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基于线电极和自适应网格的电阻层析成像技术研究

作　者: 徐玉峰
导　师: 石天明
学　校: 中国石油大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 电阻层析成像等电势线电极有限元网格自动划分图像重建
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 66次
引　用: 2次
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内容摘要

电阻层析成像(Electrical Resistance Tomography,简称ERT)技术是基于电阻测量的层析成像技术的一种。在不同的电流激励下,通过安装在有多相流流动的绝缘圆管内壁的电极来进行测量。根据测量数据,通过某种反演方法得出流型的电阻率分布重建图像。ERT在多相流测量方面有很多优点,例如能够反映过程图像、对媒质具有非侵入性、快速、无扰动、无辐射、低成本等。本论文根据已经建立的等电势线电极模型,通过对ERT的仿真(包括正问题和反问题)研究比较了不同电极模型的效果,特别是对点电极模型和线电极模型进行了以下几点比较:(1)有限元正问题的计算精度、(2)图像重建的成像效果和(3)不同模型下的运算时间。仿真结果表明在相同尺寸电极下的高精度等电势线电极模型有独特优势,能够生成较密的网格,相对于点电极模型能够得到更高质量的反演图像。本论文的另一项工作是ERT测量中的动态网格划分。根据原有的重建图像捕捉到两相流的边缘,得到要划分的网格单元。将边界区域有限元网格的三角形单元划分成四个相似的小三角形,利用新的有限元网格进行正问题和反问题的计算。最后建立了一个动态的有限元模型,使其能够对于不断变化的多相流得到更好的图像重建效果。在新的动态网格的基础上,对三种模型进行了仿真研究(1)自适应有限元模型、单点电极模型和线电极模型三者的正问题计算;(2)自适应网格的图像重建效果;(3)自适应网格的计算精度和时间消耗的评价。仿真结果表明自适应有限元模型的计算精度要高于非自适应有限元模型;其时间消耗要少于网格全部细化的高精度线电极有限元模型。自适应有限元模型既提高了计算精度,又保证了ERT系统的实时性。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-17
  1.1 两相流检测概述  10-12
    1.1.1 两相流检测概念  10
    1.1.2 多相流检测技术研究的重要意义  10-11
    1.1.3 两相流/多相流检测技术的现状  11
    1.1.4 两相流/多相流检测技术的发展趋势  11-12
  1.2 电阻层析成像技术简介  12-15
    1.2.1 ERT 系统构成与特点  12-13
    1.2.2 电阻层析成像的研究现状  13-14
    1.2.3 电阻层析成像的发展趋势  14-15
  1.3 本论文的主要工作与内容  15-17
第2章电阻层析成像技术  17-25
  2.1 ERT 技术的工作原理  17-18
  2.2 ERT 正问题求解方法  18
  2.3 ERT 正问题的有限元解  18-22
    2.3.1 有限元方法的基本原理  18-19
    2.3.2 ERT 敏感场有限元方程的建立  19-22
  2.4 ERT 的反问题  22-25
    2.4.1 图像重建算法概况  22-23
    2.4.2 反问题的不适定性、病态性  23
    2.4.3 图像重建算法的评价方法  23-25
第3章 ERT 有限元模型参数性能的比较与分析  25-44
  3.1 点电极与线电极模型  25-27
    3.1.1 点电极与线电极模型介绍  25-26
    3.1.2 等电流线电极模型  26-27
  3.2 等电势线电极有限元建模  27-29
    3.2.1 等电势线电极模型方程  27-28
    3.2.2 等电势线电极模型的仿真条件  28-29
  3.3 基于等电势线电极的正问题计算  29-33
    3.3.1 点电极有限元模型与等电势线电极模型比较分析  30-31
    3.3.2 等电势线电极与等电流线电极模型正问题分析  31-33
  3.4 基于等电势线电极模型的ERT 图像重建  33-42
    3.4.1 线性反投影算法（LBP）  34-36
    3.4.2 同种流型线电极与点电极重建结果分析  36-37
    3.4.3 不同流型线电极与点电极重建结果分析  37-38
    3.4.4 MNR 算法简介  38-40
    3.4.5 等电势线电极与均电流线电极MNR 重建结果分析  40-42
  3.5 图像重建实时性分析  42-43
  3.6 本章小结  43-44
第4章 ERT 自适应有限元模型设计  44-55
  4.1 现有有限元模型的局限性  44
  4.2 有限元网格划分的基本原则  44-46
  4.3 ERT 有限元模型网格的细化方案  46-50
    4.3.1 有限元模型改进基础  46-47
    4.3.2 网格细化方案选择  47-48
    4.3.3 有限元模型边界单元选择及网格的细化  48-49
    4.3.4 细化单元的后期处理  49-50
  4.4 细化后有限元网格的编号系统设计  50
    4.4.1 节点编号  50
    4.4.2 单元编号  50
  4.5 细化后有限元模型的效果  50-54
    4.5.1 不同流型细化时A 值选取  51-53
    4.5.2 不同流型细化效果  53-54
  4.6 本章小结  54-55
第5章基于改进边界区域有限元模型的性能分析  55-64
  5.1 改进模型的正问题分析  55-58
  5.2 LBP 图像反演效果分析  58-59
  5.3 MNR 反演效果分析  59-61
    5.3.1 MNR 反演效果图  59-61
  5.4 实时性分析  61-62
    5.4.1 正问题计算时间比较  61
    5.4.2 图像重建时间比较  61-62
  5.5 本章小结  62-64
结论  64-66
参考文献  66-69
致谢  69

基于线电极和自适应网格的电阻层析成像技术研究

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