电容层析成像图像重建方法研究
发布时间：2020-07-16 08:00
【摘要】：电容层析成像技术(Electrical Capacitance Tomography,ECT)是一种极具应用前景的测量方法。它通过采集电路获取测量区域外侧多对电极板之间的电容值,并通过适当的图像重建方法依据已获得的电容值对测量区域内的介电常数分布进行可视化的重建。由于其具有非入侵式测量、设备成本低廉、时间分辨率高、安全性高等特点,该技术日益成为工业过程测量中的热门研究对象。由于图像重建质量直接影响了 ECT技术的应用,本文主要研究通过图像重建算法提高成像质量的方法,主要工作与成果如下:(1)分析比较了现有的ECT成像算法,如线性反投影算法,Tikhonov正则化算法,Landweber迭代算法,代数重建法,同步代数重建法,共轭梯度法,牛顿拉夫逊迭代算法,并采用数值实验研究了上述算法的数值性能。(2)提出了一种基于小波变换域稀疏正则化的算法,提高了图像的重建质量。构建了一种新型正则化目标函数,将ECT图像重建任务转换为优化问题。该目标函数用平方和函数作为解的精确性测度,使用小波变换域稀疏正则化作为稳定性泛函。提出了一种线性化交替方向乘子法(Linearized alternating direction method of multipliers),将复杂的优化问题解耦为几个简单的子任务,有效地求解了建立的目标函数。数值实验结果验证了所提出的成像算法能够保证稳定的反演解和较高的重建质量。(3)提出了一种基于文化基因算法(Memetic algorithm)的ECT图像重建算法,克服了输入数据不准确性对成像精度的不利影响,提高了获取全局最优解的可能性。构建了一个新的目标函数将ECT图像重建问题转化成为一个最优化问题,该代价函数用最小截断二乘估计(Least trimmed squares)作为解的精确性测度,用Lp范数作为稳定泛函。提出了集成猴王进化算法(Monkey king evolution)和 Fletcher-Reeves 共轭梯度方法(Fletcher-Reeves conjugate gradient)优势的文化基因算法(Memetic algorithm),有效的求解该目标泛函。数值模拟结果表明,在所考虑的仿真例子中,所提出的文化基因算法比经典的ECT图像重建方法可以获得更好的图像。(4)为克服单一先验信息正则化方法难以高精度重建出复杂成像目标的缺陷,提出了一种基于多先验信息约束的图像重建算法提高成像质量。设计了一种同时考虑重建目标稀疏性和低秩性约束的目标函数;提出了一种融合了分裂布雷格曼迭代法(Split Bregman iteration method)和快速迭代收缩阈值算法(Fast iterative shrinkage thresholding algorithm)优良性能的迭代方案对目标函数进行求解,将复杂的图像重建问题解耦成若干个易于求解的子问题,降低了计算复杂度。数值仿真结果验证了所提出的成像算法不仅提高了重建精度,而且具有一定的稳健性。研究发现提高了 ECT图像重建质量,为解决多相流参数可视化测量难题做出贡献。
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP391.41;O359.1
【图文】：
。？种融合了小波变换域稀疏性约束和线性化交替方向乘子法的图像重建数值实验结果验证了所提出的成像算法能够保证解的稳定性和重建精第五章，基于文化基因算法的迭代正则化图像重建算法。为了克服输入准确性对成像精度的不利影响，并提高获取全局最优解的可能性。提出集成了最小截断二乘估计，＼范数正则化和文化基因算法的图像重建算的求解ＥＣＴ逆问题。数值模拟结果表明，在所考虑的仿真例子中，所文化基因算法比常规Ｅ邋Ｃ邋Ｔ成像方法可以重建出更高质量的图像。逡逑第六章，Ｓｐｌｉｔ邋Ｂｒｅｇｍａｎ图像重建算法。为了克服单一先验信息正则化方以高精度重建出复杂成像目标的缺陷，并进一步提高重建图像的质量和算健性，设计了邋一种基于成像目标稀疏性和低秩性先验信息的图像重建算了一种融合了分裂布雷格曼迭代法和快速迭代收缩阈值算法优良性能的案对目标函数进行求解。数值仿真结果验证了所提出的成像算法不仅提建精度，而且具有一定的稳健性。逡逑第七章，总结与展望。总结了本文的主要研宄内容，并对结合ＥＣＴ技术为未来的发展做了几点展望。逡逑逦ｒ＞－逦第１章绪论逡逑
ＥＣＴ系统采用电容采集装置捕获排布于被测区域外侧多对电极板之间的电逡逑容值。然后采用适当的成像算法，依据所获电容值反演出内部介电常数的分布逡逑情况。图２．１是一个典型ＥＣＴ系统结构图，从图中我们可以了解，它由电容采逡逑集装置、传递电容信号的测量电路、可以通过某种算法反演出介电常数分布情逡逑况的成像系统组成。逡逑？逦电容值逡逑装二邋｜逦？逡逑－逦控制信号逡逑传感器逦成丨象系统逡逑图２．〗电容层析成像采集系统逡逑Ｆｉｇ．邋２．１邋ＥＣＴ邋ｓｙｓｔｅｍ逡逑ＥＣＴ系统在运行时，由于测量区域内存在两种或两种以上介电常数不相同逡逑的介质，当它们分布发生不相容混合时，极板间的电场会发生变化。由电容采逡逑集装置捕获电场分布情况的一维信息，此信息体现于电容采集装置中极板对之逡逑间电容值的大小。然后通过数据采集装置收集电容信息，经过电容电压转换电逡逑路、放大电路、乘法电路、滤波电路、模数电路，将电容信息离散成为成像系逡逑统可以使用的数字信号，并传输至成像系统。获取到电容信息的成像系统，通逡逑过一个适当的成像算法，依据所获得的电容数据对被测区域内的介电常数分布逡逑情况进行重建。逡逑１２逡逑
２．１．１电容传感器逡逑一个标准的ＥＣＴ电容传感器会在测量ｌｘ：域外侧排布多个测量电极，比较常逡逑见的电极数量有８，邋１２，〗６。典型１２电极圆形ＥＣＴ传感器结构图如图２．２所示。逡逑电容传感器内侧是均匀排布在管道外表面上的检测电极，多采用金属铜制作而逡逑成。在检测电极之间是１２个隔离电极，它们通过直接接地的方式对每个检测电逡逑极进行隔离，削弱检测电极之间相互的影响。电容传感器最外侧是屏蔽罩，它逡逑也是通过直接接地的方式减弱静电辐射对被测物场的影响。在屏蔽外罩和管道逡逑之间，填充了削弱外在因素对被测物场影响的绝缘材料｜３６，６６１。逡逑绝缘填￥材㈣逦检，电极逡逑（＾逡逑图２．２邋１２极板传感器结构阁逡逑Ｆｉｇ．邋２．２邋１２－ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ邋ｓｅｎｓｏｒ逡逑由于电容采集设备是获取电容值的第道Ｔ序，对其进行保护是十分必要逡逑的。在运行时，隔离屯极和屏蔽罩必须通过同轴电缆直接接地，这样做可Q囆у义系钠帘瓮饨缁肪潮浠员徊馕锍〈吹挠跋
本文编号：2757737
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP391.41;O359.1
【图文】：
。？种融合了小波变换域稀疏性约束和线性化交替方向乘子法的图像重建数值实验结果验证了所提出的成像算法能够保证解的稳定性和重建精第五章，基于文化基因算法的迭代正则化图像重建算法。为了克服输入准确性对成像精度的不利影响，并提高获取全局最优解的可能性。提出集成了最小截断二乘估计，＼范数正则化和文化基因算法的图像重建算的求解ＥＣＴ逆问题。数值模拟结果表明，在所考虑的仿真例子中，所文化基因算法比常规Ｅ邋Ｃ邋Ｔ成像方法可以重建出更高质量的图像。逡逑第六章，Ｓｐｌｉｔ邋Ｂｒｅｇｍａｎ图像重建算法。为了克服单一先验信息正则化方以高精度重建出复杂成像目标的缺陷，并进一步提高重建图像的质量和算健性，设计了邋一种基于成像目标稀疏性和低秩性先验信息的图像重建算了一种融合了分裂布雷格曼迭代法和快速迭代收缩阈值算法优良性能的案对目标函数进行求解。数值仿真结果验证了所提出的成像算法不仅提建精度，而且具有一定的稳健性。逡逑第七章，总结与展望。总结了本文的主要研宄内容，并对结合ＥＣＴ技术为未来的发展做了几点展望。逡逑逦ｒ＞－逦第１章绪论逡逑
ＥＣＴ系统采用电容采集装置捕获排布于被测区域外侧多对电极板之间的电逡逑容值。然后采用适当的成像算法，依据所获电容值反演出内部介电常数的分布逡逑情况。图２．１是一个典型ＥＣＴ系统结构图，从图中我们可以了解，它由电容采逡逑集装置、传递电容信号的测量电路、可以通过某种算法反演出介电常数分布情逡逑况的成像系统组成。逡逑？逦电容值逡逑装二邋｜逦？逡逑－逦控制信号逡逑传感器逦成丨象系统逡逑图２．〗电容层析成像采集系统逡逑Ｆｉｇ．邋２．１邋ＥＣＴ邋ｓｙｓｔｅｍ逡逑ＥＣＴ系统在运行时，由于测量区域内存在两种或两种以上介电常数不相同逡逑的介质，当它们分布发生不相容混合时，极板间的电场会发生变化。由电容采逡逑集装置捕获电场分布情况的一维信息，此信息体现于电容采集装置中极板对之逡逑间电容值的大小。然后通过数据采集装置收集电容信息，经过电容电压转换电逡逑路、放大电路、乘法电路、滤波电路、模数电路，将电容信息离散成为成像系逡逑统可以使用的数字信号，并传输至成像系统。获取到电容信息的成像系统，通逡逑过一个适当的成像算法，依据所获得的电容数据对被测区域内的介电常数分布逡逑情况进行重建。逡逑１２逡逑
２．１．１电容传感器逡逑一个标准的ＥＣＴ电容传感器会在测量ｌｘ：域外侧排布多个测量电极，比较常逡逑见的电极数量有８，邋１２，〗６。典型１２电极圆形ＥＣＴ传感器结构图如图２．２所示。逡逑电容传感器内侧是均匀排布在管道外表面上的检测电极，多采用金属铜制作而逡逑成。在检测电极之间是１２个隔离电极，它们通过直接接地的方式对每个检测电逡逑极进行隔离，削弱检测电极之间相互的影响。电容传感器最外侧是屏蔽罩，它逡逑也是通过直接接地的方式减弱静电辐射对被测物场的影响。在屏蔽外罩和管道逡逑之间，填充了削弱外在因素对被测物场影响的绝缘材料｜３６，６６１。逡逑绝缘填￥材㈣逦检，电极逡逑（＾逡逑图２．２邋１２极板传感器结构阁逡逑Ｆｉｇ．邋２．２邋１２－ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ邋ｓｅｎｓｏｒ逡逑由于电容采集设备是获取电容值的第道Ｔ序，对其进行保护是十分必要逡逑的。在运行时，隔离屯极和屏蔽罩必须通过同轴电缆直接接地，这样做可Q囆у义系钠帘瓮饨缁肪潮浠员徊馕锍〈吹挠跋
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