电阻抗（ECT/ERT）双模态层析成像技术研究

论文摘要

电学成像技术(Electrical Tomography, ET)是基于电磁场理论的新型测量技术,具有无辐射、非侵入、响应速度快、成本低廉以及可视化测量等优点,在工业测量及医学监测中具有诱人的发展前景。电容层析成像(Electrical Capacitance Tomography,ECT)和电阻层析成像(Electrical Resistance Tomography,ERT)是目前最为成熟的两种ET技术。ERT适于测量以导电性介质为连续相的介质,而ECT适于测量以非导电性介质为连续相的介质。为了拓宽ET技术的应用范围,获取更为丰富测量信息,提高测量精度,将ERT和ECT有机地进行融合,提出了ERT/ECT双模态成像技术。本课题对ERT/ECT双模态空间敏感阵列电极的数学模型、电路网络模型、传感器结构优化以及硬件系统设计等有关方面内容进行了深入研究,主要工作和结果如下:1.采用复电导率概念,提出了统一的ERT/ECT敏感场数学模型,并给出了ERT/ECT正问题的有限元求解方法;2.基于多端口电路网络理论,分析了ERT和ECT系统的多种激励模式及其独立测量数,研究了由不同激励测量模式所得到的阻抗、导纳、电压传输比和电流传输比等参数的关系,并分析了不同激励模式的图像重建算法的关系,提出了一种可减小测量信号动态范围的新的激励测量模式——共点单电极激励测量模式;3.基于敏感阵列电极等效电路分析和有限元仿真计算,分别设计了多种结构的ERT、ECT单模态及ERT/ECT双模态空间敏感阵列电极,提出了传感器结构参数优化指标,并给出了优化结果;4.构建了一套EIT成像系统和一套完整的ERT/ECT双模态成像系统,采用相同的电路拓扑结构实现了ERT和ECT的融合,该系统可实现单模态及双模态运行。图像重建软件包集成了几种典型重构算法,与硬件系统配合可进行实时成像,大量实验验证了硬件和软件系统性能。该系统具有使用灵活、可扩展性强、工作稳定可靠、测量精度高以及图像质量清晰的特点。最后,作者提出了系统进一步改进的意见。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及电学成像技术简介
• 1.2 当前ERT/ECT技术的研究概况
• 1.3 ERT/ECT双模态成像技术的研究现状
• 1.4 本论文的研究内容
• 1.5 本论文的组织
• 第二章 ERT/ECT数学描述
• 2.1 ERT/ECT敏感场的数学描述
• 2.1.1 ERT敏感场
• 2.1.2 ECT敏感场
• 2.1.3 EIT敏感场
• 2.1.4 边界条件
• 2.2 ERT/ECT/EIT正问题分析
• 2.2.1 基于等价变分原理的有限元方法
• 2.2.2 有限元方法分析步骤
• 2.3 ERT/ECT/EIT反问题
• 第三章 双模态层析成像电路模型及激励模式研究
• 3.1 多端口网络模型
• 3.1.1 多端口网络参数
• 3.1.2 多端网络的参数矩阵
• 3.2 ERT/ECT系统的激励模式研究
• 3.2.1 独立测量数
• 3.2.2 共圈激励模式VS共点激励模式
• 3.3 各种激励模式的关系
• 3.3.1 共圈模式图像重建算法的关系
• 3.3.2 共点模式图像重建算法的关系
• 3.3.3 共点模式和共圈模式的关系
• 3.4 一种新型测量模式——共点单电极测量
• 第四章 传感器结构设计与参数优化
• 4.1 ERT传感器设计
• 4.2 ECT传感器设计
• 4.3 ERT/ECT双模态复合传感器结构设计
• 4.4 新型ERT/ECT双模态复合传感器设计及参数优化
• 第五章 双模态层析成像系统的设计
• 5.1 概述
• 5.1.1 国内外ERT/ECT硬件系统概况
• 5.1.2 本系统结构
• 5.2 基本单元设计
• 5.2.1 中央控制单元
• 5.2.2 信号发生器
• 5.2.2.1 正弦电压信号发生器
• 5.2.2.2 电压控制电流源（VCCS）
• 5.2.2.3 信号传输电缆驱动
• 5.2.3 共圈模拟开关阵列
• 5.2.3.1 激励选通电路
• 5.2.3.2 测量选通电路
• 5.2.4 电压测量电路
• 5.2.4.1 差分放大电路
• 5.2.4.2 可编程放大电路设计
• 5.2.5 相敏解调
• 5.2.5.1 有效值/相位差解调
• 5.2.5.2 乘法解调方法
• 5.2.5.3 数字解调
• 5.2.5.4 高频解调电路
• 5.2.5.5 低通滤波器
• 5.2.5.6 A/D转换
• 5.2.6 电容测量电路
• 5.2.6.1 ECT传感器电路模型
• 5.2.6.2 电容测量电路
• 5.2.6.3 开关组合方案
• 5.2.6.4 空场电容补偿电路
• 5.3 双模成像系统总体设计
• 第六章 图像重建算法及实验结果分析
• 6.1 图像重建算法
• 6.1.1 等位线反投影算法
• 6.1.2 Landweber迭代法及预迭代算法
• 6.1.2.1 Landweber迭代算法
• 6.1.2.2 基于Landweber的预迭代算法
• 6.1.3 共轭梯度法
• 6.1.4 牛顿-拉夫逊算法
• 6.1.5 正则化算法
• 6.1.5.1 标准Tikhonov正则化算法
• 6.1.5.2 总变差正则化算法
• 6.2 系统性能测试
• 6.2.1 测量误差分析
• 6.2.2 电阻分辨能力测试
• 6.2.3 新型单电极测量模式的性能测试
• 6.3 成像实验结果
• 第七章 总结与建议
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢