电容层析成像的图像重建算法研究与半物理仿真平台设计

发布时间：2019-09-11 10:48

【摘要】：电容层析成像(Electrical Capacitance Tomogyraphy)主要用于两相流和多相流的可视化测量。该技术根据测量得到的电容数据来重建被测物场中的介质分布。因具有非侵入、无辐射、低成本、可视化、便于安装与维护等优点,ECT被认为是一种具有广阔应用前景的检测技术。ECT技术是否能够成功应用,在很大程度上取决于图像重建算法的性能。本文首先对ECT传感器的敏感场模型与计算方法、“软场”特性机理及其影响进行较为深入的研究;在此基础上,为了弥补“软场”特性对图像重建的消极影响,提出两种新的图像重建算法,即DPSCO与ECT-CS图像重建算法,并对经典的Landweber法进行改进,以解决其半收敛问题；最后,设计一套ECT半物理仿真平台。主要完成以下工作内容：(1)阐述ECT系统的原理,对经典图像重建算法进行推导、分析与仿真,总结出经典算法的普遍症结,并解决Landweber方法的半收敛问题。首先,对ECT系统的组成结构与工作原理进行详细论述,并分析ECT技术在数学上的理论依据。其次,对灵敏度分布——这一在反问题求解中涉及到的关键因素进行深入分析。再次,对5种经典的图像重建算法(线性反投影法、Tikhonov正则化法、Landweber法、Newton-Raphson法,以及共轭梯度法)进行分析推导,对其优缺点进行总结,给出了仿真结果,并指出经典算法存在的普遍症结。此外,针对Landweber法的半定收敛性问题,对导致该问题的数学原因进行分析,构造一种压缩算子以实现Landweber法的稳定收敛,通过实验验证了改进后的Landweber法的收敛稳定性。(2)针对图像重建的重要先验条件(即灵敏度分布)的求解问题,基于有限单元法,通过建立ECT静电场电位分布的计算模型,得到灵敏度分布的数值解。在有限元法的意义下,描述灵敏度分布的计算过程,并给出其图形化的计算结果。(3)针对图像重建精度受“软场”特性制约的问题,基于粒子群优化原理,提出双粒子群协同优化的图像重建算法,并将其命名为DPSCO算法。首先,探究ECT“软场”特性的产生机理,并描述其物理表现,进而分析得到“软场”特性对图像重建的影响途径。在此基础上,提出DPSCO算法。在该算法中采用最小二乘支持向量机对图像样本进行训练,得到一个用以描述“软场”特性影响程度的先验条件。基于该先验条件构造粒子群优化的适应度函数,进而来补偿“软场”特性对图像重建的影响。同时,由于标准粒子群优化算法用于ECT图像重建中表现出早熟收敛,针对该问题,引入描述种群竞争的Lotka-Volterra方程,并设计双粒子群的竞争策略,从而使得粒子群具有更强的全局收敛性。最后,通过仿真实验证明,DPSCO算法能够弥补“软场”特性对重建图像精度的影响,虽然在计算时间上付出了一定的代价,然而,与LBP、Landweber和Newton-Raphson法相比,该算法可将重建图像的精提高200%～50%,并且比标准粒子群优化方法更易于收敛到全局最优。(4)针对经典算法的普遍症结,特别是对复杂流型的图像重建精度较低的问题,基于压缩感知理论,提出ECT-CS图像重建算法。该算法通过对两相流的流型进行合理分类,并针对每类流型建立一个样本子集,由所有样本集组成介电常数分布向量的完备或过完备空间,从而实现对任意介电常数分布向量的稀疏分解。利用压缩感知的理论框架及其成熟的信号重构算法,将图像重建转换为凸优化问题。同时,考虑图像重建结果因“软场”特性而产生的偏差,并对介电常数分布信号中的离散相分量进行单独求解,进而实现对“软场”特性影响的补偿。最后,通过仿真实验证明,与经典算法相比,ECT-CS算法能够将重建图像的精度提高60%以上,可满足高精度非实时检测的需要。(5)为了在一个平台上不仅能够对图像重建算法进行验证,还能兼顾电容传感器的研究与设计,引入半物理仿真的方法,设计开发一套ECT半物理仿真实验系统。利用LabVIEW平台,将传感器和数据采集单元设计为虚拟仪器,并借助MATLAB完成电容传感器的虚拟测量,给出了该虚拟仪器的设计结果及其图形化的实现方法。同时,利用基于DSP的嵌入式处理系统对图像重建单元进行物理实现,并给出了DSP系统各主要模块的硬件原理与软件实现过程。
【图文】：

示意图,软场特性,示意图,测量区

所谓＂硬场＂是指电磁波在测量区域内沿固定的直线方向传播，其传播方向并逡逑不因介质的分布而改变，测量区域内单元点的测量值，由沿探测路径上被测目标物逡逑质的测量值决定￡１３，因此测量是局部的，如图１．１（ａ）所示，例如Ｘ射线ＣＴ。所谓逡逑＂软场＂是指电磁波在整个测量区域内传播，其传播方向因介质的分布而发生改变，逡逑测量区域内单元点测量值由区域内各位置的待测量目标的测量值所共同决定因逡逑此测量是全局的，如图１．１（的所示，本文所研究的ＥＣＴ系统，就具有典型的＂软场＂逡逑特性。逡逑虽然ＰＴ技术是在ＣＴ技术的基础上提出的，但与后者相比，ＰＴ技术主要用于逡逑工业现场，同时ＰＴ技术也有其自身的特殊性，，因此在其实际应用过程中面临很大逡逑的困难，主要表现在Ｗ下几个方面ｔＷ：逡逑（１）

电容传感器,绝缘管,多相流,铜质

对Ｌａｎｄｗｅｂｅｒ方法的半收敛性问题，研究一种改进方法。逡逑２．１电容层析成像系统的组成结构逡逑ＥＣＴ系统由电容传感器、数据采集和图像重建单元Ｈ部分组成，如图２．１所示。逡逑ＥＣＴ系统所测量的多相流通常被置于一个绝缘管道或容器中。由于不同的物质具有逡逑完全互异的介电常数，所Ｗ当任何一相介质的分布或浓度发生改变时，将直接改变逡逑多相流整体的等价介电常数。若在管道外壁均匀且对称地布置铜质电极，则电极对＾逡逑间的测量电容值也将随之发生变化。通过测量电容值，并对其进行处理就能得到管逡逑道内介质的分布、含率等信息ＥＣＴ系统的Ｈ个组成部分如下所述。逡逑—传巧器单兀￣１．１逦１逦；逦图像重建单元逡逑多路转换器与）电屒即测量与巧据；逡逑T?」采集单元；＾１逡逑Ｉ邋逦逡逑图２．１邋ＥＣＴ系统的组成结构逡逑２．１．１电容传感器逡逑ＥＣＴ系统的电容传感器与用于隔离直流电和储能的普通电容器不同，它通常由逡逑布置在绝缘管道外壁的若干对铜质或不诱钢极板构成。同时，为了防止外界电磁场逡逑对管道内的被测场域产生干扰，一般将管道和测量电极放置在接地的屏蔽罩之内。逡逑此外，为了扩大传感器的动态测量范围，降低相邻电极间的固有电容，在各测量电逡逑极之间还设置了接地的径向保护电极［９’９１１邋ＥＣＴ系统的
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP391.41

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