术，可以观察到气泡的变化情况。

层析成像技术包含了光学成像(OT)、电磁层析成像(EMT)、电荷感应成像、电阻层析成像(ERT)、超声层析成像(UT)和射线层析成像(CT)等。其中，X 射线计算机层析成像（X-ray Computed Tomography, XCT ）是较为常用的一种层析成像方式，本文将简要地介绍X 射线计算机层析成像系统及其在多相流中的应用情况。

1 X 射线计算机层析成像系统的组成和特点

1.1 X 射线计算机层析成像系统的组成

X 射线层析成像系统通常由射线源，检测器阵列，数据采集系统，扫描机械系统，计算机处理系统五大部分组成[2]。

图1 CT系统组成示意图

Figure 1 CTsystem schematic diagram

工业CT 最常用的射线源是X 射线机和直线加速器，统称电子辐射发生器。同位素辐射源与同步辐射源有时也用到，但主要还是一些专门应用的场合。

工业CT 所用的探测器按照物理结构形态大致可以分为两种主要的类型：分立探测器和面探测器。分立探测器是比较传统的线状排列的探测器阵列。面探测器的各控测单元的射线转换部分不独立，多数情况下是一块“连续的”闪烁屏。

数据采集系统主要指的是从辐射探测器输出直到计算机读入之间的电子电路。数据采集系统包括了探测器输出信号的放大、信号的AD 变换和数字信号的输出。探测器的AD 变换

电路通常都会进行分组。从系统设计的理念上说，应当使数据采集系统对CT 系统的最后性能指标没有影响。

工业CT 的扫描机械系统并不是单纯的载物工作台，而是为了实现工件和射线源-控测器系统之间的相对运动，在不同方位测量投影数据而专门设计的一种数控扫描工作台。

计算机系统要完成的基本工作是采集数据过程的扫描控制、CT 图像的重建和CT 图像的观测、分析和管理。由此决定的了计算机硬件和软件的结构与组成。通常把完成CT 图像重建的计算机称为主计算机。计算机软件是CT 的核心技术，对CT 的性能有重大影响。

1.2 X 射线计算机层析成像系统的原理

X 射线是一种波长范围在0.01~10A 之间、能量极大的电磁波，具有波粒二象性。可见光波长较长，光子的能量很小，照射在物体上时一部分被反射，大部分被物质吸收，无法透过物体；但X 射线的波长短，能量大，照在物质上时，仅一部分被物质吸收，大部分从原子间隙透过，表现出很强的穿透能力。

假设入射X 射线是横断面足够小的单能光子束。在均匀材料x 处选取薄层dx ，若入射x 射线强度为I(x)，出射的x 射线强度为I+dI，如图2所示。当dx 层厚极薄时，一般地有如下关系：

dI =-μI (x ) dx

(1.1)

图2 射线在物质中的衰减

Figure 2Radiation attenuation in the material

前面对材料作了均匀假定，也就是假定了式中I (x ) 和dI 之间的比例因子μ是不随x 变化的常数。式(1.1)中的负号表示X 射线穿透材料以后强度是衰弱的。经过简单的定积分运算，可得到入射和出射的X 射线强度的关系。

I =I 0e -μ?x (1.2) 式(1.2)中，I 0为入射X 射线强度，I 为出射X 射线强度；?x 为厚度；μ被称为材料衰减系数。式(1.2)中说明在均匀材料中窄束单能X 射线光子是按照简单的指数规律衰减的。

层析成像系统的基本原理[3]是：X 射线源和检测器阵列分别在被测物体的两侧，X 射线管每发射一次，检测器阵列就能检测到穿过物体后的射线强度，称为投影数据或投影函数。在整个数据采集的过程中，X 射线管和检测器同步将绕着被测物体旋转一圈。当射线束对整

个平面完成一次扫描后，全部投影数据将被送入计算机进行图像重建，由此获得被测物体的断面图像。若要获得被测物体的三维图像，便需对多个截面进行扫描。

被扫描截面被测物体检测器X 射线源多个截面重构成

三维图像

被扫描截面俯视图

图3断层层析成像原理图

Figure 3Schematic of Radiographic Imaging

X 射线透过物体时会有一定的衰减，记衰减系数为μ。对一个μ值不均匀的物体来说，可假设不同的位置有不同的μ值，现以一个只含4个像素的平面来说明图像重建的过程。

I I 0I 1

I 0I 2

6543

图4矩阵反变换方法的简化例子

Figure 4Simplified example of matrix inversion method

每个像素对应不同的μ值，在水平方向上可建立以下两个方程：

-(μ1+μ4) d I 1=I 0-(μ2+μ3) d I 2=I 0(1.3) (1.4) 式(1.3)中，I 0为入射X 射线的强度；I 1和I 2为透射出来的X 射线的强度；d 为一个像素的宽度。

同理，还可以将在竖直方向与对角线方向上列出类似的方程，只需将其中的4个独立的方程联立求解，便可得μ值的分布。如果被测的点足够多，采用平行束反投影重建算法或者

扇形束反投影重建算法，就能根据这个分布来显示出被测物体的结构。

以上X 射线层析成像原理都是基于物体是静止的，由于多相流流动是不断进行的，需要解决如何在不同时刻获得同一运动物体的投影数据。目前的解决办法是在极短的时间内获得成百上千的投影数据，因此，X 射线层析成像得到的是多相流在一个极短时间内的时均图像。

2 X 射线计算机层析成像算法

由于多相流动有时流动的速度比较快，需要在较短的时间内拍摄大量的图片，并由这些图片去重构所需要的图像，才能获得满足精度的图片。如何在最短的时间内获得更精确的图像，提高多相流的实验精度，对图像的重建算法提出了更高的要求。算法的选择需要综合考虑系统噪声、计算时间、测量数据数、先验知识等因素[4]。

由投影数据重建图像的算法有很多种，可分为两大类[5]，一种是变换重建的算法（解析法），另一种是级数展开重建法，通过对初始假定图像进行数学迭代运算重建二维图像。常见的重建算法有：反投影重建算法，滤波反投影重建算法；直接傅立叶变换重建算法；迭代重建算法。

变换法的优点是速度快，实现简单，对精度足够高的投影数据可以获得比较高的重建质量。国内外的研究人员的工作集中在平等束反投影和扇束等角射线反投影方面[6]。

级数展开法能和特定的成像设备及数据采集物理的特性相结合，并且可以利用某些先验信息（平滑、滤波函数等）。这种方法适合于数据采集过程具有高度统计特性及某些不能获得完整数据集的场合。主要包括了以迭代求解方程组为基础的代数方法和以统计学模型求解为基础的统计方法。

变换法和级数展开各有不同特点，将两者综合起来，以达到优势互补。基本原理是把重建的对象的先验知识运用在图像的重建过程中，用来弥补有限数据的不足，基本的方法是图像迭代重建。

虽然重建算法不一样，但是其本质都是求解多元方程组的解，未知因素是所求断层的每个像素的值，其组成的集合构成一幅断层的图像。已知因素就是方程组的形式和每个方程的输出。因此在这个层面上可将所有的重建算法统一成两个主要的过程：投影以及反投影，所不同的就在于和反投影的计算和利用方式不一样，则各种投影方法表现出不同的特点和适用范围。

3 国内外的应用情况

X 射线计算机层析成像是发展最早的流动层析成像技术之一，现在广泛应用于研究气液两相流的流型、空隙率以及气固两相颗粒运动等。

3.1 国外研究情况

1972年英国人Hounsfield [1]成功研制了第一台X 射线计算机断层扫描成像装置，很快就被应用于医学临床的诊断。受到这种“透射成像”的启发，从事无损探测和过程参数检测技术研究的科研人员便发现了计算机断层扫描成像技术在二维三维分布检测上的潜力。此后，科研人员便开始致力于将这项技术应用于多相流的检测研究中去。

1990年时，Lutra [7]等人第一次将医用的计算机辅助断层成像系统（computer-assisted tomography , CAT) 应用在多相流的成像系统中，观察了30.5cm 高的喷淋床里的玻璃颗粒在水中的运动情况。此时的实验所得的图像还比较粗糙，无法得到更多的实验数据，只能简单地观察内部的颗粒运动情况，图像也较为不清晰。经过多年的发展，X 射线流动层析成像技术已经日趋成熟，科研人员人也通过这项技术得到了更多的研究成果。

Alan Kastengren和Christopher F. Powell[8]利用同步辐射X 射线源研究多相流成像。同步辐射X 射线源可以提供普通实验室的X 射线源所不能提供的高能量，可调谐，单色性的X 射线，可以提供高时间和高空间的分辨率，使得多相流的研究更加方便。

Jean Saayman[9]等用X 射线计算机层析成像观测了内径为14cm 圆柱内的GeldartB 型沙颗粒的流型，分析其截面颗粒浓度，时均颗粒浓度随着速度以及轴向高度的减小而减小，但湍流流型时时均颗粒浓度保持不变。当气泡呈圆柱形状时，气泡的速度快，整个系统呈现弹状流。

SnehlataShakya [10]等人研究了鼓泡塔反应器中的空气、水、聚氯乙烯三相流系统，通过X 射线层析成像技术研究鼓泡塔截面的空隙率：根据坎普尔第一定理(Kanpur Theorem)选取比较好的投影数据用来进行后期的图像重建，根据坎普尔第二定理来重建鼓泡塔的某个横截面的空隙率。分析了不同空气速度下的动态误差。

Vikrant Verma [11]等人利用超快电子束X 射线层析成像对三维流化床中气泡的运动行为进行了研究，并利用双流体模型(two-fluid model, TFM)进行数值模拟，将实验所得数据与数值模拟进行了比较。分析了床料，进气速度，气泡上升速度，气泡大小分布等对流化床的影响。

实验中采用在环状金属靶上通25mA 的电流来产生X 射线，成像速度达到了1000fps ，分辨率可达1mm ，图片大小为128×128像素。实验中总共记录了流化床20s 的运动，所得到的20000张图片利用计算机进行伪3-D 重构，得到的气泡运动图像如图5所示

图5最小流化速度时气泡的伪3-D 图像重构

Figure 5 . Quasi 3-D bubble shape reconstructed from tomographic images at 3.0 U mf for LLDPE particles at

aheight of (a) 39 mm, (b) 50 mm, (c) 89 mm, and (d) 100 mm.

Jeremy L. Hubers[12]等人利用X 射线计算机层析成像技术对半间歇式的鼓泡塔在气水两相流和气、液、固三相流进行了研究。研究表明，当固相（纤维）的质量分数在0.1时，气含率比只有气、水两相流的系统要低得多。

由以上可见X 射线计算机层析成像技术在研究多相流的截面相含率，流型，流速等方面发挥了重要作用。由于其成像速度较快，分辨率也较好，近年来得到了较快的发展。

3.2 国内研究情况

国内对X 射线计算机层析成像系统应用于多相的研究起步比较晚，对其研究的主要方向是后期图像重建算法的改进。

黄海军[13]等用同步辐射X 射线成像成功观测到了金属熔体中的空化气泡，辐射表面附近存在一个气泡多且空化强烈的区域。测量到的气泡最大半径分布规律近似遵循被去掉前端的高斯分布。

天津大学的张志强[14]等人在测量气液两相流时用了X 射线层析成像技术以及新型的网丝传感器，两者的成像速度都达到了2500fps 。通过后期的图像重建，实验比较了6种不同流速下1s 时间内通过z=900mm（X 射线成像的截面），z=908mm（网丝传感器成像的截面）处截面气泡的形状，如图6所示，得到了两相流动的流型。由图中可以看出两种成像技术所得到的图像几乎一致，说明了X 射线层析成像的精度高。 Time / sTime / sTime / sTime / s

图6 XCT和网丝传感器成像（6种不同流动情况下轴向空隙率的分布）

Figure 6Comparison of axial gas fraction distributions between X-ray CT and wire-mesh sensor in six flow cases.

我国学者对X 射线层析成像技术在多相流的应用提出了很多新的图像重构算法。如清华大学的吴昌宁[15]等人提出了和传统X 射线层析成像技术不同的新方法，根据多相流离散特征，基于围绕被测流场有限角度的X 射线投影数据，建立了改进的遗传算法（GA ）求解不完整投影数据的二维图像的重构问题。由图7我们可以看出改进的遗传算法效果更好，即使在更少的投影数据下，也能得到较好的重建图像。

3-angle 4-angle 6-angle 8-angle 12-angle 24-angle

图7不同角度下GA 算法和传统FBP 算法的比较

Figure 7Comparison of reconstruction results under different number of view angles using GA-XCT/FBP

method in the simulations.

4 总结

本文给出了X 射线计算机层析成像技术的基本原理及其在多相流研究中的应用。X 射线层析扫描技术在多相流测量中发挥了巨大的作用，让研究人员得以直接观察到流动的截面情况。过程层析成像技术可以获得不透明管道中的二维截面或三维体积信息，因此在非侵入测量以及恶劣工况中有很高的应用价值[16]。

但该技术也存在着一些不足，比如系统的成本高，建设一套完备的X 射线层析成像系统通常需要耗费大量的资金，限制了对其进行大量的研究；第二个是X 射线基于核辐射成像，对人体有害，且为了提高数据的采集速度和实时性必须加大辐射线的剂量和强度，这对系统的安全性相当不利，研究人员做实验时需要非常谨慎；第三个是整个操作系统比较复杂，需要有一定的技术基础才能够进行操作。

X 射线计算机层析成像技术的发展推动了多相流的研究。但由于该系统成本较高，空间分辨率和时间分辨率有限，要获得高速流动下的可视化图像，仍需对X 射线计算机层析成像技术进行进一步的改进。

由于X 射线计算机层析成像技术的可视化、非侵入等特点，其成像对流场没有影响，使得该技术成为目前多相流参数检测技术研究和发展的前沿和趋势之一。

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范文三：基于计算机层析成像(CT)技术的梁山慈竹密度检测研究

第３４卷，第１２期　　　　　　　　　　　　光谱学与光谱分析２０１４年１２月　　　　　　　　　　　　Spectroscopy and Spectral Analysis Vol .３４，No .１２，pp ３３８０-３３８４

December ，２０１４　

基于计算机层析成像（CT ）技术的梁山慈竹密度检测研究

单海斌１，２，刘杏娥１*，杨淑敏１*，杨　喜１，田根林１，赵德达１

１.国际竹藤中心竹藤科学与技术重点实验室，北京　１００１０２２.宁波大学科学技术学院，浙江宁波　３１５２１１

摘　要　密度是竹材重要的物理指标之一，与竹材的许多物理力学性能紧密相关。采用计算机层析成像（CT ）技术，对２-５年生梁山慈竹（Dendroclamus f arinosus ）的密度时空变异特性进行了系统研究；利用正交试验设计确定了适宜的扫描参数，对其气干密度（Y ）与相对应的CT 值（X ）之间的相关性进行分析研究，建立了线性回归模型（Y ＝０.００１X ＋１.１４８）并验证了该模型的准确性，得出两者之间存在着线性关系；同时利用模型计算出梁山慈竹径向和纵向的密度变化规律。为实现梁山慈竹密度的精准高效检测提供了新方法，也为深入研究竹材的材性和构造提供了新思路。

关键词　计算机层析成像；梁山慈竹；密度

中图分类号：S ７８１.１　　文献标识码：A 　　　DOI ：１０.３９６４／j .issn .１０００-０５９３（２０１４）１２-３３８０-０５

用CT 技术立足于大径级木材的合理下锯以及树木的生长发育机理研究，在检测木材构造、材性等方面已做了大量工作［６-９］。国内运用CT 技术对木材缺陷检测，木材密度和树木

　　竹材生长周期短、更新易、再生能力强，是一种易于实现可持续经营的木材代用资源，因此在我国素有“第二森林”的美誉。密度作为竹材材性的一项重要指标，不仅可以估算其重量、预测其强度、硬度和耐磨性等物理力学性质，而且还能为机械加工利用提供参考，进而推动其高效利用。此外，密度也可反映出竹木材料的生长规律和干物质积累的动态过程［１，２］。目前测量竹材密度的常用方法包括直接测量法（规格样品）、排水法和水银测量容器法等。这些传统测定方法需要制样，其测得结果均为平均密度，不能测得竹材最大密度、最小密度、密度梯度（即密度差／距离）以及竹材密度变异幅度（最大密度与最小密度之差）等，因而存在局限性［３］。此外，竹材作为一种多向异性材料，具有坚固不易制成切片的特点，给深入研究其材性带来很大困难。

计算机层析成像技术（CT ）成像的根本原理是密度成像，即把不同密度的物质对穿透射线（X 线）的衰减系数换算成物质的CT 值，然后用图像的形式显示出来，因而图像上每个象素的灰度值对应于扫描断层中相应的单元体的密度［４］。另外CT 具有穿透力强，分辨率高、检测速度快、检测结果直观，不破坏检测物的物理结构等特点，是木材工业延续至今的研究热点。在瑞典、加拿大等林产工业较发达的国家，采　收稿日期：２０１３-１１-０４，修订日期：２０１４-０３-１８

　基金项目：基本科研业务费专项项目（１６３２０１０００２）和国家公益性行业科研专项项目（２０１３０４５１３）资助　作者简介：单海斌，１９８６年生，宁波大学科学技术学院助教　　e -mail ：shanhaibin ＠nbu .edu .cn

*通讯联系人　　e -mail ：shangke ６２０＠hotmail .com

引　言

生长特性等方面进行了尝试研究［１０-１３］，而CT 技术用于竹材密度的研究鲜有报道［１４］。我们以梁山慈竹为试材，系统研究其气干密度与其对应CT 值之间的关系，分析其纵向和轴向横断面密度变化规律，以期为竹材的优化利用及材性分析，提供理论基础与技术支持。

１　实验部分

1.1　材料

试样采集于四川长宁竹海镇，试样采集和锯解参照GB ／T １５７８０—１９９５《竹材物理力学性质试验方法》。选取正常生长的梁山慈竹，其中２年，３年，４年，５年生各取４～５株，气干。在每株试样的基部、中部和梢部分别截取一段１０mm ×１００mm 的竹条，制成１０mm ×１０mm ×t （厚度）大小的试样，共５７０个试样，称重，计算试样体积及其气干密度（含水率１２％）。

将所采集的试样分成两部分，其中２／３用于建立密度与CT 值的校正模型，余下１／３用于验证。

1.2　试验方法

实验仪器采用美国通用电气（General Electric ，GE ）中国

医疗集团研发中心生产的BrightSpeed Excel ４螺旋CT ，由国际竹藤中心提供。

CT 扫描参数的设定，综合了前人研究成果［１２-１４］，预设了４个扫描电压（８０，１００，１２０，１４０kV ），４个扫描电流（３０，６０，８０，１００mA ）和２个扫描层厚（２.５，５mm ），采用正交实

验设计，得到３２组扫描参数。用这３２组扫描参数对同一试样的相同位置分别进行扫描，同时采用８种重建算法对所获得的扫描数据进行图像重建，一共获得２５６张扫描断层图像（图

１）。

Fig .1　Scanning tomographic images with different scan parameters

　　通过分析对比这２５６张图像的清晰度和分辨率，最后选定的实验扫描参数为：电压８０kV 、电流１００mA 、层厚２.５mm 、重建算法“Bone ”。

　　利用选定的扫描参数，对４个竹龄梁山慈竹试样的基部、中部和梢部被截取竹条处进行CT 扫描，扫描层数为１０层，扫描距离２５mm ，然后建立竹材CT 值与气干密度相关的数学模型。整株扫描选取气干状态下２年～５年生的梁山慈竹的第６，８，１０，１２，１４节，在CT 机上做横断面扫描，读取CT 值，其中每一部位选取１０个连续的横断面断层，每一断层按在竹壁圆环上四等分选取４个方向１，２，３，４，每个方向从竹青到竹黄等距选取三个采样点竹青（C ）、竹肉（B ）和竹黄（A ）（图２）。每一断层取１２个点，每株试材取３６０个CT 采样点。用GE 公司BrightSpeed Excel ４螺旋CT 工作站自带的软件测定采样点处的CT

值。

　　对各竹龄梁山慈竹的CT 值与相应位置实测气干密度进行回归分析，得到其气干密度与CT 值的校正模型，相关系数（r ）为０.８５５，决定系数（R ２）达到０.７３１以上。方差分析表明，梁山慈竹气干密度（Y ）与其CT 值（X ）之间呈现出显著的线性相关，回归方程为Y ＝０.００１X ＋１.１４８（图

４）。

Fig .3　The variation of CT value with age

in Dendrocalamus

f arinosus

Fig .2　The measurement of CT value from

scanning tomographic image

２　结果与讨论

2.1　密度与CT 值模型

梁山慈竹４个竹龄的CT 值介于－３５８.７３～－２７１.８Hu 。其中２年生梁山慈竹的CT 平均值最大，其他三个竹龄的CT 值相差较小（图３）。

Fig .4　Relationship between air -dried density and

CT value in Dendrocalamus f arinosus 　　式中：Y 为竹材的密度值，g ?cm －３；X 为统计所得的竹

2.2　梁山慈竹密度变异性研究

（１）纵向变异特征：对４个竹龄梁山慈竹的基部、中部和梢部进行扫描，通过对扫描所获图像的数据处理分析，得到不同竹龄梁山慈竹CT 平均值的纵向变异，采用所建立的回归方程计算出平均密度，进而推算出该竹龄梁山慈竹纵向密度变化规律（图６）。从图６中可知，虽然不同竹龄密度变化曲线不一，但是其气干密度总体上从基部到梢部呈上升趋势，此密度变化趋势与梁山慈竹实测的气干密度变化趋势相符合

［１６］。

材断层的CT 均值，Hu ；r 为相关系数为０.８５５。

为了进一步验证该回归方程的有效性，建立验证模型，进而分析比较预测值与实测值之间的关系。如图５所示，该回归方程所预测的密度与实测密度的相关系数为０.８７１，表明两者之间无显著差异，验证了回归方程Y ＝１.３８６X －０.４５１的有效性。研究表明，虽然试验材料密度不同，但竹材密度与CT 值之间有统一的数学模型，且这模型与木材密度与CT 值之间的数学模型相似［１２

，１５］。

Fig .5　Relationship density in Dendrocalamus

between predicted density and measured

f arinosus

Fig .6　Longitudinal in Dendrocalamus

variation f arinosus

of density

Fig .7　Radial Dendrocalamus variation of density of 2-y ear -old

f arinosus

Fig .8　Radial Dendrocalamus

variation of density of 3-y ear -old

f arinosus

Fig .9　Radial Dendrocalamus

variation of f arinosus

density of 4-y ear -old

Fig .10　Radial Dendrocalamus variation of density of 5-y ear -old

f arinosus

　　（２）径向变异特征：图７～图１０所显示的分别是２年、３年、４年和５年的梁山慈竹径向竹青、竹肉和竹黄的密度变化曲线，从图中可知梁山慈竹密度由竹青到竹黄呈现出快速下降的趋势，而且不同竹龄的径向密度变化趋势各异。此密度变化趋势与竹壁内维管束由竹青到竹黄逐渐变疏的结构特征相吻合。

３　结　论

　　通过采用计算机层析成像技术（CT ）这一先进的无损检测技术来对梁山慈竹进行无损检测，经对其气干密度（Y ）与

相对应的CT 值（X ）之间的相关性进行分析研究，建立了线性回归模型（Y ＝０.００１X ＋１.１４８）并验证了该模型的准确性。

本研究为实现快速检测梁山慈竹的密度提供了一种精准高效的新方法，而且也为深入研究竹材的材性和构造提供了新思路。对于改进竹产业生产工艺，提高竹产品质量，进一步推广竹材的应用都有重要意义。

由于现阶段CT 设备还存在着成本较高、操作复杂、安全性有待提高和配套软件不完善等问题，将其广泛应用于生产一线还有一定困难，但是作为一种先进的无损检测技术，期待在不远的将来能够发挥更加重要的作用。

References

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［２］　C HENG Jun -q ing （成俊卿）．Wood Science （木材学）．Beijing ：Beijing ：China Forestry Publishing House （北京：中国林业出版社），１９８５．［３］　SU N Yan -liang ，Z HA NG Hou -j iang ，Z H U Lei ，et al （孙燕良，张厚江，朱　磊，等）．Forest Engineering （林业工程），２０１１，２７（１）：２３．［４］　DING Jian -w en ，W A NG Bao -j in ，G U O Xiao -lei （丁建文，王宝金，郭晓磊）．Wood Processing M achinery （木材加工机械），２００８，（４）：

４４．

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［１２］　HA N Shu -xia ，Y U Lei ，KONG Chao ，et al （韩书霞，于　雷，孔　超，等）．Forestry Engineering （森林工程），２００７，２３（１）：１９．［１３］　PENG Guan -y un ，JIA NG Ze -hui ，QIN Dao -chun ，et al （彭冠云，江泽慧，覃道春，等）．China Wood Industry （木材工业），２００９，２３（５）：

１９．

［１４］　PENG Guan -y un ，JIA NG Ze -hui ，QIN Dao -chun ，et al （彭冠云，江泽慧，覃道春，等）．Wood Processing M achinery （木材加工机械），

２００９，（６）：１６．

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［１６］　Y A NG Xi ，LIU Xing -e ，Y A NG Shu -min ，et al （杨　喜，刘杏娥，杨淑敏，等）．Practical Forestry T echnology （林业实用技术），２０１２，

（１１）：９４．

Research on Density Detection in Dendrocalamus Farinosus Based on Computer Tomography

１．International Center for Bamboo and Rattan ，Bamboo and Rattan Science and Technology Laboratory ，Beijing １００１０２，China ２．College of Science and Technology ，Ningbo University ，Ningbo 　３１５２１１，China

Abstract 　Density is one of the important physical indicators of bamboo ，associated with its many physical and mechanical prop -erties ．The temporal and spatial variation of density in ２-５-y ear -old Dendrocalamus f arinosus were measured using computed tomography （CT ）technology ．Scanning parameters were obtained through orthogonal design ．The relationship of air -dry density （Y ）and the corresponding CT values （X ）was established and verified through regression analysis ，which presents an approxi -mate linear relationship between them ．The linear equation is Y ＝０.００１X ＋１.１４８．The radial and longitudinal variation of densi -ty was determined by the regression model ．This study provides a new method to measure bamboo density efficiently and accu -SHAN Hai -bin １，２，LIU Xing -e １*，YANG Shu -min １*，YANG Xi １，TIAN Gen -lin １，ZHAO De -da １

rately ，and also put forward a new thought to further study structure and characteristics of bamboo ．Keywords 　Computed tomography （CT ）；Dendrocalamus f arinosus ；Density *Corresponding authors

（Received Nov ．４，２０１３；accepted Mar ．１８，２０１４）　　

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《冶金分析》2015年征订启事

国内统一刊号：CN １１-２０３０／T F 　　　　　国际标准刊号：ISSN １０００-７５７１国际CODEN ：YEFEET 　邮发代号：８２-１５７国外代号：１５７９M 　京海工商广字第８２７６号

作为冶金领域中权威的分析技术专业期刊，《冶金分析》的办刊宗旨是为广大冶金分析测试工作者搭建

学术交流平台。《冶金分析》由中国钢研科技集团有限公司和中国金属学会主办，国际钢铁工业分析委员会（ICASI ）支持。自１９８１年创刊以来，《冶金分析》以高度的创新精神和严谨的科学态度，动态反映冶金领域分析测试新技术、新方法、先进经验，报导研究成果，发表综述文章，并介绍国内外冶金分析动态等。适合于冶金、矿山、石油、化工、机械、地质、环保、商检等部门技术人员和大专院校师生参考。《冶金分析》是中国科技论文统计源期刊、中国科学引文数据库的核心库期刊、全国中文核心期刊、美国“CA ”千种表中国化工类核心期刊，并为荷兰SCOPUS 数据库、美国《剑桥科学文摘》、英国《皇家化学学会系列文摘》、中国知网（CNKI ）、万方数据资源系统、中文科技期刊数据库等国内外知名数据库所收录。

多年来《冶金分析》的影响因子等重要学术评价指标在冶金工程技术类及分析测试技术类期刊中一直居于前列。据２０１３年版《中国科技期刊引证报告》（核心版），本刊２０１２年度影响因子为０.５３６，在“冶金工程技术”类期刊中名列第２；在１９９８种中国科技核心期刊中，本刊综合评价总排名第２１８。

为了加强国际间学术交流，促进冶金分析测试技术发展，在国际钢铁工业分析委员会（ICASI ）的支持下，一批国外知名专家担任本刊编委。本刊将致力于以最快的速度及时发表国内外的最新研究成果。

《冶金分析》为月刊，大１６开，单期页码为８０页，定价１５.００元，全年１２期，１８０．００元。全国各地邮局发行，如有漏订的单位和读者，请直接与编辑部联系。

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范文四：基于投影匹配的X射线双能计算机层析成像投影分解算法_李保磊

第31卷　第3期2011年3月

光　学　学　报V ol . 31, N o . 3March , 2011

基于投影匹配的X 射线双能计算机层析成像

投影分解算法

李保磊

1, 2

　张耀军

1

1

(公安部第一研究所, 北京100048; 2北京大学数学科学学院, 北京100871)

摘要　X 射线双能计算机层析成像(CT ) 技术是安全检查领域一种重要的材料探测与识别手段。双能C T 投影分解是双能CT 预处理重建算法的核心内容和关键步骤。针对现有投影分解算法的不足, 提出了一种基于投影匹配的双能CT 投影分解算法。依据系统能谱和基材料线性衰减系数曲线, 通过求解投影积分方程组建立高低能投影查找表。对于给定的高低能投影, 在查找表中寻找最佳匹配点, 进而获取基材料分解投影。该算法避免了现有算法复杂的迭代优化过程, 简化了系统的标定过程, 分解精度取决于查找表的设定步长。相对现有算法该算法有实现过程简单、易于并行计算的优点。仿真实验结果验证了算法的有效性。关键词　X 射线光学; 双能计算机层析成像; 投影匹配; 投影分解; 预处理重建中图分类号　T P391　　　文献标识码　A 　　　do i :10. 3788/AOS 201131. 0311002

Projection De composition Algorithm of X -Ray Dual -Ene rgy Compute d Tomography Base d on Projection Matching

Li Baolei 1, 2　Zhang Yaojun 1

1

The First R esearch Instit ut e of Minist ry of Public Security , Beijing 100048, China

2

School of Mathematical Sciences , Peking University , Beijing 100871, China

Abstract 　X -ray dual -energy computed tomography imaging technique is an important material detec tion and recognition method in the field of security inspection . The projection decomposition is the nuclear content and key technique in the pre -rec onstruction algorithm of dual -energy c om puted tom ography . Ac cording to the disadvantages of the c urrent algorithms , a projection decomposition algorithm based on projection matching is proposed . Firstly , based on energy spectrum of the system and the linear attenuation coefficient curve of the ba sic materials , the high -and low -energy projection lookup table can be got by solving the projection integral equations set . For a given dual -energy projection , find the best match point in the lookup table and then obtain the decomposition projection of basic m ateria ls . The proposed algorithm avoids the process of complex iteration and optimization and simplifies the proc ess of system calibration . The dec omposition ac curacy depends on the step setting of lookup table . Compared to the c urrent algorithms , the proposed algorithm ′s realization is more simple and easy for parallel computation . The feasibility of the a lgorithm is va lidated by the results of sim ulation experiment . Key wo rds 　X -ray optic s ; dual -energy computed tomography ; projection matching ; projection decomposition ; pre -reconstruction

OCIS co des 　110. 0110; 340. 0340; 020. 0020; 250. 0250

1　引　　言

X 射线双能计算机断层成像(C T ) 作为一种重要的成像技术, 在安全检查领域起着越来越重要的作用

[1～3]

包括单能X 射线透视、双能X 射线透视、多视角、背散射和X 射线CT 技术等) , 双能C T 技术具有较高

的探测能力, 它能够较准确的获取材料的电子密度、有效原子序数二维信息, 而利用此二维信息能够实

。在常见的X 射线安全检查技术中(主要

　　收稿日期:2010-06-10; 收到修改稿日期:2010-11-30

基金项目:国家科技支撑计划(2009BA K 64B02) 资助课题。

作者简介:李保磊(1980—), 男, 博士, 主要从事X 射线计算机断层成像技术及其应用等方面的研究。E -mail :bao lei li @yahoo . com . cn

光　　　学　　　学　　　报

现对绝大部分材料的探测识别[4]。同时CT 型安检设备也是美国FAA 唯一认定的EDS 型安检设备。可见双能C T 技术在整个X 射线安检技术中的地位。

双能CT 的概念在20世纪70年代由Robert E . Alvarez 等首次提出并进行了研究。最初该项技术主要用于医学射线图像的骨骼与软组织的分离和病灶诊断, 之后其应用逐渐扩展到工业检测和安全检查领域, 如利用双能技术对CT 图像进行射束硬化校正等。在安全检查领域, 国外Reveal 和Analogic 公司均已推出自己的双能CT 行包检查系统[6, 7]。

双能CT 安检系统的核心技术是双能CT 重建算法。双能CT 重建算法大致可以分为三类。1) 迭代重建算法。这类方法通过迭代的过程, 得到与能谱无关或者近似无关的CT 图像, 进而抑制由射束硬化效应带来的伪影, 改善图像质量; 或者通过双能迭代, 得到材料分解图像。不过此类方法计算速度慢, 不易实际应用。2) 后处理重建算法[10～12]。该方法首先利用高低能投影重建出高低能CT 图像, 然后再对高低能CT 图像进行处理, 获取物体断层的物理参数分布图像。由于其自身固有的特点, 此类方法不能从根本上消除射束硬化效应, 因此精度难以保证。3) 基于投影分解的双能CT 重建算法[13～16]。对于这类方法, 基于两种常见的物质线性衰减系数分解模型———双效应分解模型和基材料分解模型[13, 17], 对应着两种投影分解过程。这类方法通过对投影数据的预处理分解, 利用分解的参数完成双能C T 重建进而对材料进行识别探测, 因此又称为预处理重建算法。这种算法理论上可以得到不受能谱影响的物质有效原子序数和电子密度图像, 是目前双能CT 技术领域的主流重建算法。

在预处理重建算法中, 投影分解是关键技术和核心内容, 现有文献中已有多种投影分解方法, 如多项式间接拟合法、多项式直接拟合法、分段多项式拟合法、等值线法和高次曲面函数拟合法等。这些方法在一定程度上促进了双能CT 技术的发展,

[16, 18]

[8, 9][5]

但是它们求解过程复杂, 需要复杂的标定过程, 计算速度慢, 对噪声十分敏感, 分解精度还有待提高。2006年, Zhengro ng Ying 等提出了双能CT 的优化投影分解方法, 提高了分解算法的稳定度和收敛性能, 但是仍然存在计算速度与初值的选取问题。总之, 现有投影分解方法还不能满足安检实际工作需求, 需要研究简便实用的投影分解算法。

[19, 20]

2　双能CT 重建原理

物质的线性衰减系数有两种常见的分解模型:

μ(E )=a c f K N (E ) +a p f p (E ) , μ(E )=b 1μ1(E ) +b 2μ2(E ) ,

(1) (2)

式中f p (E ) , f K N (E ) 为只与能量E 有关而与材质无关的分解系数。且有

f p (E 3,

E

(3)

-ln (1+2α+f KN (α2

1+2αα

ln (1+2α) -2, 2α(1+2α)

(4)

式中α=E /510. 975keV , a p 表示光电效应系数, a c

为康普顿散射效应系数, a p , a c 是独立于能量只与材质有关的物理量, 且有

, 　a c =l 2, n ≈4～5, a p =l 1A A

n

(5)

式中l 1, l 2为两常数, ρ为物质密度, Z 为原子序数, A 为原子量; μ1(E ) , μ2(E ) 分别为两种基材料的线性衰减系数。b 1, b 2为对应两种基材料的分解系数, 对

于某一固定的物质, b 1, b 2是两个常数。(1) 式表示在一定的射线能量范围内, 物质的衰减可由光电效应和康普顿散射两种作用共同组成。(2) 式表示任何一种物质的线性衰减系数都可由两种基材料的线性衰减系数线性叠加而成[13, 17]。

依据这两种衰减系数分解模型, 记

A c =a c d l , A p =a p d l ; B 1=b 1d l , B 2=b 2d l , 根据宽能谱射线条件下的Beer 定律可得

∫∫∫∫

P L =-ln {S L (E ) ex p [-A c f K N (E ) -A p f p (E ) ]d E }+ln S L (E ) d E P H P L P H

H

c

KN

p

p

H

∫∫,

=-ln {S (exp [-A f (E ) -A f (E ) ]d E }+ln S (d E

∫E ) ∫E ) =-ln {S (exp [-B μ(E ) -B μ(E ) ]d E }+ln S (d E

∫E ) ∫E )

,

=-ln {S (ex p [-B μ(E ) -B μ(E ) ]d E }+ln S (d E

∫E ) ∫E )

L

1

1

2

2

L

H

1

1

2

2

H

(6)

(7)

李保磊等:　基于投影匹配的X 射线双能计算机层析成像投影分解算法

式中S L (E ) , S H (E ) , P L , P H 分别为高低能谱和高低能投影。基于投影分解的双能C T 预处理重建算法的核心即为(6) 式或者(7) 式的求解, 即根据(6) ,

(7) 式求解A c , A p ; B 1, B 2, 我们称这个过程为投影分解过程。由于A c , A p , B 1, B 2为a c , a p , b 1, b 2的线积分投影值, 求解出A c =a c d l , A p =a p d l ; B 1=b d l , B =b d l 后, 根据CT 原理, 利用滤波反投∫∫

1

2

2

2) 投影匹配

给定实际得到的高低能投影P L , P H , 寻找i =i 0, j =j 0, 使得[P L (i , j ) -P L ]2+[P H (i , j ) -P H ]2的值最小, 即

～～

[P L (i 0, j 0)-P L ]2+[P H (i 0, j 0)-P H ]2=[P L (i , j ) -P L ]

～

～

～

2

～

～

～

～

∫∫

+[P H (i , j )-P H ]

～

2

, (13)

也就是说投影P L , P H 在查找表中找到了最佳匹配点。

3) 计算P L , P H 对应的分解投影B 1(i ) , B 2(j )

B 1(i )=B 1min +(i 0-1) ·d ; B 2(j )=B 2min +(j 0-1) ·d .

～～

～

～

～

～

影重建算法, 便可计算出a c , a p , b 1, b 2, 由此可以计算材质的等效原子序数和电子密度信息, 以完成材料的探测识别。计算公式为

p

Z eff =K 1

a c

[5, 21]

1/n

(14)

, (8) (9)

1/n

e =ρK 2a c ,

式中K 1, K 2为两常数, n ≈3～4, 且

　　可以看出, 算法没有根据P L , P H 通过复杂的过程逆向求解, 而采用了正向投影匹配的方法实现了B 1, B 2的求解。

使得投影分解过程简单且易于实现。值得指出, B 1, B 2的步长越小, 算法的精度就越高。而且, 可以将利用文中方法得到的分解结果作为非线性最小二乘方法的初值, 由于初值已逼近理论值, 这样就可以得到稳定收敛的解。从这个角度分析, 本文方法也有其理论与现实意义。算法的流程图如图1所示。

Z eff

n n

1e112e22b 1ρe1+b 2ρe2

, (10)

ρe =b 1ρe1+b 2ρe2, (11)

式中Z 1, Z 2分别为两种基材料的原子序数; ρe1, ρe2分别为两种基材料的电子密度[21]。

3　基于投影匹配的双能CT 投影分解

算法

依据(6) , (7) 式的相似性, 不失一般性, 投影分解算法以基材料模型为例, 即对(7) 式进行求解。现有投影分解算法多对(7) 式做正向优化求解, 过程复杂。这里提出的分解方法和现有方法的思路相反。算法的思想是:首先依据C T 系统能谱信息生成合理物理意义范围内的各种B 1, B 2数值对应的P L , P H , 建立数据查找表。而后再根据实际得到的P L , P H 去匹配查找表中与之吻合的高低能投影, 同时获取对应的B 1, B 2值。该投影分解算法的步骤如下:

1) 查找表生成

设B 1, B 2范围为B 1∈[B 1min 　B 1max ], B 2∈[B 2min 　B 2max ]。设定一定的步长d , 生成B 1, B 2数值序列B 1(i ) , B 2(j ) , i =1, 2, …M , j =1, 2, …N , 依据系统能谱和(7) 式生成高低能投影序列:

P L (i , j ) i =1, 2, …, M ; j =1, 2, …, N , P H (i , j ) i =1, 2, …, M ; j =1, 2, …, N , (12) 建立高低能投影P L (i , j ) , P H (i , j ) 和B 1(i ) , B 2(j ) 数据查找表, 一对P L (i , j ) , P H (i , j ) 对应着一对B 1(i ) , B 2(j ) 。

图1双能计算机层析成像投影分解算法流程图Fig . 1Flow cha rt of pr ojectio n decomposition alg orithm

of X -ray dual -energ y computed to mog raphy

4　仿真实验结果

4. 1　系统能谱及查找表建立

仿真实验采用的高低能峰值管电压分别为80kV 和140kV , 并假设探测器响应理想线性, 系统能谱由开源能谱生成程序SpectrumGUI 生成如图2所示。

设定基材料为碳和铝, 且设定

B 1min =0, B 1max =10. 0cm

B 2min =0, B 2max =10. 0cm , d =0. 001cm (15) 依据(7) 式生成数据查找表。如图3所示。

[22]

,

光　　　学　　　学　　　

报

图2仿真系统能谱

Fig . 2Simulated ener gy spectrum of sy

stem

图3数据查找表F ig . 3Da ta loo kup

table

图4实验1的实验结果F ig . 4Re sults o f experiment 1

李保磊等:　基于投影匹配的X 射线双能计算机层析成像投影分解算法

4. 2　仿真实验1

依据上述双能实验条件, 对外层为1. 28m 厚度Fe 、内层为直径76. 8m m 水的圆柱体作双能扫

描。其中探测器256pixel , 像素间隔1m m ; 焦距590mm 。根据(7) 式生成高低能投影, 其中水和Fe 的线性衰减系数可由NIS T 数据库得到。选择碳C 和铁Fe 作为基材料, 设d =0. 01cm , 利用本文提出的算法, 得到如图4所示实验结果。实验过程中, 首先进行投影分解得到分解C 投影和Fe 投影, 然后再根据(7) 式计算高低能投影值, 将计算的高低能投影值与原始高低能投影值作对比, 以检验分解

[23]

算法的有效性。4. 3　仿真实验2

为了考察算法对材料探测的有效性, 依据仿真实验1实验条件对外层为0. 64cm 厚度Al 、内层为直径5. 12cm M g 柱的圆柱体作双能C T 断层扫描, 以C 和Al 作为基材料, 设d =0. 001cm 。利用本文提出的算法, 得到如图5所示实验结果。计算过程中(10) 式中n 取3. 5, 其中图5(i ) , 图5(j ) 中的曲线为图5(g ) , 图5(h ) 中所示的横线处有效原子序数和电子密度与真实值的对比

。

图5实验2的实验结果F ig . 5Re sults o f experiment 2

　　从上面的仿真实验可以看出, 利用所提出的投影分解算法进行双能投影分解, 通过分解投影计算的高低能投影与原高低能投影高度吻合, 这也证明了算法的有效性。同时, 利用提出的投影分解算法进行双能C T 重建, 获取的材料电子密度和有效原子序数和理想真实值十分吻合, 经计算可知误差在0. 5%以内, 满足材料探测需求。另外, 在寻找最佳匹配点时, 由于算法自身的特点和结构, 十分适合并行计算, 这也为算法速度的提高奠定了基础。相反迭代算法

[20]

况, 始终可以得到稳定的解。

5　结　　论

提出了一种基于投影匹配的双能CT 投影分解算法, 该算法相对现有算法, 实现过程简单, 易于并行运算, 实际仿真实验结果验证了算法的有效性。另外, 在实际双能C T 系统中, 无须每次扫描均用本文中的算法进行投影分解, 而可以事先用所建立高低能投影到分解投影的数据查找表, 此为系统标定过程。显然, 相比现有的算法, 该算法简化了系统的标定过程。而对于实际获取的高低能投影, 基于查找表利用线性插值的方法即可得到对应的分解投影, 这样可以保证双能CT 系统在实际进行物体材

则难以实现并行计算。同时在迭代算

法的计算过程中, 收敛结果对迭代初值的依赖性很大, 如果初值设置不当, 会导致算法不收敛或者出现错误的结果。而本文算法则不可能出现这样的情

光　　　学　　　学　　　报

料探测时的高效性。

参

考

文

献

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范文五：[word格式] 计算机层析成像技术及其在化工多相流测量中的应用

计算机层析成像技术及其在化工多相流测

量中的应用

第2期计算机层析成像技术及其在化工多相流测量中的应用29

计算机层析成像技术及其在化工多相流测量中的应用

袁寰宇钟辉李保华.徐美皴.王爽

(1.成都理工大学,四川成都,610059;2.西南石油大学,四川成都,610500;3.中昊晨光化工研究院,643201)

摘要

介绍了射线,电容,电阻和超声波四种计算机层析成像技术的测量原理和在化工多相流测量中

的应用,并讨论了它们的发展现状及存在的一些问题.

关键词:计算机层析成像技术多相流测量,

1引言

计算机层析成像技术(eomputerisedtomo—

graphy,简称CT技术),是2O世纪7O年代初首先

在医学工程上得以成功应用并蓬勃发展起来的一项

新技术.它的出现不仅使医学技术发生革命性飞

跃,而且还促进了计算机的应用,对各学科领域理论

的研究和发展也起了积极的推动作用.目前,CT

技术在临床医学诊断和病理研究方面取得很大的成

功,并且被运用到石油,化工,航天,天文学,地质勘

测,地震学,无损探伤检测等领域__1~引.计算机层析

成像技术在化工多相流测量中的应用主要表现在:

(1)提供被测流体在管道或容器某一截面的直

观实时图像,用于识别和判断流型;

(2)确定分散相的颗粒尺寸和运动轨迹等微尺

度参数;

(3)通过对图像的处理和分析,可得到分相的浓

度分布.

这些测量对深入揭示多相流分相分布,流体流

动的基本规律具有重要的意义,同时对生产过程的

管理,控制和运行也有直接的参考价值.本文介绍

射线,电容,电阻和超声波四种计算机层析成像技术

的测量原理和在化工多相流测量中的应用,结合国

内外研究者应用CT技术在多相流测量方面所做的

工作,对近期发展现状及存在的一些问题做一些分

析和评述.

2计算机层析成像技术的基本特征

计算机层析成像系统一般由敏感部件的空间阵

列,数据采集单元,信号处理,.图像重建及解释分析

单元,图像成像显示单元等4大部分组成.其工作

原理是:安装在容器或管道上的某个截面上的敏感

部件空间阵列,对被测物场形成二维的分布状况的

投影信息,并输出相应信号,经信号处理电路后,输

入计算机数据采集,数据采集的采样速度必须足够

快,以保证一次完整扫描时间间隔内多相流体各相

组分相分布基本无变化.经处理的数据信号输入到

图像重建单元,运用重建算法对容器或管道截面内

各相组分进行空间定位.图像解释和分析可视为对

重建图像进行翻译的过程,根据图像重建后获得的

关于容器或管道截面各局部区域的原始信息,通过

相应的数学分析和处理,给出测量所需的各种检测

参数值和表征被测流体各相组分分布状况的数字图

像各像素的灰度值.最后根据图像解释单元给出的

数字图像灰度值和所需的各检测参数值,在计算机

显示屏上显示出反映容器或管道截面内多相流体各

相分布的实时图像以及其它有关的测量信息.一般

的计算机层析成像系统如图1所示.

图1计算机层析成像技术系统的基本构成

?一

经过几十年的研究和发展,计算机层析成像技

术在多相流测量中已经取得令人鼓舞的研究成果.

30四川45_r-第11卷2008年第2期

根据获取信息和传感方法的不同,目前国内外在多

相流中CT技术研究比较热门的是射线[4],电

容[“-93,电阻E~,io-II?和超声波~7,12--13层析成像技

术.另外最近几年也有应用核磁共振技术,电磁技

术,核电子发射技术的层析成像为数不多的报

道E14-I8l.

2.1射线层析成像?

射线层析成像主要是X射线或7射线成像.

其测量原理是依据射线穿越不同密度的流体所产生

的衰减作用不同而成像.X射线或7射线源发出的

射线通过不同密度的多相流体时,符合射线衰减的

Beer-Iarnbert定律UIo—exp(一pp.1)E.利用X射

线或丫射线对管道或过程容器内的多相流流体进行

360度扫描得到测量信号,然后通过对信号的数学

统计处理和计算机图像重建,即得到被扫描截面分

相分率的数字彩色图像.图2为CT扇形射线扫描

示意图,它采用的是一个100mCi的Cs-137辐射源

和多个探测器旋转的方式,按照空问分辨率将反应

的横截面划分很多个像素小区间,发射出的7射线

以直线穿过这些像素区间被吸收,未被吸收被排成

扇形的多个NaI晶体探测器所接受.这样通过平

移和旋转可测得近万条辐射线可作为图象重建的投

影数据进行图象重建.图3就是通过CT扫描而得

到的气液搅拌釜的截面数字彩色图像.

图2CT扇形射线扫描示意图

e

利用多束X射线或7射线测量气液两相流空

隙率,流型的辨别以及用X射线研究气固两相颗粒

运动状况的有关技术报道.X射线或丫射线层析成

像在化工多相流中国外有典型的研究:1980年,De

Vuono[19]等人研究了气液两相流空隙率测量及流

型辨别;1981年,HauE203采用7射线层析成像技术

与常规Pitot管相结合,测量气液两相质量流量并

重建出管道截面图象;Crowther等采用多射线源

10狮?40so6o7O?90,?

图3气液搅拌釜的截面数字彩色图像

和多固态检测器构成的层析成像系统,对气力输送

下的粉粒体浓相质量流量以及流动模型进行了初步

的研究;1985年MacCuaig[2,研究了气固流化床动

力学和参数检测;1987年,BanbolzerE22j等将X-CT

技术应用于流态化反应器的参数和流动状态监测,

1994年,Kumar,S.B.E233利用射线成像技术来测量

鼓泡塔中的相含率分布以及流动模型;1997年,

Shollenbegerc]使用丫技术测量鼓泡塔径向局部气

含率;1999,2000年VeeracEZSZ]测量搅拌鼓泡反应

器内气含率的径向分布等.随后的几年国外研究人

员用层析成像技术对鼓泡塔的相含率研究比较多.

最近,国内北京石油化工学院的靳海波博士用7射

线透射技术测量气液鼓泡塔内气含率的轴向分布,

但是只是测得射线透过截面某一弦长的局部气含

率,并没有对其图象重建.[2]因此,采用7射线源多

探测器对鼓泡塔内截面气含率分布的测量还有待进

一

步的研究.

射线层析成像技术的优点是:(1)是一种无接触

式测量技术,因此不受温度,压力和流体非透明和浓

度的限制;(2)适用范围广,无论是气固,气液,液固

都适用;(3)重建的图象精度高,这主要是通过360.

不同角度的扫描,获取足够多的数据以及精度高的

图象重建算法.其缺点是:(1)有一定辐射安全问

题;(2)要获得多相流的瞬时图像,捕捉动态过程信

息,则对信号的采集和处理提出很高的要求,从而使

仪器设备成本大大增加,在化工多相流中测到的一

般是多相流分相分率的时均值.

2.2超声波层析成像

超声波层析成像是目前广泛研究的一种层析成

像,它以超声波作为扫描源,利用被测介质对人射声

波的吸收和散射效应所引起的入射声波幅值的衰

第2期计算机层析成像技术及其在化工多相流测量中的应用31

减;声波在不均匀介质中传播时,其传播速度随介质

不同而发生的变化;不均匀介质引起散射声场的幅

值和相位的同时变化等等,从不同的角度和方向对

物场进行扫描测量而获得管道或过程容器截面的投

影数据,最后重建截面介质分布图象.

根据超声波和被测介质相互作用机理不同,可

将超声波层析成像分为3类:透射模式层析成像,衍

射模式层析成像,反射模式层析成像.其中反射,透

射模式层析成像应用比较多.Weigand[.]等人在

1989年提出反射模式的超声波成像系统对气液两

相进行实时成像和参数测量;德国的Mesct1[..]等在

气液两相流泡状超声波层析成像系统德研究取得了

一

定的成功;Schlabeg[.0]等采用36个环状超声传感

器陈列构成反射模式超声波层析成像系统;G.J.

Brown_31]等人讨论了将透射模式超声层析成像技

术用于气固两相流流型辨识.国内方面,天津大学

徐苓安教授等研制的透射模式超声波层析成像系

统,可用于气液两相泡状流体分布的监测l1引.

由于超声波是一种机械波,与光波,电磁波比较

超声波在介质中的传播速度较慢,因而在应用过程

中,系统实时性较差难以对高速多相流体进行实时

测量,而且超声波灵敏度分布场易受多相介质分布

的影响.此外传统的反投影算法在成像质量上有待

进一步提高和改善,为了改善传统的反投影算法所

造成的图像失真,一般采用二进制滤波逻辑反投影

算法.另外从原理上讲超声波层析成像技术能适用

于大多数工业多相流生产过程的参数检测,它是一

种非辐射性技术,安全性高,成本较低的测量方法,

其工业应用前景被很多研究者看好.

2.3电学层析成像

电学层析成像主要包括电阻,电容和电磁感应

层析成像技术三大类.有关电磁感应层析成像技术

在多相流参数检测领域应用的文献相对较少[31],在

这介绍电阻,电容层析成像技术.

电阻层析成像技术(ERT)是2O世纪8O年代末

期发展起来的并广泛应用的一项层析成像技术.

ERT(ElectricalResistanceTomography)的实质就

是运用一个物理可实现系统完成对被测物场特性分

布f(r,巾)的Radon变换和Radon逆变换【32].系统

的工作过程就是根据特殊设计的敏感器阵列获得的

物质信息(边界测量电压),去求取物场内部的电压

分布投影数据,再采用定性/定量的图象重建算法求

出被i贝0物场的图(电导分布信息),进而从重建图象

信息中提取物场的特征参数,为过程检测和控制提

供依据.目前统一采用的工作方式为交流电流激

励,电压测量.国内外研究者主要在敏感电极阵列

的优化设计,硬件电路性能的提高,图象重建算法的

改进,应用性的开发方面进行研究.Wang[33]等人

利用ERT技术对气液两相流在搅拌容器中的混合

过程进行了测量.美国(UniversityofArizona)的

D-J.LaBrecque等人将ERT应用于环境监测与整

治的研究?7J.

图48电极ECI”的测量原理示意图

Cl3??

电容层析成像,ECT(ElectricalCapacitance

Tomography)是2O世纪8O年代末,9O年代初提出

的一种新的层析成像技术.电容层析成像技术测量

多相流参数原理是基于多相流各分相的介电常数的

不同,通过设置在设备壁面上均匀分布的传感器电

极阵列形成测量截面,当各相流体组分浓度发生变

化时,会引起多相流体系等价介电常数的变化,从而

使其测量电容随之发生变化,得到不同电极间的电

容值,(图4为8电极ECT的测量原理示意图).最

后将测量得到的电容值作为投影数据,经过计算机

图像重建处理,得到数字图像结果.

ECT技术是较早被研究的技术,早在1988年

英国曼彻斯特大学理工学院率先研制成功一种构造

简单,价格低廉,动态响应好,且不与被测介质直接

接触的8极板电容层析成像系统模型,采用简便反

投影算法,用水和沙子分别模拟两相流静态模型,取

得初步验结果;1990年该系统发展成为12电极,并

配备了Transputer阵列式处理器来对数据进行并

行处理以提高系统的实时性.同时,美国能源部也

于1990年研制成一种在线监测流化床内物料密度

32四川化工第11卷2008年第2期

三维分布的电容层析成像系统.国内对电容层析成

像技术也进行了初步的研究,并取得了一定的成

果._8]清华大学张宝芬教授等采用有限元分析法,对

传感器敏感场及不同流型对应的电容值进行了仿真

计算,对图象重建过程中的图象失真和电容传感器

“软场”特性进行了相关分析,为传感制作及相应的

图象重建算法提供了理论依据.浙大黄志尧博士提

出了一种多相流流型模糊判别方法,取得了较好的

实验结果.电容层析成像技术在油气水,气液固三

相流参数检测方面也有文献报道[3.

电阻,电容层析成像系统具有成本低,响应速度

快,非侵入性,安全性能好(非辐射),应用广泛等优

点.但是由于传感器的设计与选择的难度要求高,

而且检测场是”软场”,其应用将受到一定的限制.

3结束语

根据多相流工业生产过程参数在线测量的要

求,从应用角度而言,一个完善的层析成像多相流参

数检测系统,应具备以下几个特点:

(1)层析成像系统的成本应该是较低,安全性要

好,适用范围要广泛,便于推广;

(2)层析成像的检测系统应具有高的抗干扰性

和可靠性,能适应各种操作环境;

(3)层析成像系统的硬件和软件结构应尽可能

的简单,便于使用,维护和管理;

(4)实时性要好,能适用于工业现场在线测量.

参数测量精度和图象重建质量应满足工业的不同要

求.

X射线,7射线层析成像技术的最大优势在于

敏感场是硬场,投影数据多,重建图像质量相对高,

并且具有可借鉴的成熟的医学CT技术,在多相流

相分率测量方面得到广泛的应用.虽然其具有辐射

性,但是近年来人们在系统的安全性,实时性等方面

都有所改进.电容层析成像(ECT)和电阻层析成像

(ERT)具有成本低,实时性好,非接触或非侵入,系

统结构简单,非辐射安全可靠等优点.但它们检测

场是软场,其检测值易受多相流体流动状态的影响,

还会受到外电场引起的杂散电容的干扰,影响了图

像重建精度.超声波层析成像(UCT)技术成本较

低,非辐射无安全防护问题,实时性较好,?图象重建

质量也较高.综上所述,这些测量技术都不同程度的

存在某种局限性,在实际应用过程中可以根据其特

点结合实际情况适用.

通过对各种层析成像技术的分析,一个完善的

层析成像系统在多相流参数检测中必须具有成本

低,应用范围广,实时性强,可靠安全等特点.相信

随着社会经济,计算机技术,传感器技术,信号采集

处理技术的不断发展,最终将能克服上述困难,从而

建立起低成本,安全,快速,高分辨率,能实现实时监

测的高质量可视化数字图像多相流测量系统,层析

成像技术在多相流领域将得到广泛的应用和发展.

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YuanHuanyu,Zhonghui,LiBaohua,XuMeiyi.,WangShuang

(1.ChengduUniversity9/,Technology,Chengdu,610059;2.SouthwestPetr

oleum

University,Chengdu,El0500;3.ZhonghaoChenguangResearchInstitute

ofChemicalIndustry,643201)

Abstract:Thebasicprinciplesandapplicationsoftechnologyandimageofcomputertomographyoffour

types—CT(ComputedTomography),ECT(ElectricalCapacitanceTomography),ERT(ElectricalResistance

Tomography)andUCT(UltrosoundComputerisedTomography)inmeasurementofmulti-phaseswere

brieflydescribedinthepaper.Thedevelopmentofthefourtechnologiesinmeasurementofmulti,phasein

chemicalengineeringwasintroducedandsomereviewsonthesetechnologieswerediscussed.

Keywords:technologyandimageofcomputertomography;multi-phaseflow;measurement

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