电阻层析成像高分辨率成像算法与三维敏感场特性研究

论文摘要

近年来,电阻层析成像(ERT)技术逐步进入到了工业应用研究阶段,它根据物体内部介质的电阻率的不同,通过对物体表面电流、电压的施加和测量来获知物体内部电阻率的分布,进而重建出反应物体内部结构的图像,和传统的过程参数检测技术相比,具有非侵入,响应速度快、成本低、安全性能好、适用范围广等许多的优点,在工业过程中有着广泛的应用前景。本文从ERT技术的原理性研究出发,针对提高图像重建分辨率的要求,着重研究了两个方面。一方面深入研究了现有的成像算法,主要包括线性反投影法(LBP)、修正的牛顿—拉夫逊类法(MNR)、灵敏度系数法(STM)、遗传算法(GA)等基本的图像重建算法,提出一种基于贝叶斯原理的的组合成像算法,根据相关系数和方差两个参数详细评价了该组合算法的性能,并讨论了测量噪声对其的影响以及算法的鲁棒性,结果显示采用组合算法能极大的提高图像重建的分辨率;而另一方面研究了使用三维ERT模型的测量结果来补偿二维ERT模型的局限性,主要是采用三维模型测量数据来进行二维系统的图像重建,因为实际情况下,媒质的三维信息因素是不可忽视的。还提出了几种不同的传感器结构来分析场域内电势分布情况,并讨论了电极尺寸、电极排列,保护电极等对三维模型的影响。最后对三维测量数据和修正后的三维测量数据在二维系统下的图像重建结果进行了分析比较,对深入了解、掌握传感器性能,获得对被测过程对象的准确测量具有重要意义。本文基于ANSYS与MATLAB有限元软件开发了相应仿真软件包,最后完成了油水两相流测量应用软件设计。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 两相流的测量简介
• 1.1.1 两相流及特征参数
• 1.1.2 两相流参数检测的重要性
• 1.1.3 两相流参数检测技术的现状与趋势
• 1.2 电阻层析成像技术简介
• 1.2.1 电阻层析成像系统结构与特点
• 1.2.2 电阻层析成像的研究现状
• 1.2.3 电阻层析成像存在的问题
• 1.2.4 电阻层析成像研究意义与发展前景
• 1.3 本论文的主要工作与内容
• 第二章 电阻层析成像的理论基础
• 2.1 电阻层析成像敏感场的数学描述
• 2.2 电阻层析成像中的正问题分析
• 2.2.1 有限元法的基本原理与其应用软件介绍
• 2.2.2 ERT 敏感场有限元方程的建立与求解
• 2.3 电阻层析成像中的逆问题分析
• 2.3.1 逆问题的非线性与不适定性
• 2.3.2 解决ERT 逆问题不适定性的有效途径
• 2.3.3 常用图像重建算法简介
• 2.4 二维电阻层析成像正问题仿真
• 2.4.1 ANSYS 与MATLAB 正问题仿真
• 2.4.2 仿真软件包的建立
• 2.5 三维数学模型的描述
• 2.6 本章小结
• 第三章 图像重建算法的研究
• 3.1 图像重建算法研究的意义
• 3.2 重建图像的质量评价
• 3.3 等位线反投影类算法（LBP）
• 3.3.1 反投影算法的背景
• 3.3.2 反投影算法原理
• 3.3.3 反投影算法实现过程
• 3.3.4 反投影算法的仿真结果
• 3.4 灵敏度系数法（STM）
• 3.4.1 灵敏度理论（Sensitivity Theory）
• 3.4.2 用有限元方法迭代求场域内各单元电导率分布的步骤
• 3.4.3 改进的灵敏度系数算法
• 3.4.4 ERT 软场特性研究
• 3.4.5 场域内灵敏场分布的获取
• 3.4.6 灵敏度系数法仿真结果
• 3.5 修正的牛顿－拉夫逊（MNR）类算法
• 3.5.1 MNR 算法简介
• 3.5.2 MNR 算法的实现步骤
• 3.5.3 雅可比矩阵的计算
• 3.5.4 MNR 算法的正则化修正
• 3.5.5 MNR 算法的迭代初值的影响
• 3.6 本章小结
• 第四章 基于遗传算法的组合算法研究
• 4.1 引言
• 4.2 遗传算法简介
• 4.3 基于遗传算法的静态ERT 图像重建算法
• 4.3.1 编码与初始种群的生成
• 4.3.2 适应度评估与遗传选择
• 4.3.3 交叉操作和变异操作
• 4.4 基于遗传算法的组合成像方法在ERT 中的应用
• 4.4.1 提出组合成像算法的背景
• 4.4.2 成像算法的先验知识
• 4.4.3 组合型成像算法的计算流程
• 4.4.4 组合型成像算法的仿真实例
• 4.4.5 组合图像重建算法的分辨率分析
• 4.4.6 设置特殊流型分析组合算法的适用性
• 4.4.7 组合型成像算法的抗噪性研究
• 4.4.8 组合型成像算法的优缺点
• 4.5 本章小结
• 第五章 ERT 系统传感器三维分析
• 5.1 ERT 三维仿真的意义
• 5.2 三维系统测量仿真
• 5.2.1 ANSYS 仿真软件在ERT 系统中的应用
• 5.2.2 仿真流型及实验参数
• 5.2.3 二维场域的局限性
• 5.2.4 三维仿真模型的建立
• 5.2.5 轴向电位分析
• 5.3 电极尺寸对传感器的影响
• 5.3.1 改变电极长度与宽度对场域分布的影响
• 5.3.2 增加电极高度定性分析
• 5.4 二维平面场电极系统的三维效应分析
• 5.4.1 仿真所用的实验模型
• 5.4.2 柱状两相流仿真测量结果
• 5.4.3 汽泡流两相流仿真测量结果
• 5.5 三维测量数据的二维反演
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果
• 致谢