超声波层析成像的图像重建算法研究

论文摘要

随着现代工业的发展,液固两相流参数的准确在线测量对许多工业生产部门包括冶金、化工、电力等工业都有着重要意义。在众多两相流参数检测手段中,超声波层析成像(UCT)因其自身优点受到广泛关注。但离散相介质的随机分布特性及其复杂的声场物理特性要求UCT系统具有很高的图像重建精度。UCT图像重建的精度取决于图像重建算法的优劣,而现有图像重建算法皆不能满足两相流的精度要求。因此,为高精度UCT系统的研制寻找一种可靠的图像重建算法是本文的工作重点。文中首先根据超声波衰减成像原理建立了图像重建的数学模型。针对图像重建问题的不适定性,引入了Tikhonov正则化方法。并在经典Tikhonov正则化算法的基础上,成功的将超定数学模型下的解作为新的限制条件应用到欠定数学模型的计算中,由此提出了一种新的正则化方法——双参数正则化算法。最终通过大量的仿真实验总结出双参数正则化算法中最优参数选取的方法。最后,为验证双参数正则算法的有效性在仿真平台上与传统的图像重建算法一同进行了仿真实验。仿真结果表明双参数正则化算法不仅具有更高的成像精度,图像中液固两相的边界也更加清晰可靠,并且有效抑制了伪像的产生。该算法的提出不仅扩展了正则化的思想涵义,而且为高精度UCT系统的成功研制提供了算法基础,具有重要的理论意义和实用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 超声波层析成像技术
• 1.2.1 超声波简介
• 1.2.2 超声波层析成像技术的发展和研究现状
• 1.3 课题研究内容
• 第2章 超声波层析成像系统
• 2.1 超声波衰减层析成像原理
• 2.2 UCT的系统构成和工作原理
• 2.3 超声波传感器阵列
• 2.3.1 超声波压电传感器
• 2.3.2 超声波传感器阵列工作方式
• 2.4 小结
• 第3章 UCT图像重建模型和常用重建算法
• 3.1 Radon变换及其逆变换
• 3.2 离散重建模型的建立
• 3.2.1 场域剖分
• 3.2.2 构造声程系数矩阵
• 3.3 UCT常用图像重建算法
• 3.3.1 反投影法（BPT）
• 3.3.2 代数重建算法（ART）
• 3.3.3 联合迭代重建算法（SIRT）
• 3.3.4 共轭梯度法（Conjugate Gradient）
• 3.4 四种迭代重建算法在超声波层析成像中的应用
• 3.4.1 仿真实验模型、数学模型以及算法评价指标
• 3.4.2 重建实验结果和分析
• 3.5 小结
• 第4章 双参数正则化算法
• 4.1 不适定问题的正则化
• 4.1.1 不适定问题
• 4.1.2 离散不适定问题
• 4.1.3 正则化
• 4.2 Tikhonov正则化
• 4.2.1 Tikhonov正则化方法
• 4.2.2 Tikhonov正则化参数的选取方法
• 4.3 双参数正则化算法
• 4.3.1 双参数正则化的具体实现
• 4.4 双参数正则化的正则化参数选取
• 4.4.1 基本概念
• 4.4.2 最优参数寻求规则
• 4.5 正则化方法在超声波层析成像中的应用
• 4.5.1 实验模型
• 4.5.2 仿真实验结果及分析
• 4.6 小结
• 第5章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢