基于磁-声-电效应的电阻率过程层析成像新方法研究

Electrical Capacity Tomography and Electrical Resistivity Tomography are widely studied in multiphase flow's detection. Because the spatial resolution is limited by the number of electrodes, it is far away from satisfying the requirement of industrial applications. This project propose a new method for resistivity process tomography based on the coupling effect of magnetic field, electric field and acoustic field, named Magneto-Acousto-Electrical Process Tomography(MAE-PT for short). Many planar ultrasonic transducers at different locations can stimulate the burst pulse ultrasonic waves(Multi-transmitting), and the ultrasonic vibrations can lead to the charge separations under static magnetic fields and form the local current sources travelling with ultrasonic waves. And a non-contact coil is used to detect the induced voltage (Single-receiving). According to the coupling relationships and the reciprocal theory, the resistivity reconstruction algorithms can be developed with this multi-transmitting single-receiving mode. MAE-PT, combining the advantage of high resolution of ultrasounds and high contrast rations and high detection speeds of ERT, is expected to be a real time and high resolution method in oil and water two phase flow detection. It could be an independent intellectual property for high resolution resistivity tomography.

电容层析成像（ECT）和电阻层析成像（ERT）在多相流过程层析成像中研究较为广泛，但其空间分辨率受限于检测电极的数目，导致成像精度较低，还远未满足工业应用的要求。本项目提出了一种全新的基于磁、声、电耦合效应的电阻率过程层析成像方法：磁-声-电过程层析成像方法（简称：MAE-PT），它利用若干个平面超声换能器激励超声窄脉冲信号（多激励），在静磁场作用下，超声振动受到洛仑兹力产生电荷分离，形成随超声传播的局部电流源，并通过一个非接触式的线圈检测感应电压信号（单接收）。根据电场、磁场和声场的耦合关系，借助耦合场的互易定理，研究与之相对应的多激励、单接收式磁-声-电电阻率过程层析成像的重建算法，并进行验证性实验。MAE-PT结合了超声层析成像空间分辨率高和电阻层析成像参数对比度大，检测速度快的优点，有望在油水两相流检测领域实现实时、高分辨率的成像检测，形成具有自主知识产权的高分辨率层析成像方法。

磁声电成像是一种利用磁场、声场和电场三场耦合作用实现的非侵入式电导率成像方法。它适合对油水两相流等流体或近似流体的声学介质进行高分辨率的电导率成像。本项目针对电极检测式磁声电成像的正、逆问题展开研究，建立并完善了一套基于互易定理的磁声电成像正、逆问题的理论框架。在正问题研究中，以声波波动方程和麦克斯韦方程组为基础，研究了磁场、声场、电场相互作用的物理机制，利用互易定理推导了电极检测式磁声电成像正问题的积分表达式。针对电导率成像的逆问题，研究了求解第一类Fredholm积分方程的方法，借助波动方程的格林函数解和时间反转法实现了互易电流密度的重建。针对油水两相流层析成像的具体问题建立了磁声电成像的仿真模型，通过理论推导和数值计算，验证了该方法的正确性和可靠性。.本文在理论上首次提出并完善了线圈检测式磁声电成像（也成为感应式磁声电成像）的互易定理，将感应式磁声成像和感应式磁声电成像两种互易的方法在理论上关联了起来。在正问题的研究中，分析了线圈检测式磁声电成像多物理场耦合的理论基础，利用低电导率介质中感应电场时空分离的特性，借助电磁场空间分量导出了描述互易定理的积分方程。在逆问题研究中，证明了线圈检测式磁声电成像的逆问题可以通过感应式磁声成像逆问题的求解方法进行求解，并通过数值仿真进行了验证。.将压缩感知算法引入到磁声电成像逆问题中来，利用正交匹配追踪算法在二维平面模型中重建了互易电流密度的旋度及其互易电流密度矢量的两个分量。研究了利用拟牛顿法和阻尼最小二乘算法从互易电流密度矢量及其旋度中重建电导率的方法。.设计并制作了线圈检测式磁声电成像的实验验证系统。该系统包括同步触发控制与数据采集系统、超声激励系统、前置低噪声放大器、磁体与屏蔽式旋转扫描测试平台、检测线圈和电源系统六大部分。利用自制设备进行了感应式磁声电成像实验，成像结果与仿体原始电导率分布基本吻合，验证了感应式磁声电成像方法的可行性。