EMT系統邊界磁場(chǎng)檢測線(xiàn)圈的動(dòng)態(tài)補償及圖像重建

摘要：提出了一種應用于電磁層析成像（EMT）系統的磁檢測線(xiàn)圈的動(dòng)態(tài)補償方法，實(shí)現了被測空間邊界磁場(chǎng)檢測的系統誤差補償。經(jīng)過(guò)EMT系統的圖像重建實(shí)驗證明，這種補償方法能夠提高圖像重建的精確性。 關(guān)鍵詞：電磁層析成像 工業(yè)CT 傳感器 圖像重建 電磁層析成像（Electromagnetic Tomography,EMT）技術(shù)是近十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型過(guò)程層析成像技術(shù)[1]。它將電磁感應原理與“由投影重建圖像”的理論相隔合，通過(guò)檢測被測空間邊界的磁場(chǎng)信息重建空間中導電、導磁物質(zhì)的時(shí)空分布圖像，而且其傳感器具有非介入、非接觸和無(wú)危害的檢測優(yōu)點(diǎn)，因此可應用于工業(yè)過(guò)程中多相流檢測[2]、化工分離、異物監測、地質(zhì)勘探及生物電磁學(xué)研究[3]等領(lǐng)域。EMT系統圖像重建質(zhì)量的影響因素之一是其檢測系統的準確性和測量的一致性。在檢測系統的傳感器設計中，檢測邊界磁場(chǎng)的多個(gè)檢測線(xiàn)圈在工藝上難以做到完全一致，由此將直接導致重建圖像的失真。為消除這種不一致性對圖像重建造成的影響，作者設計了一種動(dòng)態(tài)補償算法，通過(guò)在多個(gè)激勵方向下對檢測線(xiàn)圈做綜合補償，提高了圖像重建的精神性。1 EMT系統結構及檢測特點(diǎn) EMT系統的結構如圖1所示。左邊圓形結構為可安裝于工業(yè)多相流管道的傳感器截面。在被測管道的中心分布有多相流動(dòng)物質(zhì)，系統的檢測目的是通過(guò)非接觸、非介入的方式將管道內的不同物質(zhì)的分布圖像在計算機上得以重建，進(jìn)而分析出多相流體的各種特征參數，并應用于測控系統中。這實(shí)現這一目的，由計算機控制圖1所示的激勵模式選擇和激勵信號分配系統，由激勵系統在被測管道中激發(fā)出特定的激勵場(chǎng)；然后與醫學(xué)CT類(lèi)似，使激勵場(chǎng)在空間連續旋轉，旋轉的同時(shí)檢測邊界磁場(chǎng)的畸變情況，并由數據采集與處理系統實(shí)現磁場(chǎng)信號的解調；最后應用圖像重建算法重建出被測空間的物質(zhì)分布。 作者用柔性激勵極板陣列實(shí)現的EMT傳感器[4]的截面如圖2所示。傳感器由內到外依次是管道壁、檢測線(xiàn)圈、激勵層和屏蔽層。其中，檢測線(xiàn)圈由8個(gè)沿管道外壁待距離分布的精密繞組構成，完成邊界磁場(chǎng)的測量；激勵層由柔性激勵極板陣列構成；電磁屏蔽層由鐵氧體和波莫合金構成。數據采集與信號處理電中實(shí)現各個(gè)激勵角度條件下的邊界磁場(chǎng)測量，激勵和檢測由圖像重建計算機協(xié)調控制，同時(shí)該計算機完成圖像重建和多相流特征參數的提取。激勵極板陣列由32個(gè)均勻分布的柔性極板構成，通過(guò)改變極板的電流分布可實(shí)現不同的激勵方式。其中，管道半徑Rp=35mm，檢測線(xiàn)圈半徑Rd=38.42mm，激勵線(xiàn)圈半徑Re=55mm，磁屏蔽層內半徑Rsin=60mm，被測管道直徑為70mm。 對于這一傳感器結構，需要補償的就是檢測層的8個(gè)檢測線(xiàn)圈特性的一致性。但檢測線(xiàn)圈的特性會(huì )受到線(xiàn)圈幾何尺寸、安裝角度、前端檢測電路特性不一致的影響，而且線(xiàn)圈檢測的信號是交變的磁場(chǎng)信號，其相位隨激勵方向的變化而改變，這些因素給檢測線(xiàn)圈特性的補償帶來(lái)了困難。 2 檢測線(xiàn)圈特性不對稱(chēng)的補償 實(shí)現檢測線(xiàn)圈特性不對稱(chēng)補償的難點(diǎn)是檢測信號是頻率為187.5kHz的交流信號，而且各檢測線(xiàn)圈輸出的檢測信號與激勵基準信號之間有不同的相位差，這個(gè)相差會(huì )隨檢測角度的改變而變化。為此作者設計了一種補償方法，其思路是使每個(gè)檢測線(xiàn)圈在全部激勵旋轉方向下測量同一被測場(chǎng)，計算綜合測量值并將其作為補償系數，而補償過(guò)程的實(shí)現則通過(guò)計算機控制激勵場(chǎng)的旋轉并對邊界磁場(chǎng)進(jìn)行連續檢測來(lái)完成。在EMT系統進(jìn)行圖像重建時(shí)，首先選擇空場(chǎng)作為檢測線(xiàn)圈特性檢測的參照場(chǎng)，來(lái)進(jìn)行檢測線(xiàn)圈特性測量；然后由公式計算出各檢測線(xiàn)圈的補償因子。采集進(jìn)行圖像重建的物場(chǎng)信號時(shí)，應用計算得到的補償因子對測量數據進(jìn)行修正。 對任意一個(gè)檢測線(xiàn)圈檢測補償數據時(shí)，應分別測量其在所有激勵場(chǎng)投影方向下的檢測值。檢測值包括通過(guò)解調電路得到的實(shí)部和虛部數據，所有激勵方向下的檢測值一起構成計算檢測線(xiàn)圈特性補償因子的參考矩陣。對于N個(gè)檢測線(xiàn)圈，P個(gè)激勵磁場(chǎng)旋轉方向的EMT系統激勵場(chǎng)需要旋轉P次來(lái)獲得全部N個(gè)檢測線(xiàn)圈的補償值，所以補償參考矩陣由N行P列構成，其中每個(gè)元素都是檢測線(xiàn)圈檢測值的復數表示形式。本文介紹的EMT傳感器系統中，N=8，P=16。 對于N個(gè)檢測線(xiàn)圈，定義其特性補償因子為K(i)，其中i=1,2,......N，表示檢測線(xiàn)圈序號。K(i)可按照如下公式計算： 式中,j=1,2,......P，表示激勵場(chǎng)投影方向序號；C R、C1分別為空場(chǎng)時(shí)在第j個(gè)激勵方向下第i個(gè)檢測線(xiàn)圈檢測值的實(shí)部和虛部。 進(jìn)行實(shí)際測量時(shí)，將每個(gè)檢測線(xiàn)圈在各個(gè)激勵方向下的檢測信號的實(shí)際M R(i,j)和虛部M1(i,j)都乘以補償因子K(i)，從而得到各個(gè)檢測線(xiàn)圈經(jīng)過(guò)補償后檢測值的實(shí)部和虛部。 ER(i,j)=MR(i,j)xK(i) (2) E1(i,j)=M1(i,j)xK(i) (3) 式中，ER(i,j)和E1(i,j)為經(jīng)過(guò)補償后的檢測結果。3 EMT檢測線(xiàn)圈補償前后的實(shí)驗數據分析 為分析EMT傳感器檢測線(xiàn)圈進(jìn)行特性補償前后的測量數據，對傳感器在同一種檢測條件下各個(gè)投影方向、不同檢測線(xiàn)圈的測量值進(jìn)行分析，來(lái)比較補償前后數據的分布特點(diǎn)。對于本實(shí)驗的傳感器系統，激勵投影方向為16個(gè)，檢測線(xiàn)圈為8個(gè)，所以共有128組測量值，其中每個(gè)測量值都包含實(shí)部和虛部。實(shí)驗過(guò)程中為使每一個(gè)測量點(diǎn)的數據可靠，對數據進(jìn)行多次檢測產(chǎn)求取平均值，16個(gè)激勵方向下8個(gè)檢測線(xiàn)圈在128個(gè)測量點(diǎn)的測量數據如圖3所示。圖中所示的數據為每個(gè)測量點(diǎn)檢測信號的模值，測量時(shí)被測空間為空場(chǎng)條件。 圖3中(a)為未經(jīng)補償的檢測數據M的圖示，(b)為經(jīng)過(guò)補償計算后的檢測數據E的圖示。圖中底部平面為測量點(diǎn)的圖示，上部為各個(gè)測量點(diǎn)檢測信號模值的圖示，其中，N軸為檢測線(xiàn)圈序號軸，P軸為激勵投影方向序號軸，M軸和E軸為檢測信號的模值。由圖3（b）可知，對于一個(gè)固定的激勵投影方向，各個(gè)檢測線(xiàn)圈的檢測值符合正弦規律；對于某一檢測線(xiàn)圈，當激勵場(chǎng)沿圓周旋轉時(shí)，其檢測值的模值也呈正弦分布。圖3(a)中各個(gè)檢測線(xiàn)圈在16個(gè)激勵方向下的分布幅度不同，這體現出各線(xiàn)圈檢測特性的不一致，但在圖3(b)中， 這一現象得以補償。所以由補償前后的數據圖示可以看出，這種檢測線(xiàn)圈特性補償算法在不改變檢測數據隨投影方向的分布結構的前提下，使得在同一種激勵場(chǎng)下各種線(xiàn)的檢測特性趨于一致。4 補償方法在EMT系統中的實(shí)現 這種補償方法在實(shí)驗系統中的實(shí)現可通過(guò)軟件控制自動(dòng)完成。每次實(shí)驗系統啟動(dòng)時(shí)，首先進(jìn)行補償因子的計算，獲得補償因子后在實(shí)際物場(chǎng)測量時(shí)將檢測線(xiàn)圈的檢測值按照補償算法進(jìn)行修正。由補償因子的計算方法可知，為實(shí)現補償因子的計算，需要在EMT系統啟動(dòng)時(shí)保持被測空間為空場(chǎng)，這樣每次得到的補償值就是符合當時(shí)檢測環(huán)境條件的補償值。如果在系統啟動(dòng)時(shí)不能滿(mǎn)足空場(chǎng)條件，則需要屏蔽這一自動(dòng)補償功能，補償時(shí)可使用預先測得并存儲起來(lái)的補償因子。 應用該補償算法進(jìn)行圖像重建的實(shí)驗結果如圖4所示。圖像重建的實(shí)驗條件是：被測物體為直徑15mm的銅棒，放置于傳感器的中央，激勵場(chǎng)激勵頻率為187.5kHz。圖中的中間部分表示被測物質(zhì)在傳感器截面上分布的概率。 圖4中左邊的重建圖像是檢測線(xiàn)圈未經(jīng)補償獲得的結果，右邊的重建圖像為每個(gè)檢測線(xiàn)圈按照本文所述的方法進(jìn)行補償后獲得的結果。為顯示重建圖像的全部信息，沒(méi)有對概率閾值以下的點(diǎn)進(jìn)行截斷濾除。由兩圖像比較可知，補償后的圖像較準確地反映了被測銅棒的分布位置，同時(shí)也說(shuō)明EMT圖像重建對檢測數據的變化非常敏感，檢測線(xiàn)圈特性不一致產(chǎn)生的微小誤差就可以造成重建圖像的較大偏移。 linux操作系統文章專(zhuān)題:linux操作系統詳解（linux不再難懂）