电学层析成像图像重建算法研究及软件系统设计

摘要

电学层析成像(Electrical Tomography，ET)技术是近年来发展起来的一种新型检测技术，由于其具有无辐射、非侵入、响应速度快和价格低廉等优势，在工业过程成像和医学成像等领域都有良好的应用前景。电容层析成像(ElectricalCapacitance Tomography，ECT)和电阻层析成像(Electrical ResistanceTomography，ERT)是基于不同原理的两种ET技术。
　　 在过去二十多年中，ET技术得到了迅速的发展，但由于ET反问题的求解具有非线性、欠定性和病态性等难点，使得重建图像质量并不理想。同时，软件系统设计相对滞后，功能不够完善。针对目前存在的问题，本文研究了常用图像重建算法的原理，提出了Tikhonov预迭代算法和基于卡尔曼滤波的快速图像重建算法，并开发了一套电学层析成像软件系统，主要工作和结论如下：
　　 1.分析了ET技术的反问题，总结了灵敏度系数算法、Landweber迭代算法、Tikhonov正则化算法、牛顿-拉夫逊算法及共轭梯度算法等五种常用图像重建算法的原理。在此基础上，对Tikhonov迭代算法进行改进，提出了Tikhonov预迭代算法，明显提高了成像速度。
　　 2.对各种常用图像重建算法从重建图像质量和成像速度两方面进行了仿真和实验评价。
　　 3.提出了基于卡尔曼滤波的快速图像重建算法，并通过仿真和实验验证其有效性。结果表明，基于卡尔曼滤波的快速图像重建算法是一种重建图像质量好，成像速度快，而且对噪声干扰有很好鲁棒性的图像重建算法。
　　 4.使用Visual C++编程环境下的MFC和OpenGL开发了一套可用于在线检测和离线分析的电学层析成像软件系统TJU-ET-IV。该软件系统集成了五种快速图像重建算法，可用于对双截面12/16电极ECT/ERT系统进行高速成像，同时实现了USB高速通讯、纵截面显示、截面含气率实时显示、相关速度测量、数据存储及回放等功能。
　　 5.分析了相关速度测量原理，提出了基于截面含气率的气/液两相流相关速度测量方法，利用TJU-ET-IV软件系统具有的数据存储及回放功能对该相关速度测量方法进行了评定实验。实验结果表明，该方法测速精度较高且稳定可靠。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 电学层析成像技术简介

1.2 ET技术的发展概况

1.3 ET图像重建算法的研究现状

1.4 本文的研究内容

1.5 本文的组织

第二章 电学层析成像理论基础

2.1 ET的基本工作原理

2.2 ET敏感场的数学模型

2.2.1 ECT敏感场的数学模型

2.2.2 ERT敏感场的数学模型

2.3 ET正问题分析

2.3.1 求解ET 正问题的方法及选取

2.3.2 ET正问题的有限元法

第三章 电学层析成像图像重建算法研究

3.1 ET反问题

3.2 常用图像重建算法原理

3.2.1 灵敏度系数算法

3.2.2 Landweber迭代算法

3.2.3 Tikhonov正则化算法

3.2.4 牛顿-拉夫逊算法

3.2.5 Tikhonov预迭代算法

3.2.6 共轭梯度算法

3.3 常用图像重建算法评价

3.3.1 仿真评价

3.3.2 实验评价

3.4 基于卡尔曼滤波的图像重建算法

3.4.1 离散型卡尔曼滤波

3.4.2 卡尔曼滤波在图像重建中的应用

3.4.3 基于卡尔曼滤波的快速图像重建算法

第四章 电学层析成像软件系统设计

4.1 TJU-ET-IV软件系统概述

4.2 软件系统界面设计

4.2.1 标题栏和菜单栏

4.2.2 子窗口

4.2.3 对话框和状态栏

4.3 软件系统功能模块设计

4.3.1 USB 通讯模块

4.3.2 算法应用模块

4.3.3 重建图像显示模块

4.3.4 纵截面显示模块

4.3.5 相关速度测量模块

4.4 软件系统安装程序制作

第五章 总结与建议

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢