高压交流激励24极板电容层析成像系统的算法研究

论文摘要

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,己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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 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
• 2.4.4.1 代数重建技术
• 2.4.4.2 同步迭代法
• 2.4.4.3 Landweber 迭代法
• 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
• 3.1.2.1 变压器微分比例臂电桥电路
• 3.1.2.2 同步解调电路及低通滤波电路
• 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