利用電容層析成像監(jiān)測泥石流

1、利用電容層析成像監(jiān)測泥石流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(shù) , 尤其是 ECT 技術(shù)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(shù)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

2、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(shè)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 Projecti

3、on, 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(quán)值的濾波 LBP法,該算法基于以下2點假設(shè):1) 假設(shè)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 :(2.1)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)相和 高介電常數(shù)相充滿時 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。

4、LBP算法表達如下:G=STC (2.2)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(shè) 置一門限濾波 , 設(shè)灰度值范圍為 0255, 則:(2.3)式(2.3) 中, 為門限濾波值 , 由下式確定 :(2.4)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(shù)，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

5、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 40X 40,而實際管道為15X 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 :,其中N為幀數(shù)差。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一油模擬泥石流流動過程，經(jīng)過ECT系