【摘要】：電容層析成像(Electrical Capacitance Tomogyraphy)主要用于兩相流和多相流的可視化測量。該技術(shù)根據(jù)測量得到的電容數(shù)據(jù)來重建被測物場中的介質(zhì)分布。因具有非侵入、無輻射、低成本、可視化、便于安裝與維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),ECT被認(rèn)為是一種具有廣闊應(yīng)用前景的檢測技術(shù)。ECT技術(shù)是否能夠成功應(yīng)用,在很大程度上取決于圖像重建算法的性能。本文首先對(duì)ECT傳感器的敏感場模型與計(jì)算方法、“軟場”特性機(jī)理及其影響進(jìn)行較為深入的研究;在此基礎(chǔ)上,為了彌補(bǔ)“軟場”特性對(duì)圖像重建的消極影響,提出兩種新的圖像重建算法,即DPSCO與ECT-CS圖像重建算法,并對(duì)經(jīng)典的Landweber法進(jìn)行改進(jìn),以解決其半收斂問題；最后,設(shè)計(jì)一套ECT半物理仿真平臺(tái)。主要完成以下工作內(nèi)容：(1)闡述ECT系統(tǒng)的原理,對(duì)經(jīng)典圖像重建算法進(jìn)行推導(dǎo)、分析與仿真,總結(jié)出經(jīng)典算法的普遍癥結(jié),并解決Landweber方法的半收斂問題。首先,對(duì)ECT系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)與工作原理進(jìn)行詳細(xì)論述,并分析ECT技術(shù)在數(shù)學(xué)上的理論依據(jù)。其次,對(duì)靈敏度分布——這一在反問題求解中涉及到的關(guān)鍵因素進(jìn)行深入分析。再次,對(duì)5種經(jīng)典的圖像重建算法(線性反投影法、Tikhonov正則化法、Landweber法、Newton-Raphson法,以及共軛梯度法)進(jìn)行分析推導(dǎo),對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行總結(jié),給出了仿真結(jié)果,并指出經(jīng)典算法存在的普遍癥結(jié)。此外,針對(duì)Landweber法的半定收斂性問題,對(duì)導(dǎo)致該問題的數(shù)學(xué)原因進(jìn)行分析,構(gòu)造一種壓縮算子以實(shí)現(xiàn)Landweber法的穩(wěn)定收斂,通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)后的Landweber法的收斂穩(wěn)定性。(2)針對(duì)圖像重建的重要先驗(yàn)條件(即靈敏度分布)的求解問題,基于有限單元法,通過建立ECT靜電場電位分布的計(jì)算模型,得到靈敏度分布的數(shù)值解。在有限元法的意義下,描述靈敏度分布的計(jì)算過程,并給出其圖形化的計(jì)算結(jié)果。(3)針對(duì)圖像重建精度受“軟場”特性制約的問題,基于粒子群優(yōu)化原理,提出雙粒子群協(xié)同優(yōu)化的圖像重建算法,并將其命名為DPSCO算法。首先,探究ECT“軟場”特性的產(chǎn)生機(jī)理,并描述其物理表現(xiàn),進(jìn)而分析得到“軟場”特性對(duì)圖像重建的影響途徑。在此基礎(chǔ)上,提出DPSCO算法。在該算法中采用最小二乘支持向量機(jī)對(duì)圖像樣本進(jìn)行訓(xùn)練,得到一個(gè)用以描述“軟場”特性影響程度的先驗(yàn)條件�；谠撓闰�(yàn)條件構(gòu)造粒子群優(yōu)化的適應(yīng)度函數(shù),進(jìn)而來補(bǔ)償“軟場”特性對(duì)圖像重建的影響。同時(shí),由于標(biāo)準(zhǔn)粒子群優(yōu)化算法用于ECT圖像重建中表現(xiàn)出早熟收斂,針對(duì)該問題,引入描述種群競爭的Lotka-Volterra方程,并設(shè)計(jì)雙粒子群的競爭策略,從而使得粒子群具有更強(qiáng)的全局收斂性。最后,通過仿真實(shí)驗(yàn)證明,DPSCO算法能夠彌補(bǔ)“軟場”特性對(duì)重建圖像精度的影響,雖然在計(jì)算時(shí)間上付出了一定的代價(jià),然而,與LBP、Landweber和Newton-Raphson法相比,該算法可將重建圖像的精提高200%～50%,并且比標(biāo)準(zhǔn)粒子群優(yōu)化方法更易于收斂到全局最優(yōu)。(4)針對(duì)經(jīng)典算法的普遍癥結(jié),特別是對(duì)復(fù)雜流型的圖像重建精度較低的問題,基于壓縮感知理論,提出ECT-CS圖像重建算法。該算法通過對(duì)兩相流的流型進(jìn)行合理分類,并針對(duì)每類流型建立一個(gè)樣本子集,由所有樣本集組成介電常數(shù)分布向量的完備或過完備空間,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)任意介電常數(shù)分布向量的稀疏分解。利用壓縮感知的理論框架及其成熟的信號(hào)重構(gòu)算法,將圖像重建轉(zhuǎn)換為凸優(yōu)化問題。同時(shí),考慮圖像重建結(jié)果因“軟場”特性而產(chǎn)生的偏差,并對(duì)介電常數(shù)分布信號(hào)中的離散相分量進(jìn)行單獨(dú)求解,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)“軟場”特性影響的補(bǔ)償。最后,通過仿真實(shí)驗(yàn)證明,與經(jīng)典算法相比,ECT-CS算法能夠?qū)⒅亟▓D像的精度提高60%以上,可滿足高精度非實(shí)時(shí)檢測的需要。(5)為了在一個(gè)平臺(tái)上不僅能夠?qū)D像重建算法進(jìn)行驗(yàn)證,還能兼顧電容傳感器的研究與設(shè)計(jì),引入半物理仿真的方法,設(shè)計(jì)開發(fā)一套ECT半物理仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。利用LabVIEW平臺(tái),將傳感器和數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計(jì)為虛擬儀器,并借助MATLAB完成電容傳感器的虛擬測量,給出了該虛擬儀器的設(shè)計(jì)結(jié)果及其圖形化的實(shí)現(xiàn)方法。同時(shí),利用基于DSP的嵌入式處理系統(tǒng)對(duì)圖像重建單元進(jìn)行物理實(shí)現(xiàn),并給出了DSP系統(tǒng)各主要模塊的硬件原理與軟件實(shí)現(xiàn)過程。
【圖文】：

所謂＂硬場＂是指電磁波在測量區(qū)域內(nèi)沿固定的直線方向傳播，其傳播方向并逡逑不因介質(zhì)的分布而改變，測量區(qū)域內(nèi)單元點(diǎn)的測量值，由沿探測路徑上被測目標(biāo)物逡逑質(zhì)的測量值決定￡１３，因此測量是局部的，如圖１．１（ａ）所示，例如Ｘ射線ＣＴ。所謂逡逑＂軟場＂是指電磁波在整個(gè)測量區(qū)域內(nèi)傳播，其傳播方向因介質(zhì)的分布而發(fā)生改變，逡逑測量區(qū)域內(nèi)單元點(diǎn)測量值由區(qū)域內(nèi)各位置的待測量目標(biāo)的測量值所共同決定因逡逑此測量是全局的，如圖１．１（的所示，本文所研究的ＥＣＴ系統(tǒng)，就具有典型的＂軟場＂逡逑特性。逡逑雖然ＰＴ技術(shù)是在ＣＴ技術(shù)的基礎(chǔ)上提出的，但與后者相比，ＰＴ技術(shù)主要用于逡逑工業(yè)現(xiàn)場，同時(shí)ＰＴ技術(shù)也有其自身的特殊性，，因此在其實(shí)際應(yīng)用過程中面臨很大逡逑的困難，主要表現(xiàn)在Ｗ下幾個(gè)方面ｔＷ：逡逑（１）

對(duì)Ｌａｎｄｗｅｂｅｒ方法的半收斂性問題，研究一種改進(jìn)方法。逡逑２．１電容層析成像系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)逡逑ＥＣＴ系統(tǒng)由電容傳感器、數(shù)據(jù)采集和圖像重建單元Ｈ部分組成，如圖２．１所示。逡逑ＥＣＴ系統(tǒng)所測量的多相流通常被置于一個(gè)絕緣管道或容器中。由于不同的物質(zhì)具有逡逑完全互異的介電常數(shù)，所Ｗ當(dāng)任何一相介質(zhì)的分布或濃度發(fā)生改變時(shí)，將直接改變逡逑多相流整體的等價(jià)介電常數(shù)。若在管道外壁均勻且對(duì)稱地布置銅質(zhì)電極，則電極對(duì)＾逡逑間的測量電容值也將隨之發(fā)生變化。通過測量電容值，并對(duì)其進(jìn)行處理就能得到管逡逑道內(nèi)介質(zhì)的分布、含率等信息ＥＣＴ系統(tǒng)的Ｈ個(gè)組成部分如下所述。逡逑—傳巧器單兀￣１．１邐１邐；邐圖像重建單元逡逑多路轉(zhuǎn)換器與）電屒即測量與巧據(jù)；逡逑T?」采集單元；＾１逡逑Ｉ邋邐逡逑圖２．１邋ＥＣＴ系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)逡逑２．１．１電容傳感器逡逑ＥＣＴ系統(tǒng)的電容傳感器與用于隔離直流電和儲(chǔ)能的普通電容器不同，它通常由逡逑布置在絕緣管道外壁的若干對(duì)銅質(zhì)或不誘鋼極板構(gòu)成。同時(shí)，為了防止外界電磁場逡逑對(duì)管道內(nèi)的被測場域產(chǎn)生干擾，一般將管道和測量電極放置在接地的屏蔽罩之內(nèi)。逡逑此外，為了擴(kuò)大傳感器的動(dòng)態(tài)測量范圍，降低相鄰電極間的固有電容，在各測量電逡逑極之間還設(shè)置了接地的徑向保護(hù)電極［９’９１１邋ＥＣＴ系統(tǒng)的
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TP391.41

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本文編號(hào)：2534373