电容层析成像系统图像重建算法研究及其软件设计

论文摘要

过程层析成像（PT）技术是近年来飞速发展起来的一门新技术,该技术在解决多相流检测问题上具有巨大的发展潜力和广阔的工业应用前景。电容层析成像（ECT）技术是基于电容敏感机理的过程成像技术,以其非辐射、非侵入、响应速度快、结构简单、成本低、适用范围广、安全性能好等优点,成为目前过程层析成像技术发展的主流和研究热点,但离实际应用尚有很大距离,因此有待进一步研究和发展。图像重建算法是ECT系统研究的关键技术,是改善图像重建质量的重要因素。图像重建是通过有限个观测数据（电容测量值）去重建介质在检测区域内的介电常数分布图,即求成像区域内各象素的灰度值,是一个非线性﹑不适定的逆问题。本文主要介绍了BP神经网络的基本原理,研究了基于BP神经网络的图像重建方法。BP神经网络是一种局部逼近的神经网络,理论上只要足够多的神经元,BP神经网络就可以逼近任意精度的连续函数。基于BP神经网络的重建图像方法实质是用BP神经网络建立电容测量值到图像灰度值的映射关系模型。本文采用变结构动态调整隐含层神经元数目的方法确定BP神经网络隐层神经元数目,建立了极板电容测量值与成像区域介电常数分布间的BP神经网络映射,探讨了基于BP神经网络的12极板电容层析成像系统的图像重建算法。用MATLAB环境下对所研究的图像重建用BP神经网络进行训练,并通过有限元法获得训练所需要的训练样本集。仿真结果表明,基于BP神经网络的图像重建算法重建速度与常用的实时图像重建算法（LBP）法相当,重建质量明显优于反投影法。用VC++开发了12极板ECT系统上位机软件,实现了对在线测量数据的接收、实时图像重建及显示、实时数据保存和历史回放等功能。软件集成了两种图像重建算法:LBP法和本文提出的BP神经网络法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 多相流检测技术
• 1.1.1 多相流检测技术研究的重要意义
• 1.1.2 多相流检测技术的特点及主要参数
• 1.1.3 多相流检测技术的发展现状
• 1.1.4 多相流检测技术的发展趋势
• 1.2 过程层析成像技术
• 1.2.1 过程层析成像（PT）技术的发展历程
• 1.2.2 PT 技术的基本原理
• 1.2.3 PT 技术的分类
• 1.3 课题来源及研究的主要内容
• 第2章 电容层析成像系统组成及其工作原理
• 2.1 电容层析成像系统的组成
• 2.1.1 传感器系统
• 2.1.2 数据采集系统
• 2.1.3 成像系统
• 2.2 电容层析成像系统的工作原理
• 2.2.1 电容层析成像系统数学基础
• 2.2.2 灵敏度分布函数及其重建原理
• 2.3 电容层析成像技术的研究现状
• 2.4 本章小结
• 第3章 电容层析成像系统图像重建算法概述
• 3.1 现有ECT 图像重建算法分析
• 3.1.1 线形反投影（LBP）算法
• 3.1.2 迭代算法及其改进
• 3.1.3 其它算法
• 3.2 图像重建算法研究的必要性
• 3.3 本章小结
• 第4章 基于BP 网络的ECT 图像重建算法
• 4.1 BP 神经网络概述
• 4.2 BP 神经网络结构及其原理
• 4.2.1 输入层和输出层的设计
• 4.2.2 隐含层的设计
• 4.2.3 BP 算法
• 4.2.4 BP 算法存在的缺陷
• 4.3 关于BP 神经网络的一些改进
• 4.4 应用ECT 系统的BP 神经网络图像重建
• 4.4.1 BP 神经网络图像重建分析
• 4.4.2 BP 神经网络图像重建过程
• 4.5 图像重建结果及其分析
• 4.5.1 仿真软件
• 4.5.2 图像重建结果及其分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 电容层析成像系统上位机软件设计
• 5.1 ECT 系统上位机软件的总体功能设计
• 5.2 主程序模块
• 5.3 通讯模块
• 5.4 成像模块
• 5.5 界面设计
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢