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电磁层析成像关键技术仿真研究

作　者: 徐传进
导　师: 王超
学　校: 天津大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 电磁层析成像有限元仿真模型图像重建算法屏蔽层正交试验法
分类号: O441.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

电磁层析成像(EMT)技术,是一种基于电磁感应原理的电学层析成像技术,它采用外加的交流激励磁场从不同的角度扫描具有电导率或磁导率媒质分布的敏感场空间,通过检测线圈上测得的感应信号,利用图像重建算法,获得反映敏感场中电导率或磁导率分布信息的二维或三维图像。EMT的理论与系统相对复杂,其敏感场的解随频率的不同而不同,利用仿真手段来研究EMT敏感场,从而选择用于电磁断层成像的数据信息,并利用不同的方法计算灵敏度系数矩阵,是进行图像重建研究的前提。同时,EMT系统屏蔽层参数也会影响其成像效果,对其进行优化设计,可以在一定范围内得到EMT屏蔽层的最优参数,从而指导实际EMT系统屏蔽层的设计。本论文基于EMT技术优点,结合其基本理论,利用有限元仿真软件Comsol,对其关键技术做了仿真研究。主要工作体现在以下三个方面:1、分别建立了三维和二维EMT系统有限元仿真模型,对应用于电导率和磁导率特性成像的数据选取分别进行了三维和二维有限元仿真分析,得到了仿真测量信号与电导率及磁导率之间的关系,利用解析解验证了仿真结果的正确性,最后得到了用于电磁断层成像的数据选取方案。2、分别利用半解析法和有限元模型仿真法计算了八电极系统的灵敏度系数矩阵,然后在两种灵敏度矩阵的基础上,分别利用定性的基于截断奇异值的灵敏度系数法、Tikhonov正则化法和定量的共轭梯度迭代法、牛顿—拉夫逊法进行了图像重建,并对重建结果进行了分析。3、分析了EMT系统的电磁耦合机制,设计了EMT系统屏蔽层优化设计的仿真模型,在确定了优化指标的基础上,分别对屏蔽层的高度及内径进行了仿真优化分析,并利用正交试验法对屏蔽层的内径、高度和材料进行了三因素正交分析,在一定范围内得到了屏蔽层设计的最优参数,最后对EMT系统的完全屏蔽的必要性进行了研究。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章绪论  9-18
  1.1 电磁检测技术发展概况  9-11
  1.2 电磁层析成像技术发展概况  11-13
    1.2.1 信号提取及正问题仿真研究  11
    1.2.2 EMT 技术逆问题研究  11-13
    1.2.3 EMT 技术屏蔽层研究  13
  1.3 电磁层析成像系统工作原理及基本结构  13-15
    1.3.1 电磁层析成像系统工作原理  13-14
    1.3.2 电磁层析成像系统基本结构  14-15
  1.4 电磁层析成像技术的应用前景  15-16
  1.5 本论文的主要研究内容  16
  1.6 本论文的组织结构  16-18
第二章电磁层析成像技术理论基础  18-24
  2.1 电磁层析成像技术的数学基础  18-19
  2.2 电磁层析成像技术的正问题和逆问题  19-24
    2.2.1 电磁层析成像技术正问题描述  20-23
    2.2.2 电磁层析成像技术逆问题描述  23-24
第三章用于电磁断层成像的数据选取分析  24-42
  3.1 三维有限元仿真模型  24-26
    3.1.1 三维仿真模型  24-25
    3.1.2 仿真测量值  25-26
  3.2 二维有限元仿真模型  26-27
    3.2.1 二维仿真模型  26
    3.2.2 仿真测量值  26-27
  3.3 针对电导率特性成像的数据选取仿真研究  27-36
    3.3.1 三维仿真结果  27-31
    3.3.2 二维仿真结果  31-35
    3.3.3 解析解验证  35-36
  3.4 针对磁导率特性成像的数据选取仿真研究  36-40
    3.4.1 三维仿真结果  36-38
    3.4.2 二维仿真结果  38-40
  3.5 数据选取分析结论  40-42
第四章电磁层析成像技术逆问题仿真研究  42-59
  4.1 灵敏度系数矩阵的定义及计算  42-45
    4.1.1 灵敏度系数矩阵的定义  42-43
    4.1.2 半解析法建立灵敏度矩阵  43-44
    4.1.3 有限元模型仿真法建立灵敏度矩阵  44-45
  4.2 图像重建原理  45-46
  4.3 基于截断奇异值的灵敏度系数法  46-51
    4.3.1 算法原理  46-47
    4.3.2 成像结果及分析  47-51
  4.4 Tikhonov 正则化法  51-53
    4.4.1 算法原理  51
    4.4.2 成像结果及分析  51-53
  4.5 共轭梯度迭代法  53-56
    4.5.1 算法原理  53-54
    4.5.2 成像结果及分析  54-56
  4.6 牛顿—拉夫逊法  56-59
    4.6.1 算法原理  56-57
    4.6.2 成像结果及分析  57-59
第五章电磁层析成像技术非磁性屏蔽优化设计  59-77
  5.1 EMT 系统屏蔽层的必要性  59-62
    5.1.1 EMT 系统耦合机制  59-61
    5.1.2 EMT 系统屏蔽层研究现状  61-62
  5.2 EMT 系统屏蔽层设计的仿真模型  62-64
    5.2.1 仿真模型  62-63
    5.2.2 屏蔽层厚度的设计  63-64
  5.3 EMT 系统屏蔽层设计基础  64-68
    5.3.1 优化指标  64-65
    5.3.2 灵敏度系数矩阵的求解  65
    5.3.3 正交试验法概述  65-68
  5.4 EMT 系统屏蔽层设计及优化  68-75
    5.4.1 屏蔽层高度设计  68-70
    5.4.2 屏蔽层内径设计  70-72
    5.4.3 基于正交试验法的屏蔽层优化  72-75
  5.5 EMT 系统完全屏蔽层必要性研究  75-77
第六章总结与建议  77-79
  6.1 本论文工作总结  77-78
  6.2 未来工作展望  78-79
参考文献  79-84
发表论文和参加科研情况说明  84-85
致谢  85

电磁层析成像关键技术仿真研究

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