高压交流激励24极板电容层析成像系统的算法研究

摘要

过程层析成像(PT)技术是近些年迅速发展起来的一门新技术，此项技术在解决多相流检测的问题上具有极大的发展潜力，工业应用前景广阔。电容层析成像(ECT)技术是基于电容敏感原理的过程成像技术，具有非辐射、非侵入、响应速度快、结构简单、成本低、适用范围广以及安全性能好等优点，已成为过程层析成像技术发展的研究热点。
　　本文以电容层析成像技术应用在大尺寸被测对象上为研究背景，对高压交流激励24极板ECT系统设计和24极板ECT系统图像重建算法进行了深入的分析和研究。本文的主要工作内容如下:
　　(1)设计了高压交流激励24极板ECT系统，完成了系统稳定性测试，并分别与低压激励ECT系统和8极板ECT系统进行了对比实验，实验结果表明，与低压激励ECT系统和8极板ECT系统相比，高压激励的24极板ECT系统具有更好的目标识别能力和重建图像质量。
　　(2)对24极板ECT系统进行图像重建仿真实验，用Landweber迭代法和MLRR迭代法分别进行图像重建，并用相应的重建图像质量评价指标对重建图像的质量进行评价，对比分析两种算法成像的优劣并确定不同流型的最佳迭代次数。结果表明，对于不同占空比的不同流型，两种算法的成像质量和最佳迭代次数是不同的。
　　(3)施加不同水平的噪声到仿真数据上，实验结果表明，重建图像质量随着噪声干扰水平的增加而呈下降趋势，MLRR迭代法的抗干扰性比Landweber迭代法的抗干扰性差，也就是说，MLRR迭代法对于随机噪声的敏感程度高于Landweber迭代法，更易受到外界干扰的影响。
　　(4)针对所搭建的高压交流激励24极板ECT系统进行物理模型实验，图像重建算法采用线性反投影算法、Landweber迭代法和MLRR迭代法，设置几种不同的典型流型，从实验结果可以看出，系统对常见的典型流型具有良好的成像效果，说明增加极板数目有助于减小图像重建的难度，且MLRR迭代法关于多数流型的成像误差均比其它两种方法的成像误差小。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 过程层析成像技术简介

1．2 电容层析成像技术的发展现状

1．2．1 ECT的应用研究现状

1．2．2 ECT的图像重建算法研究现状

1．3 课题背景及主要研究内容

1．4 论文的组织结构

第2章 电容层析成像技术及图像重建算法

2．1 电容层析成像技术的数学基础

2．2 电容层析成像系统的结构组成

2．2．1 传感器阵列

2．2．2 数据采集系统

2．2．3 成像系统

2．3 电容层析成像系统的灵敏度分布

2．4 电容层析成像的图像重建算法

2．4．1 线性反投影算法

2．4．2 Tikhonov正则化方法

2．4．3 基于模型的MOR法

2．4．4 迭代算法

2．4．5 人工神经网络算法

2．5 电容层析成像系统图像重建质量评价指标

2．6 本章小结

第3章 高压交流激励24极板ECT系统的设计

3．1 高压交流激励24极板ECT系统的设计

3．1．1 高压激励信号发生电路

3．1．2 电容／电压转换电路

3．1．3 极板切换电路及极板切换控制电路

3．1．4 传感器阵列的参数选择

3．2 基于高压交流激励24极板ECT系统的电路稳定性测试

3．3 对比实验

3．3．1 高压激励ECT系统与低压激励ECT系统对比实验

3．3．2 8极板ECT系统与24极板ECT系统对比实验

3．4 本章小结

第4章 24极板ECT系统的算法研究

4．1 24极板ECT系统多元线性回归的正则化迭代图像重建算法

4．1．1 正问题的多元线性回归建模

4．1．2 逆问题的正则化解

4．2 24极板ECT系统的图像重建仿真实验

4．2．1 24极板ECT系统的灵敏度矩阵

4．2．2 决定不同流型最佳迭代次数的仿真实验

4．2．3 仿真数据施加噪声干扰实验

4．3 本章小结

第5章 高压交流激励24极板ECT系统的物理模型实验

5．1 测量数据预处理

5．2 图像重建算法

5．3 高压交流激励24极板ECT系统的物理模型实验

5．4 物理模型实验结论

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

参考文献

致谢