（检测技术与自动化装置专业论文）电容层析成像系统的研究与应用.pdf

中文摘要 电容层析成像( e c t ) 技术是基于电容敏感机理的过程层析成像( p t ) 技 术。e c t 系统具有非侵入、响应速度快、成本低等优点，可提供封闭管道及容 器内部二维三维可视化信息，在工业过程参数可视化检测应用中是一种非常 有发展潜力的技术。 本文的研究内容主要包括传感器的结构参数优化设计，图像重建算法研究 以及硬件系统设计。主要研究内容和结果如下： 1 、编写了基于m a n a b 的e c t 系统仿真软件包。软件包可自动建立8 电极、 1 2 电极和1 6 电极的二维z 维传感器模型：可计算灵敏度系数分布，绘制二维 三维灵敏度系数分布图。逆问题部分实现了反投影算法、动态滤波反投影算法、 r b f 神经网络算法以及s v m 算法。 2 、传感器的结构参数优化设计。对传感器敏感场的灵敏度分布进行了研 究，分析了电极数目、结构参数对敏感场的影响，并以此对传感器的结构参数 进行了优化设计；以四面体作音4 分单元构成三棱柱六面体成像单元，实现了用 线性插值函数的三维有限元剖分，建立了e c t 传感器的三维有限元模型：给 出了传感器三维敏感场的灵敏度分布，分析了其轴向响应特性，得出了介质分 布沿轴向变化时的三维仿真计算结果。 3 、动态滤波反投影算法的提出。基于敏感场分布的不均匀性，对滤波反 投影算法进行了修正，提出了动态滤波反投影算法。 4 、基于r b f 网络的图像重建。对r b f 网络在图像重建中的应用进行了 探讨。 5 、基于支持向量机的图像重建研究。提出了基于c 支持向量分类机的图 像重建算法；提出了一种基于支持向量机的四层神经网络算法用于三相流图像 重建；实现了基于支持向量机的三维图像重建，进行了仿真实验。 6 、硬件系统设计。构建了一套e c t 系统样机，设计方案中应用了嵌入式 技术和c a n 总线等技术，获得了大量的实验数据，为进一步的研究奠定了基 础。 关键词：电容层析成像( e c t ) 图像重建c a n 总线 支持向量机( s v m )传感器优化设计 3 d 有限元模型 a b s t r a c t e l e c t r i c a lc a p a c i t a n c et o m o g r a p h y ( e c t ) b a s e do nc a p a c i t a n c es e n s i n ga r r a yi s ak i n do fp r o c e s st o m o g r a p h y ( p d i th a st h ea d v a n t a g e so fb e i n gn o n i n t r u s i v e ， f a s t i nr e s p o n s ea n dl o wi nc o s t i tc a na c q u i r ev i s i b l e2 d 3 dd i s t r i b u t i o n i n f o r m a t i o no fc l o s e dp i p e l i n eo rv e s s e l t h ev i s i b l et e c h n i q u ei so fag r e a t d e v e l o p i n gp o t e n t i a li ni n d u s t r i a lp r o c e s sp a r a m e t e rm e a s u r e m e n t a l t h o u g he c tt e c h n i q u eh a sa c h i e v e dg r e a tp r o g r e s si nt h er e c e n tt w e n t yy e a r s ， a n dv a i l o u sp e r f o r m a n c ei n d e x e sh a v eb e e ni m p r o v e d b u tt h i sf a l l ss h o r to fa c t u a l a p p l i c a t i o n si ni n d u s t r i a lp r o c e s s e s ，m a n yf o u n d a t i o n a lr e s e a r c h e sn e e da l s ot ob e d o n ei n 也ef u t u r e i n t h i st h e s i s ，t h ea u t h o rs t u d i e dm a i n l yt h r e ea s p e c t s ，i e o p t i m u md e s i g no f s t r u c t u r ep a r a m e t e ro fc a p a c i t a n c es e n s i n ga r r a ye l e c t r o d e ，r e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h m a n dh a r d w a r ed e s i g no fe c ts y s t e m t h ef o l l o w i n ga c h i e v e m e n t sh a v eb e e n o b t a i n e d ： 1 t h ed e v e l o p m e n to f t h es i m u l a t i o ns o f t w a r ep a c k a g eo f e c t s y s t e m t h es i m u l a t i o ns o f t w a r ep a c k a g eo fe c ts y s t e mb a s e do nm a t l a bh a sb e e n d e v e l o p e d ，w h i c hc a n b eu s e di n2 d 3 ds i m u l a t i o na c c o r d i n gt od e m a n d s i t i n c l u d e sf o r w a r dp r o b l e ma n di n v e r s ep r o b l e m n 地2 d 3 dm o d e l so f8 - e l e c t r o d e 1 2 - e l e c t r o d ea n d1 6 - e l e c t r o dc a nb ec o n s t r u c t e da u t o m a t i c a l l yi ns o l v i n gf o r w a r d p r o b l e m t oc o u n t e rd i f f e r e n tm o d e l ，t h ed i s s e c t i o na n df i n i t ee l e m e n tc o m p u t a t i o n c a nb ed o n e t h e2 d 3 ds e n s i t i v i tyd i s t r i b u t i o n ( m a p 、o fe c ts e n s o r sc a nb e o b t a i n e d 1 1 1 ei n v e r s ep r o b l e mi sc a l l e da sr e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h m s w h i c hi n c l u d e b a c kp r o j e c t i o nm e t h o da n da c t i v ef i l t e rb a c kp r o j e c t i o nm e t h o di m p r o v e db ya u t h o r a n dm o r e o v e r , t h es i m u l a t i o no fi m a g e sr e c o n s t r u c t i o ni sp e r f o r m e du s i n gr b f n e u r a ln e t w o r ka n ds v mm e t h o d 2t h eo p t i m u md e s i g no f s t r u c t u r ep a r a m e t e ro f s e n s i n ga r r a ye l e c t r o d e t h es e n s i n gf i l e di ne c ts y s t e mi sc a l l e da s s o f t f i l e d ，w h i c hi s i n h o m o g e n e o u s ，i l lp o s e d ，n o n l i n e a ra n dm a i n l yr e l i e so nt h es t r u c t u r ep a r a m e t e r o fa r r a ye l e c t r o d e t h es e n s i t i v i t yd i s t r i b u t i o ni sc a l c u l a t e db yu s i n gt h e2 df i n i t e e l e m e n tm e t h o d ( f e m ) t h ee f f e c to ft h en u m b e ra n dt h es t r u c t u r ep a r a m e t e r so f a r r a ye l e c t r o d eo nt h ef i e l du n i f o r m i t ya r ea n a l y z e d as e to fo p t i m a l np a r a m e t e r s o fs e n s i n ga r r a ye l e c t r o d eb a s e do nt h i sm e t h o di so b t a i n e d i no r d e rt os t u d ye c t s e n s o ri nd e t a i l ，a3 dc a p a c i t a n c em o d e lb a s e do nt h ef e mh a sb e e nd e v e l o p e d f o u r - n o d et e t r a h e d r o ne l e m e n t sa r eu s e df o r3 dm e s h i n g ，s i x n o d ep e n t a h e d r o n e l e m e n t sw h i c ha r em a d eu po ff o u r - n o d et e t r a h e d r o ne l e m e n t sa r eu s e da si m a g e c o n s t r u c t i o ne l e m e n t s ，i nt h i sw a ya nl i n e a ri n t e r p o l a t i o nf u n c t i o nc a r lb eu s e di n t h i sm e t h o d t h ee f f e c to fm e d i u md i s t r i b u t i o ni nt h ea x i a ld i r e c t i o ni sa n a l y z e db y u s i n gc a l c u l a t i n gr e s u l t so fs e n s i t i v i t yd i s t r i b u t i o n ，a n d3 ds i m u l a t i o nr e s u l t sa r e g i v e n 3t h ep r e s e n t a t i o no f t h ea c t i v ef i l t e rb a c kp r o j e c t i o nm e t h o d b a s e do ni n h o m o g e n o u so fs e n s i t i v i t yd i s t r i b u t i o nd i s t r i b u t i o nt h ea c t i v ef i l t e r b a c kp r o j e c t i o nm e t h o di sp r e s e n t e db yi m p r o v i n gf i l t e rb a c kp r o j e c t i o nm e t h o d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h en e wm e t h o di ss u p e r i o rt ot h ec l a s s i c a lf i l t e rb a c k p r o j e c t i o nm e t h o d 4t h ea p p l y i n gt h er b fn e u r a ln e t w o r kt ot h ei m a g er e c o n s t r u c t i o n t h ee c ti sat y p i c a ln o n l i n e a rm a p p i n gp r o b l e m ，a n dt h em a p p i n gm o d e li s d i f f i c u l tt ob ed e s c r i b e da n a l y t i c a l l y ，an e u r a ln e t w o r ko f f e r sag e n e r a lf r a m e w o r k f o rr e p r e s e n t i n gn o n l i n e a rf u n c t i o nm a p p i n gf r o ms e v e r a li n p u tv a r i a b l e st os e v e r a l o u t p u tv a r i a b l e s i nf a c t t h ei m a g er e c o n s t r u c t i o nb a s e do nn e u r a ln e t w o r ki s p r o v i d e dw i t hn o n l i n e a rm a p p i n gf r o ms a m p l i n gc a p a c i t a n c ed a t at op i x e lv a l u e s 。 t h er b fn e u r a ln e t w o r kp r o v i d e dag o o dp r o p e r t i e so fa p p r o x i m a t i o n ，c l a s s i f y a n dc o n v e r g e n c e t h e r ei sal i n e rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nn e t w o r kw e i g h tv a l u ea n d o u t p u tv a l u e i th a sn ol o c a lm i n i m u mp r o b l e m ，a n di ti sa r to p t i m i z a t i o nn e t w o r k c o m p a r e dw i t ho t h e rf o r w a r dn e t w o r k s t h ea p p l y i n gt h er b fn e u r a ln e t w o r kt ot h e r e c o n s t r u c t i o ni ss t u d i e d 5t h e i n v e s t i g a t i n gi m a g e r e c o n s t r u c t i o nb a s e do n s u p p o r tv e c t o r m a c h i n e ( s v m ) t h ec a p a c i t a n c et o m o g r a p h yi sat y p i c a ls m a l ls a m p l e sa n dn o n l i n e a rm a p p i n g p r o b l e m s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e s ( s v m ) i sb a s e do nt h es p e c i a ls m a l ls a m p l e s t h e o r yw i t hs t r o n gg e n e r a l i z a t i o na b i l i t y , a n di ss e l e c t e da sa l lo p t i m a lt h e o r yf o r s m a l ls a m p l e sc l a s s i f yp r o b l e m t h ee c t i m a g er e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h m sb a s e do nc s v mi sp r o p o s e d i nt h i s p a p e ran o v e lt r a i n i n gm e t h o di sp r o p o s e dt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fc s v m c l a s s i f i e rb ys e l e c t i n ga c t i v ep e n a l t yp a r a m e t e r s ；a 1 2i m a g er e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h m b a s e do nc s v mi sp r o p o s e db yu s i n gf o u r - l a y e r sn e u r a ln e t w o r kf o rt h r e e p h a s e f l o w t h e3 di m a g er e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h mi si m p l e m e n t e db ys i m u l a t i o n 6h a r d w a r ed e s i g no fe c t s y s t e m a ne c ts y s t e mi s d e s i g n e d a n dd e v e l o p e ds u c c e s s f u l l y t h ee m b e d d e d t e c h n i q u ea n dc a n b u sa r ea p p l i e di nt h ed e s i g n t h es y s t e mp o s s e s s e st h es t a b i l i t y , f l e x i b i l i t y ，e x p a n s i b i l i t ya n d c a d _ r e c o n s t r u c tr e l a t i v e l yg o o di m a g e s k e yw o r d s ：e l e c t r i c a lc a p a c i t a n c et o m o g r a p h y ( e c t ) ；s u p p o r tv e c t o r m a c h i n e ( s 嘞；o p t i m u md e s i g no fs e n s o r ；i m a g er e c o n s t r u c t i o n ； c a nb u s ；3 df i n i t em o d e l ； 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨生盘茎或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 蝴姗虢i 鳓撕期：加r 年p 月伊 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基注盘茎有关保留、使用学位论文的规 定。特授权盘生盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同 意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：彳硎即签名：歹似聋 签字日期：归务孑月厂日 签字日期：。f 年莎月f6 日 第一章绪论 第一章绪论 多相流广泛存在于石油、化工、冶金等各种国民经济生产领域中，其相含 率、相分布、流型等特征参数在各种工艺流程的检测过程中发挥着相当重要的 作用，但由于多相流流动机理复杂、随机性很大，采用传统的检测技术难以准 确测量。电容层析成像( e l e c t r i c a lc a p a c i t a n c et o m o g r a p h y ，e c t ) 技术可提供 封闭管道及容器内部的可视化信息，具有结构简单、非侵入式、响应速度快、 安全等特点，是目前过程层析成像( p r o c e s st o m o g r a p h y ，p t ) 技术研究的热 点。 1 1 e c t 技术发展简介 上世纪八十年代中期，成熟的医疗c t ( c o m p u t e r i z e dt o m o g r a p h y ，c t ) 技术应用于过程参数检测领域而产生了多种基于不同敏感机理的过程层析成 像( p t ) 技术。其中，电容层析成像( e c t ) 技术是p t 技术中较早研究的 种技术。 1 1 1 过程层析成像技术 过程层析成像( p t ) 技术定义为使用层析成像技术处理从远端传感器获取 数据，以得到不可达区域内的定量信息【l j 。1 9 7 1 年9 月，英国e m i 公司中央 研究所的工程师g h o u n s f i e l d 与放射学家a m b r o s e 合作，在a t k i s o nm o r l e y 医 院正式开始头部x c t 的临床试验研究，此后，不断有人尝试将c t 技术用于 工业现场的多相流参数检测中，但由于x 射线或同位素射线的安全性和成本等 问题，使早期的探索没有取得预计的成果。 1 9 8 5 年，英国曼彻斯特大学理工学院( u m i s t ) 以m s b e c k 教授为首的 研究小组应用8 电极阵列式电容传感器，对油气两相流和气固两相流进行成 像研究。 1 9 9 0 年，由于p t 技术作为在工业过程检测与控制领域中具有较大潜力的 技术己逐渐成熟，欧共体拨款支持一项为期4 年的计划“欧洲过程层析成像联 第一章绪论 合行动( e u r o p e a nc o n c e r t e da c t i o no np r o c e s st o m o g r a p h y , e c a p t ) ”，其目的 是将不同学科和研究领域的p t 研究者联合起来，以加快p t 技术的研究和应用。 1 9 9 2 年至1 9 9 5 年，每年分别在英国的m a n c h e s t e r 、德国的k a r s r h e 、葡萄 牙的o p o r t o 和挪威的b e r g e n 召开了4 届会议。e c a p t 的实施大大促进了欧洲 在p t 技术方面的进步。 随着p t 技术所具有的巨大应用前景逐渐被人们所认识。美国工程基金会 ( e n g i n e e r i n gf o u n d a t i o n ) 召开了题为“工业过程层析成像技术前沿( f r o n t i e r i n i n d u s t r i a lp r o c e s st o m o g r a p h y ) ”的学术会议。会议分别于9 5 年在美国的s a n l u i so b i s p o 和9 7 年在荷兰的d e l f t 召开，9 7 年会议的论文主题有：过程监视 和控制的层析成像检测技术( t o m o g r a p h i cs e n s i n gf o rp r o c e s sm o n i t o r i n ga n d c o n t r 0 1 ) ；新型敏感系统与数据处理( e m e r g i n gs e n s o rs y s t e ma n dd a t a p r o c e s s i n g ) ：层析成像数据解释与处理( t o m o g r a p h yd a t ai n t e r p r e t a t i o na n d p r o c e s s i n g ) ：工业应用( i n d u s t r i a la p p l i c a t i o n ) 。可见p t 技术的研究已与实际 应用相结合。 除了欧盟组织的研究活动，1 9 9 6 年英国政府的f e c h n i c a lf o r e s i g h t c h a l l e n g e 计划组织了三所大学( u m i s t ，u n i v e r s i t yo fl e e d s ，u n i v e r s i t yo f e x e t e r ) 成立了“工业过程层析成像技术虚拟中心( t h ev i r t u a lc e n t e rf o r i n d u s t r i a lp r o c e s st o m o g r a p h y ) ”，该中心于1 9 9 9 年主持召开了“第一届工业过 程层析成像技术世界大会( 1 s tw o r l dc o n g r e s s o ni n d u s t r i a lp r o c e s s t o m o g r a p h y ) ”，并由i c h e m e 、i e e 、e n g i n e e r i n gf o u n d a t i o n 协办。 1 9 9 4 年，以u m i s t 为技术后盾，成立了一家专门提供过程层析成像技术 设备的公司( p r o c e s st o m o g r a p h yl t d ) ，标志着p t 技术已开始进入商业化服 务。 国内的p t 技术应用研究相对国外开展的较晚。最早清华大学和天津大学 分别开展了电容和超声p t 技术研究。其后，国内其他高校也相应进行了该方 面的研究工作。根据有关报道，国内研究的p t 技术已涉及电容、电导、超声、 电磁等方丽。 p t 技术经十几年的发展，现已提出十几种不同敏感机理的系统，其中电 容层析成像( e l e c t r i c a lc a p a c i t a n c et o m o g r a p h y ，e c t ) 技术是一种基于电容敏 感机理的层析成像技术，它具有测量速度快、非侵入、成本低、适用范围广等 特点，是目前p t 较为成熟的技术之一。 第一章绪论 1 1 2 电容层析成像技术 电容层析成像技术是p t 技术中研究较早的一种，它是利用多相介质往往 具有不同的介电常数，通过阵列电极电容变化，反映管道中多相介质分布，从 而构造出管道中二维或三维的各相介质的分布图像。电容层析成像系统主要包 括3 个基本部分：( 1 ) 由阵列式电极电容敏感系统构成的传感器系统；( 2 ) 数 据采集与信号处理系统；( 3 ) 用于图像重建与分析显示的成像计算机，如图卜l 所示。 传感器系统通常由均匀安装在绝缘管道外壁的阵列电极构成，数据采集系 统测量任意一对电极间的电容值，获得不同观察角度下的“投影数据”并馈入 成像计算机。对于个极板的传感器，可以得到( 一1 ) 2 个独立测量值。计 算机对数据采集过程进行控制，并且根据图像重建算法即可获得敏感场介质分 布的二维或三维图像。 图卜1电容层析成像系统构成原理图 经过近二十年的研究，e c t 技术在理论和应用领域取均得了很大的进展： 1 9 8 8 年，u m i s t 的研究小组研制成功8 电极电容层析成像系统【2 】【3 1 。 1 9 9 1 年，u m i s t 的研究小组研制成功1 2 电极电容层析成像系统【4 】。该系 统的电容数据采集单元采用电荷转移原理，用t r a n s p u t e r 阵列式处理器对数据 进行并行处理以提高系统的实时性，计算机采用p c 4 8 6 ，并在流体实验装置上 对油气两相流进行了成像实验，将e c t 技术应用于监视管路中的油气两相 流。 1 9 9 1 年，美国能源部摩根城研究中心设计了1 6 电极电容层析成像系统 f 5 】【6 1 ，用于研究流化床中的空隙率分布。 第一章绪论 1 9 9 2 年，b r o d o w i c z l 7 等将e c t 技术应用于气力输送系统的监视。 1 9 9 4 年，i s a k s e n i s l 等报道了将e c t 技术应用于油气水三相分离器分界 面的监视，该系统可同时显示水、油、泡沫和气的界面。 1 9 9 5 年，j o h a n s e n 9 1 0 1 等提出了一种将e c t 技术与v 射线成像技术相结合， 对管道中的油气水三相流进行监视的系统。e c t 技术可将水从气水两相介 质中区别出来，y 射线技术可将气从油水两相介质中区分出来，将二者信息加 以融合即可获得油气水三相各自的空间分布。 1 9 9 5 年，w a n g 】等利用e c t 技术研究流化床气固两相的分布。 1 9 9 6 年，w a t e r f a l l 1 2 】等利用e c t 数据采集系统研究内燃机的燃烧过程。 在数据采集过程中同时获得电阻与电容数据，并给出了连续成像结果。 1 9 9 7 年，n o o r a l a h i y a n 1 5 等利用人工神经网络对e c t 三相流系统的图像 重建进行了研究，用单层多输出网络( s l m o n ) 对e c t 三相流进行了仿真实 验。 1 9 9 9 年，颜华【1 。7 1 等利用五面体和六面体作为剖分单元，建立了e c t 传感 器的3 d 模型。 2 0 0 1 年，刘石【l3 】等采用e c t 技术对流化床中的混沌现象进行了分析。 w a r s i t o 1 4 】等利用h o p f i e l d 动态神经网络解决了e c t 多判据最优图像重建问题， 并应用于两相流和三相流系统的图像重建。 2 0 0 2 年，王海刚【1 9 】等基于e c t 得到的二维断面浓度分布，利用一种线性 差值算法构建了固体的三维浓度分布，并将该算法用于循环硫化床中。 2 0 0 3 年，w a r s i t o 1 6 】等利用基于动态神经网络的多判据最优图像重建技术 ( n n m o i r t ) 的e c t 系统，研究了流化床气液固三相流的实时图像重建。 p u g s l e y 1 8 1 等利用光纤测量技术对流化床的e c t 的测量结果进行验证，第一次 用独立于e c t 的测量技术对其结果进行验证。 1 2e c t 技术的特点与需要解决的问题 电容层析成像技术达到实际应用的要求，目前尚存在的主要问题是： 1 、传感器的优化设计 目前e c t 传感器的电极板数目一般分为8 、1 2 、1 6 ，增加极板数舀可获得 更多的独立测量数据，从而有效地提高图像的重建质量。但数据量的增大，为 第一章绪论 1 9 9 2 年，b r o d o w i c z tj 等将e c t 技术应用于气力输送系统的监视。 1 9 9 4 年，i s a k s e n 刚等报道了将e c t 技术鹰用于油气水i 相分离器分界 面的监视，该系统可同时显示水、油、泡沫和气的界面。 1 9 9 5 年，j o h a n s e n t g j t ”1 等提出了一种将e c t 技术与v 射线成像技术相结合， 对管道中的油气水三相流进行峨视的系统。e c t 技术可将水从气水两相介 质中区别出来，y 射线技术可将气从油水两相介质中区分出来，将二者信息加 以融合即可获得油气水三相各自的空间分布。 1 9 9 5 年，w a n g i n l 等利用e c 技术研究流化床气固两相的分布。 1 9 9 6 年，w a c e r f a l l t 2 1 等利用e c t 数据采集系统研究内燃机的燃烧过程。 在数据采集过程中同时获得电阻与电容数据，并给出了连续成像结果。 1 9 9 7 年，n o o r a l a h i y a n ” 等利用人工神经网络对e c t 三相流系统的图像 重建进行了研究，用单层多输出网络( s l m o n ) 对e c t 三相流进行了仿真实 验。 1 9 9 9 年，颜华【l7 】等利用五面体和六面体作为剖分单元，建立了e c t 传感 器的3 d 模型。 2 0 0 1 年，刘石 1 3 1 等采用e c t 技术对流化床中的混沌现象进行了分析。 w a r s i t o 等利用h o p f i e l d 动态神经网络解决了e c t 多判据最优图像重建问题， 并应用于两相流和三相流系统的图像重建。 2 0 0 2 年，王海刚【1 9 】等基于e c t 得到的二维断面浓度分布，利用一种线性 差值算法构建了固体的三维浓度分布，并将该算法用于循环硫化床中。 2 0 0 3 年，w a r s i t o 1 6 l 等利用基于动态神经网络的多判据最优图像重建技术 ( n n ，m o i r t ) 的e c t 系统，研究了流化床气液固三相流的实时图像重建。 p u g s l e y ”1 等利用光纤测量技术对流化床的e c t 的测量结果进行验证，第一次 用独立于e c t 的测量技术对其结果进行验证。 1 2e c t 技术的特点与需要解决的问题 电容层析成像技术达到实际应用的要求，目前尚存在的主要问题是： l 、传感器的优化设计 目前e c t 传感器的电极板数曰一般分为8 、1 2 、1 6 ，增加极板数目可聩得 更多的独立测量数据，从而有效地提高图像的重建质量。但数据量的增大，为 更多的独立测量数据，从而有效地提高图像的重建质量。但数据量的增大，为 第一章绪论 满足实时性，对数据采集和图像重建的速度提出更高的要求。同时，电极数目 的增加将导致一次激励时，所获得的各测量电容之间差别进一步增大，这就要 求数据采集系统具有更高的动态测量范围。 传感器的电极极板轴向尺寸一般是3 0 r a m 1 0 0 r a m 不等，其尺寸减少可减 少被测物体的轴向空间滤波效应，提高图像的熏建质量，但降低了测量信号的 电平，对检测电路的要求更高。 对传感器的优化设计存在以下问题：为了简化问题更多地采用二维有限元 模型。然而，实际问题中电容敏感场是一个三维场，而且解决有些应用问题时 极板长度受到限制，极板边缘效应无法忽略。因此，用三维有限元模型对e c i 的正问题求解是消除二维误差【”】，进行传感器的优化设计仿真的最佳选择。 2 、微弱电容检钡4 、数据采集与处理 测量动态范围大。不同电极对之间的静态电容和电容变化范围往往相差两 个数量级。对8 极板系统测量范围相差3 3 倍【2 引，对1 2 极板系统测量范围相差 8 l 倍【2 1 1 ，这要求数据采集系统必须能够动态调整其测量范围与之相适应。 测量灵敏度高。以1 2 极板的传感器为例【2 l 】，空管道时的固定电容( s t a n d i n g c a p a c i t a n c e ) 值从6 0 7 f f 0 4 8 9 p f ( 1 p f = l o o o f f ) 不等。当管中充满相对介电 常数为2 。6 的油介质时的电容变化量只有5 4 7 w 7 6 9 f f 。可见所测电容值和 电容变化量均很微小，要求电容测量系统除了有足够的动态测量范围，还必须 保证测量微小电容时有足够的分辨率。 抑制杂散电容、抗干扰性强。e c t 传感器空载时固定电容值很小，杂散电 容值远大于空载固有电容值，杂散电容主要有： ( 1 ) 作为电极引线的屏蔽电缆芯线与屏蔽层间的电容( 大约1 0 0 p f m ) ： ( 2 ) 系统中c m o s 电子开关输入引脚的电容，其典型值为8 p f ： ( 3 ) 检测电极与屏蔽层之间的电容。 同时，杂散电容随温度、位置、结构、内外部电场分布、器件选取等因素 变化而改变，要求电容测量系统能抑制杂散电容、消除损耗电导的影响、具有 较高的抗干扰性。 3 、图像重建算法 电容层析成像系统图像重建是根据独立电容测量值实时反演出敏感场内 各电解质的空间分布。由于独立电容值较少，敏感场“软场”特性等因素，使 重建出高质量的实时反演图像困难较大。图像重建是一个不适定( i l l p o s e d ) 第一章绪论 的、输入数据是稀疏的逆问题( i n v e r s ep r o b l e m ) 。因此，图像重建算法难以保 证速度和精度同时兼顾1 2 ”，传统的成像算法大都为定性算法，成像精度不高， 只能满足流型辨识的要求。 近年来，将神经网络、模糊理论和小波变换等现代信息处理方法引入图像 重建算法，并通过此类方法实现对系统流型、分相含率等特征参数的提取：同 时由于计算机技术的发展，使三维图像重建算法的研究与应用成为可能【捌。 4 、面对现场的技术研究 e c t 系统研究的最终目的，是作为一种实时检测设备在工业等现场中应 用。目前的研究内容仍局限于实验室中，有许多面对现场的技术问题急待解决。 1 3 本文的主要工作与创新 e c t 技术经过近二十年的发展，各类性能指标均有了较大提高，但目前 e c t 技术离工业现场应用还有一定距离。根据目前的应用研究水平，本文研究 的主要内容包括传感器建模，e c t 系统软、硬件优化设计以及图像重建。构建 一套基于物理模型的完整的e c t 系统，并研究开发了一套仿真软件包。 l 、编写完成了基于m a t l a b 的e c t 系统仿真软件包，根据需要可进行二维 或三维仿真，分为正问题和逆问题两部分。正问题部分能够自动建立8 电极、 1 2 电极和1 6 电极模型，并针对不同模型自动剖分，根据需要还可继续细分， 在剖分模型基础上，进行有限元计算；逆问题部分实现了反投影算法以及作者 设计的动态滤波反投影算法。 2 、利用二维电磁场有限元仿真软件包，对传感器的优化设计和灵敏度的 分布进行研究，以期优化传感器的结构参数，从而改善敏感场检测灵敏度和空 间分辨率。并利用三维电磁场有限元仿真软件包对传感器的轴向空间响应特性 进行分析，建立了三维传感器有限元仿真模型。 3 、研究径向基函数神经网络( r a d i a lb a s i sf u n c t i o nn e u r a ln e t w o r k s ， r b f n n ) 和支持向量机( s u p p o r t v e c t o r m a c h i n e ，s v m ) 在图像重建中的应用。 用基于支持向量机的图像重建算法进行了二维三相流和三维二相流图像重建 研究。 4 、研制了一套1 2 电极的e c t 系统。研究了嵌入式技术和c a n 总线在 e c t 系统中的应用，为设计出工业实用化的系统积累经验。 第一章绪论 创新点包括： 1 、以四面体作剖分单元构成三棱柱六面体成像单元，实现了用线性插值 函数的三维有限元剖分，建立了e c t 传感器的三维有限元模型； 2 、基于敏感场分布的不均匀性，改进滤波反投影算法，提出了动态滤波 反投影算法，该算法能根据成像对象自动确定相应的滤波域值； 3 、根据e c t 图像重建问题是小样本分类问题，提出了基于c 支持向量分 类机的图像重建算法；在训练方法上，针对样本集的类别分布采用动态惩罚参 数，提高了分类正确率和图像质量： 4 、根据多类分类方法，在多相流图像重建方面做出了尝试。提出了一种 基于支持向量机的四层神经网络算法用于三相流图像重建，实现了将支持向量 机方法用于三相物质分布辩识和图像重建。 5 、以e c t 传感器的三维有限元模型为基础，在逆问题的三维图像重建方 面进行了初步研究，提出了基于支持向量机的三维图像重建算法，进行了仿真 实验。 6 、e c t 系统的设计采用嵌入式技术，通讯采用c a n 总线，为设计出工业 实用化的系统积累经验。 1 4 本文的组织 本论文共包括八章： 第一章绪论。简要阐述e c t 技术的起源、发展及国内外研究小组在硬件 系统及图像重建算法上所做工作；e c t 技术目前存在的主要问题；对本文的主 要研究内容和作者的主要贡献做了简单介绍；简要说明本文的组织和结构安 排。 第二章e c t 正问题分析。给出e c t 系统的基本原理及其数学描述，建立 了e c t 传感器的三维有限元模型简要介绍e c t 系统正问题的二维和三维求 解方法，用作者开发的软件包对正问题的二维和三维典型模型进行仿真。 第三章e c t 传感器的性能分析和优化设计。分析了e c t 传感器的“软场” 特性，给出了二维和三维敏感场的灵敏度分布；分析