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电容层析成像系统正问题及图像重建方法的研究

作　者: 胡晟
导　师: 吴新杰
学　校: 辽宁大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 电容层析成像 COMSOL 灵敏度场正问题图像重建 Landweber算法
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 169次
引　用: 2次
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内容摘要

电容层析成像技术(Electrical Capacitance Tomography,ECT)是一种新的计算机层析成像技术,它通过测量管道周围的阵列电容传感器来计算管道内部介电常数物质的空间分布,主要用于工业管道内的多相流检测。电容层析成像技术具有运用广泛、非侵入性、安全、廉价等优点,该技术可用于多相流的可视化监控。ECT技术的成功应用主要取决两个方面:一、围绕正问题建立适当的电容敏感场矩阵;二、以精确的算法为基础完成管道内部介电常数分布的重建工作。因此,本文详细分析了电容层析成像的基本原理,正问题的定义和图像重建算法的改进思想和具体实现方法。主要做了以下一些基本和创新工作:1.分析电容层析成像系统的基本原理并进行相应的仿真。在参阅大量国内外文献的基础上,总结归纳了ECT技术的工作原理和数学模型。借助有限元软件COMSOL,对ECT系统进行仿真计算,建立了ECT系统的二维电场分布模型,求解电容数值和灵敏度场矩阵,为后期图像重建算法提供先验信息。2.由于电容传感器具有“软场”效应,所以电容传感器输出电容与管道内部流体之间不具有线性关系。在传统方法中,电容的估计值是利用敏感度场与介电常数分布线性叠加来完成的,因此电容的估计值与理论计算值将产生很大的误差。基于此,这里提出一种利用电容耦合补偿差来克服传统方法估计电容值存在的缺点。该方法在研究两两相邻像素耦合影响的基础上,建立电容耦合的补偿差矩阵,从而达到对传统电容估计值补偿的目的。最后进行了仿真实验,实验结果表明该方法能够提高电容估计值的精度,这也为电容层析成像正问题的研究提供一个新的方向。3.电容层析成像逆问题属于图像重建的工作,即本文研究的第二个关键部分。大多数图像重建算法都存在重建图像精度不高的缺点。Landweber算法是一种用于求解不适定逆问题的迭代方法,也是目前在ECT图像重建中应用最为普遍的一种迭代算法。然而传统Landweber算法也存在重建图像精度低的问题。基于此,这里提出一种Landweber的改进算法,该算法把传统Landweber算法中固定的迭代因子α改为随机数并结合优化算法思想,从而避免了图像陷入局部极小值,提高图像重建的精度。仿真实验结果表明论文所提方法的有效性。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第1章绪论  10-19
  1.1 电容层析成像技术发展简介  10-15
    1.1.1 PT 技术的分类  10-14
    1.1.2 电容层析成像技术  14-15
  1.2 电容层析成像技术的特点以及需要解决的问题  15-16
  1.3 本文的主要工作与内容  16-17
  1.4 本文的组织  17-19
第2章电容层析成像基础和原理  19-28
  2.1 拉冬变换和拉冬逆变换基本原理  19-20
  2.2 电容层析成像技术的工作原理和方法  20-21
  2.3 电容层析成像中的关键技术  21-24
    2.3.1 电容传感器系统的优化设计  21-22
    2.3.2 电容／电压转换硬件电路研究的进展  22-24
  2.4 电容传感器的基本设计结构  24-25
  2.5 当前图像重建算法的研究进展  25-27
  2.6 本章小结  27-28
第3章电容层析成像正问题的研究  28-44
  3.1 电容层析成像的数学表达式  28-29
  3.2 电容层析成像的有限元模型和敏感场计算  29-37
    3.2.1 电容数值常规归一化及原理  33-34
    3.2.2 电容灵敏度场简介  34-37
  3.3 电容层析成像正问题的像素耦合研究  37-43
  3.4 本章小结  43-44
第4章电容层析成像图像重建算法的研究  44-51
  4.1 电容层析成像常用图像算法的研究  44-47
    4.1.1 线性反投影LBP 算法  44-45
    4.1.2 Landweber 迭代算法  45-47
  4.2 Landwebwer 算法的改进  47-50
  4.3 本章小结  50-51
第5章结论与展望  51-53
参考文献  53-58
致谢  58-59
攻读学位期间发表的学术论文及参加科研情况  59-60

电容层析成像系统正问题及图像重建方法的研究

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