利用电容层析成像监测泥石流

周 磊，刘 石

1.华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京 102206

2.华北电力大学控制与计算机工程学院，北京 102206

利用电容层析成像监测泥石流

周 磊，刘 石

1.华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京 102206

2.华北电力大学控制与计算机工程学院，北京 102206

泥石流是含有大量泥砂、石块的一种特殊的多相流体，会对人民生命、财产造成严重的危害。因此，对泥石流的监测尤为重要。电容层析成像（ECT）是目前广泛研究的一种两相流过程层析成像技术，能够呈现观测截面上的物质分布图像，是一种具有非侵入性和非破坏性的流体模拟成像技术。本文利用ECT方法，模拟泥石流流动，实现可视化监测。

泥石流；ECT；图像重建

由于泥石流是复杂的多相流体，并且现今人们对其成因及作用机理并不十分了解，如果能够进行过程成像监测，那么将对其成因及机理研究起到巨大的作用。而过程监测技术，尤其是ECT技术由于其特有的优势，可能将在泥石流检测方面发挥重要的作用。ECT技术的测量原理是基于多相流体各分相介质具有不同的介电常数，当各相组分浓度及分布发生变化时，会引起多相流混合体等价介电常数的变化，从而使其测量电容值随之发生变化，电容值的大小反映多相流介质相浓度的大小和分布状况。因此，电容值的大小可以作为多相流浓度的变量。采用多电极阵列式电容传感器，其各电极之间的相互组合可提供反映多相流体浓度分布的多个电容测量值，以此为投影数据采用合适的图像重建算法，即可重建被测区域内多相流介质分布状况的图像。

1 实验装置

实验台整体结构包括：模拟泥石流坡路的管道、ECT测量系统以及物料循环利用的辅助设备（如图1所示）。模拟泥石流的实验用油从坡度可调的管路流下，流量可调，在球状，柱状容器中注入酒精和湿沙用于模拟浆体流中的固体块状物质，ECT传感器对管道内浆体流进行实时可视化测量，可观察固体块状物位置，计算其运动速度。

图1 实验系统示意图

2 图像重建算法

本文采用线性反投影算法（Linear Back Projection,简称LBP）作为图像重建算法[2]。目前，ECT系统中使用的是基于全灵敏度信息为权值的滤波LBP法，该算法基于以下2点假设：

1）假设电介质分布对电容灵敏度分布的影响很小，可以忽略；

2）假定被测电容的任何变化都是介电常数在整个管道截面上与灵敏度值成比例的变化所致。

这样LBP法所重建的图像中第k个象素的灰度值G(k)表示如下：

式（2.1）中N为极板数目，Ni,j为i-j极板对的归一化电容值，Ci,j为i-j极板对的电容值，分别为管道被低介电常数相εl和高介电常数相εh充满时i-j极板对间的电容值。Si,j(k)为第k个象素相对于i-j极板对的灵敏度值。

LBP算法表达如下：

为减少LBP算法本身所带来的边缘模糊现象，还需对G(k)设置一门限滤波，设灰度值范围为0～255，则：

式（2.3）中，η为门限滤波值，由下式确定：

式（2.4）是由数值实验所确定的经验公式，式中AVG 为平均算子。

该方法具有简单、计算量小、速度快等优点，得到了广泛应用。

3 实验数据及结果分析

3.1 物块位置的判断

由于ECT为可视化实时监测技术，因此既便于对泥石流的及其强度的汇报，以进一步采取措施，又便于本实验中直接读出其位置。下面通过图像直接读出其位置。

3.2 物块经过两传感器所经过的距离

由于沿管道方向，两传感器间的距离仅为，因此可将物体所经过的轨迹近似看出是直线，即只需知道两传感器的图形截面中同一物体所在空间位置，根据下面公式即可算出物块所经过的距离，注意，截面图中的坐标总刻度为40×40，而实际管道为15×15cm2，所以 ：

3.3 物块经过两传感器所经过的时间间隔

由于实验采集数据时，均为3000帧图像，程序运行29s，这样每两帧图像的时间间隔为29/3000s，根据3.4中所选不同图像的帧数差即可算出同意物块经过两传感器的时间间隔：

3.4 物块经过两传感器所经过的平均速度

根据下面公式即可世界算出速度：

4 结论

本文采用大粘性流体—油模拟泥石流流动过程，经过ECT系统处理，可观察到高分辨率的管道内部浆体流分布图像，可进行速度、位置等的计算测量，为泥石流试验研究提供了有效可行的手段，对研究泥石流的机理有重要意义。

[1]夏其发.山区地质灾害的预测和防治(三).

[2]雷兢.多相流的电容层析成像图像重建研究.中国科学院工程热物理研究所博士学位论文，2008.

P642.23

A

1674-6708（2010）23-0196-02