电容层析成像系统电容归一化模型研究

摘要

电容层析成像（Electrical Capacitance Tomography，ECT）技术是20世纪80年代发展起来的用于检测工业管道中多相流的过程层析成像技术，它是通过测量安装在被测物场周围电极之间的电容值，通过图像重建算法获得介质介电常数分布的二维/三维重建图像。ECT技术具有非侵入、响应速度快、非辐射、成本低、安全性能好等优点，为多相流参数测量提供一种新的可视化检测方法。 在电容层析成像图像重建中，测量电容值需要进行归一化处理，电容归一化模型可描述测量区域介质介电常数分布与测量电容值之间的关系。为获得更好的重建图像，本文针对电容归一化模型进行了深入研究，主要研究内容如下: （1）分析了四种常用的电容归一化模型，即：并联、串联、Maxwell 、B?ttcher归一化模型，通过仿真实验比较了四种常用归一化模型的图像重建效果，结果表明：四种常用的归一化模型的成像效果不佳，有待进一步提高； （2）引入了测量电极对中心电场线，研究了将并联及串联归一化模型进行混合的混联归一化模型，并基于阈值法确定了并联及串联归一化模型的加权因子用以计算灵敏度矩阵，分析了阈值10%、15%、20%、25%、30%及35%的重建效果，仿真研究表明：阈值的选取直接影响重建图像质量，寻找适合的阈值是该方法成功运用的基础； （3）基于剖分单元到中心电场线的最小距离与最大距离的比值，确定了电容混联归一化模型的加权因子，并据此计算灵敏度矩阵。进行了仿真实验及静态测试，结果表明重建图像的精度及形状保真度均获得明显提高； （4）研究了自适应归一化模型，模型的自适应因子根据中心电场线划分的两个区域中单元到中心电场线的最小距离与最大距离的比值来计算，仿真及静态实验表明重建图像质量有所提高。

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第1章 绪论

1.1 课题背景

1.1.1 多相流检测背景及意义

1.1.2 多相流检测中的主要参数

1.1.3 多相流检测技术现状

1.2 电容层析成像技术(ECT)发展概述与研究现状

1.3 本文的主要研究内容及创新点

1.4 本章小结

第2章 电容层析成像理论基础

2.1 ECT系统构成及测量原理

2.2 ECT敏感场的数学模型

2.3 ECT的正问题

2.4 ECT的逆问题分析

2.4.1 ECT逆问题原理

2.4.2 灵敏度理论

2.4.3 线性反投影算法

2.4.4 Landweber迭代法

2.4.5 Tikhonov正则化算法

2.5 本章小结

第3章 电容层析成像常用归一化模型的研究

3.1 串联及并联归一化模型

3.2 Maxwell及B?ttcher归一化模型

3.3 仿真实验及结果

3.4 本章小结

第4章 基于阈值的混联归一化模型

4.1 阈值混联归一化模型

4.2 仿真实验及结果

4.3 本章小结

第5章 修正的混联归一化模型研究

5.1 修正的混联归一化模型

5.2 混联归一化模型加权因子计算

5.3 仿真与实验

5.3.1 仿真实验及结果

5.3.2 静态实验及结果

5.4 本章小结

第6章 自适应归一化模型研究

6.1 自适应归一化模型原理

6.2 仿真与实验

6.2.1 仿真实验及结果

6.2.2 静态实验及结果

6.3 本章小结

第7章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢