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哈尔滨理t 大学工学颈i 二学位论文 基于神经网络的电容层析成像图像重建算法 摘要 过程层析成像( p t ) 技术是近年来飞速发展起来的一门新技术，该技术在解 决多相流检测问题上具有巨大的发展潜力和广阔的工业应用前景。电容层析成 像( e c t ) 作为一种应用在多相流在线监测领域的层析成像( p t ) 技术具有非侵入， 无辐射，应用部署简单等特点。在化工、石油、炼油、冶金、电力、轻工、环 保及核能等国民经济行业中有着广泛的应用前景，是近些年来国内外发展最快 并且关注程度最高的一种p t 技术。 图像重建算法是e c t 系统研究的关键技术，是改善图像重建质量的重要因 素。图像重建是通过有限个电容测量值去重建介质在检测区域内的介电常数分 布图，即求成像区域内各象素的灰度值，是个非线性、不适定的逆问题。 本文讨论了应用在e c t 图像重建中的传统线性算法的求解局限性，介绍了 神经网络算法在e c t 图像重建中的应用。神经网络出色的非线性映射能力和联 想记忆功能可以较好的解决e c t 中电容测量值远小于图像像素点灰度值这一不 适定问题，用神经网络算法求解电容层析中的反演问题显示了神经网络在此领 域中广阔的应用前景。本文选择b p 神经网络作为神经网络的代表应用在e c t 图像重建算法之中，在阐述b p 神经网络的基本原理的基础上，研究了基于b p 神经网络的图像重建方法。b p 神经网络是一种局部逼近的神经网络，理论上只 要足够多的神经元，b p 神经网络就可以逼近任意精度的连续函数。基于b p 神 经网络的重建图像方法实质是用b p 神经网络建立电容测量值到图像灰度值的 映射关系模型。 本文在b p 网络的基础上对b p 网络算法进行改进，使得收敛速度得到进一 步加强，并在m a t l a b 环境下对所研究的图像重建用b p 神经网络进行训练，通 过有限元法获得训练所需要的训练样本集。仿真结果表明，基于b p 神经网络的 图像重建算法与常用的实时图像重建算法反投影法相比，重建质量明显优于反 投影法。 关键词电容层析成像：图像重建；b p 神经网络：线性反投算法 哈尔滨理工大学t 学硕i ：学位论文 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 so fe l e c t r i c a l c a p a c i t a n c et o m o g r a p h yb a s e do nn e u r a ln e t w o r k a b s t r a c t p r o c e s st o m o g r a p h y ( p t ) t e c h n i q u ei san e wt e c h n i q u ed e v e l o p e dr a p i d l yi n r e c e n ty e a r s ，w h i c hh a sg r e a td e v e l o p m e n t a lp o t e n t i a la n dw i d ei n d u s t r i a la p p l i c a t i o n p r o s p e c ti ns o l v i n gt h em e a s u r e m e n tp r o b l e mo fm u l t i p h a s ef l o w a sap tt e c h n i q u e a p p l i e di nt h em u l t i - c o m p o n e n tf l o wo n - l i n em o n i t o r i n ga r e a ，e l e c t r i c a lc a p a c i t a n c e t o m o g r a p h y ( e c t ) h a sav a r i e t yo fe x c e l l e n tc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sn o n i n v a s i o n a n de a s yc o n s t r u c t i o ne r e i ti sg a i n i n gi n c r e a s e da t t e n t i o na sat h ef a s t e s tg r o w i n gp t t e c h n i q u eb o t hi nd o m e s t i ca n do v e r s e a si nr e c e n ty e a r sa n dh a sap r o m i s i n gf e a t u r e i nw i d e l ya p p l i e di nm a n yn a t i o n a le c o n o m ya r e a ss u c ha sc h e m i c a li n d u s t r y , p e t r o l i n d u s t r y ，r e f i n e r y ，m e t a l l u r g y ，p o w e r ，l i g h ti n d u s t r y , e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o na n d n u c l e a r e n e r g ye t c 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 mi sa nk e yf a c t o rt oi m p r o v et h ei m a g e r e c o n s t r u c t i o n q u a l i t y i ne c ts y s t e mr e s e a r c h i tr e c o n s t r u c t st h em e d i u m d i s t r i b u t i o ni m a g eo ft h em e a s u r e da r e ab yl i m i t e do b s e r v a t i o nd a t a ，t h a ti st og a i n t h ep i x e l - g r a y s c a l ev a l u eo fi m a g ea r e aw h i c hi san o n l i n e a r i t y , i l l - p o s e di n v e r s e p r o b l e m s a m o n gt h e s ea l g o r i t h m s ，n e u r a ln e t w o r kc a ns o l v et h ei l l p o s e dp r o b l e mo ft h e d i s s i m i l i t u d eb e t w e e nt h ea m o u n to fi m a g ep i x e l sa n dm e a s u r e dc a p a c i t a n c ev a l u e s p r o p e r l yd u et oi t sn o n - l i n e a rm a p p i n ga n da s s o c i a t i v em e m o r yc a p a b i l i t i e s t h i s d i s s e r t a t i o nd e s c r i b e st h el i m i t a t i o no fl i n e a ra p p r o a c hu s e di ne c ti m a g e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h ma n dt h e nm a k e si m p r o v e m e n t sa n do p t i m i z a t i o n st ot h eb p n e t w o r kb yw h i c ht h en e wa l g o r i t h mc a na c c e l e r a t et h es p e e do fc o n v e r g e n c ea n d i m p r o v et h eq u a l i t yo fc o n s t r u c t e di m a g eb e t t e r i tp r o v i d e san e wc o n c e p t i o nf o rt h e e c ti m a g ec o n s t r u c t i o na l g o r i t h m i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h eb pn e u r a ln e t w o r kh a s b e e ns e l e c t e da sar e p r e s e n t a t i v e a l g o r i t h mf o rn e u r a ln e t w o r ka p p l i e di ne c t b e f o r et h ep r i n c i p l eo fb pn e u r a ln e t w o r kh a sb e e ni n t r o d u c e d ，i tf o c u so nt h en e u r a l n e t w o r ki m a g er e c o n s t r u c t i o nm e t h o d s b pn e u r a ln e t w o r ki sak i n do fl o c a l 哈尔滨理工大学t 学硕j ：学位论文 a p p r o x i m a t i o nn e u r a ln e t w o r k s 。i nt h e o r y , i tc a na p p r o x i m a t ea n yc o n t i n u o u s f u n c t i o ni ft h e r ei se n o u g hn e u r a l t h ei m a g er e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h mb a s e do nb p n e u r a ln e t w o r k su s e sb pn e t w o r k st ob u i l dt h em a p p i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e c a p a c i t a n c ev a l u ea n dt h ei m a g e 留a y s c a l ev a l u e i nt h i sa r t i c l e ，t h en u m b e r so f h i d d e nn o d e so ft h eb pn e u r a ln e t w o r k sw a sd e t e r m i n e du s i n gd y n a m i ca d j u s to f c h a n g i n gs t r u c t u r em e t h o d t h u st h eb pn e u r a ln e t w o r k sc o n v e r t i n gt h ee l e c t r o d e c a p a c i t a n c em e a s u r e m e n t st ot h ei m a g e 鲈a y s c a l ev a l u ew a se s t a b l i s h e d t h i sd i s s e r t a t i o nm a k e si m p r o v e m e n t sa n do p t i m i z a t i o n st ot h eb pn e t w o r kb y w h i c ht h en e wa l g o r i t h mc a l la c c e l e r a t et h es p e e do fc o n v e r g e n c ea n di m p r o v et h e q u a l i t yo fc o n s t r u c t e di m a g eb e t t e r t h eb pn e u r a ln e t w o r k sf o ri m a g er e c o n s t r u c t i o n w e r et r m n e di nm a t l a be n v i r o n m e n t 刀l et r a i n i n gs a m p l e sw e r eo b t a i n e db yu s i n g e l e m e n tm e t h o d s i m u l a t i o ne x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h er e c o n s t r u c t i o n a l g o r i t h mb a s e do nb pn e t w o r k sc a np r o v i d ei m a g e ss u p e r i o rt ot h o s eo b t a i n e dw i t h t h el i n e a rb a c k - p r o j e c t i o na l g o r i t h m ，w i t has i m i l a rr e c o n s t r u c t i o nt i m e k e y w o r d s e l e c t r i c a l c a p a c i t a n c et o m o g r a p h y ，i m a g er e c o n s t r u c t i o n ，b a c k p r o p a g a t i o nn e u r a ln e t w o r k ，l i n e a rb a c kp r o j e c t i o n 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于神经网络的电容层析成像 图像重建算法，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独 立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人 已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：话五啪日期：口0 年3 月乙1 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于神经网络的电容层析成像图像重建算法系本人在哈尔滨理工大学攻 读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨 理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈 尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交 论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名：i q , - - 鹇f l 期：口? 年3 月z f 日 导师签名：姒侈三 日期：口7 年多月多日 i 哈尔滨理工大学t 学硕_ i ：学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着科学技术在2 0 世纪后的迅猛发展，多相流体系在国民经济和人类生活 中的地位日益重要，特别是上世纪后半叶，原子能核电站及航天工业的发展， 能源工业及石化工业高参数的引入，以及对环境保护的日益重视，极大地促进 了多相流研究及其应用的发展【l i 。 进入2 l 世纪后，由于与石油工业，化工工艺，冶金制造，环境监测等众多 工业生产和社会民生领域密切相关，多相流检测技术继续成为检测科学研究的 焦点。比如在石油工业中，油井的提取物往往是油、水、天然气三种成分的混 合物，怎样对其中的各种成分进行准确计量将影响到生产管理和经济预算。在 社会民生领域，自然界中的下雨、下雪、江河湖海中的泥沙流动和水土流失， 空中弥漫的烟尘、沙漠中的风沙流动等等都是与人类生活有关的多相流动现象， 对这些自然现象进行测量有助予帮助人类改善所处的生存环境。因此，多相流 的研究已经发展成为现代流体力学的一个重要组成部分，在现在力学中占有一 席之地，其测量技术也必然成为测量领域的重中之重。 近年来，随着多相流系统在工业中应用越来越多，对多相流工业生产过程的 计量、节能与控制提出了更高的要求，但目前多相流检测技术发展现状和水平 与飞速发展的现代工业应用之间的矛盾日益突出，因此，发展多相流检测技术 是现代工业发展的迫切要求，研究多相流技术对国民经济的发展具有重要意义。 1 2 多相流检测技术 1 2 1 多相流介绍 从宏观角度分析，自然界的物质分为气、固、液三相，相的概念通常指某 系统中具有相同成分及相同物理、化学性质的均匀物质( 介质) 部分，各相 之间具有明显可分的界面。单物质的流动即单向流，两相流或多相流则指系统 哈尔滨理丁大学工学硕上学位论文 中同时存在着两种或多种不同相的物质流动。 两相流可根据混合介质中两相的成份分为气液两相流，气固两相流和固液 两相流三种。如石油工业中的油气、油水两相流，化学工业中流化床反应装置 中的气固两相流等。 两相流( 多相流) 也可以根据混合介质流态的连续与否分为连续相和离散 相，其中连续不断地构成一个整体的相称为连续相( 如气体、液体等| ) ，而以不连 续介质如固体颗粒、液滴或水泡等形态存在于连续相中的物质称为离散相( 或非 连续相) 。连续相和离散相组成的流动称为两相流动。 1 2 2 多相流主要参数介绍 1 2 2 1 流型两相流( 多相流) 流动过程中各分相介质的分布状况或流动结构 称为流型或流态( f l o w p a t t e m 或f l o w r e g i m e ) 。多相流流型的产生是由于多 相流各相间存在随机可变的相界面，这也是多相流区别于单相流的主要特征之 一。在工业多相流系统的应用过程中，多相流流型的不同，不但影响到多相流 系统的流动特性、传热、传质性能，而且影响系统运行的可靠性和效率。同时， 对多相流其他参数的测量往往也依赖于对多相流流型的了解。因此，多相流的 流型辨识一直是多相流参数检测的一个重要方面。 当气液两相流在垂直管道中向上流动时，其典型的流型分为泡状流( b u b b l e f l o w ) 、弹状流( s l u ga n dp l u gf l o w ) 、搅拌流( c h u mf l o w ) 、环状流( a n n u l a r f l o w ) 和丝束环状流( w i s p y a n n u l a rf l o w ) 等。如图1 - 1 所示。 泡状流弹状流 揽捧流 环状流缓柬艇：状流 图1 1 垂真上升气液两相流的流型图 f i g 1 一lv e r t i c a lr i s ei ng a s l i q u i dt w o p h a s ef l o wp a t t e r nd i a g r a m 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 当气液两相流在水平管中流动时，其典型流型分为泡状流( b u b b l ef l o w ) 、 塞状流( p l u gf l o w ) 、层状流( s t r a t i f i e df l o w ) 、弹状流( s l u gf l o w ) 、波状流( w a v y f l o w ) 、环状流( a n n u l a rf l o w ) 等，如图l - 2 所示。 泡状淹 珐状流 波状流 图1 2 水平管段气液两相流的流型图 f i g 1 2t h ef l o wp a t t e r no fg a s l i q u i dt w o p h a s ef l o wd i a g r a m 褰状漉 弹状流 环状漉 1 2 2 2 流量流量，与速度一样，在多相流系统中除总流量外还有分相流量， 依据单位制不同它们又有容积流量和质量流量之分。在涉及多相流体的工业中， 单相流体的体积流量或质量流量分别用分相体积流量和分相质量流量描述，而 两相流体的流量则用平均体积流量和平均质量流量表示。 1 2 2 3 空隙率空隙率，在不同类别的多相流中有不同的习惯术语，在气液两 相流中称为空隙率或含气率，在气固两相流中称为空隙率、含固率或浓度。分 相含率可以表示为段管流按容积、截面、时间或弦的平均分相含率，也可以 表示为局部区域的局部分相含率或表示瞬间状态下的瞬时分相含率。 1 2 2 4 滑动比在气液两相流中，两相间往往存在相对速度，因此用气相真实 速度与液相真实速度的比值来表示气液两相速度的差别，称为气液两相的滑动 比。 除上述两相流的主要特征参数外，流速、密度、压力、两相流体中的气泡 分布、液滴、颗粒尺寸及分布、温度、传热系数、传质系数等也是描述两相流 动中的一些参数。 哈尔滨理t 大学下学硕i ：学位论文 1 3 过程层析成像技术 随着工业生产自动化水平的不断提高，两相流在工业生产中得到了广泛的 应用，两相流参数检测技术在科学研究和工业生产中发挥了越来越重要的作用， 对两相流参数进行测量的需求越来越迫切。但两相流流动过程及其复杂，要建 立过程模型，并进行过程的预测、设计和控制，首先要解决的就是过程参数检 测问题。随着工业生产过程中对提高产品质量，降低成本和安全生产等的重视， 对过程参数的测量提出了更高的要求，采用常规检测技术无法检测到两相流的 空间分布参数如截面相分布、速度场分布( - - - - 维信息) 等，因此采用常规检测 法对两相流参数检测存在较大的局限性。工业过程层析成像( p r o c e s st o m o g r a p h y p t ) 技术就是在这样的背景下于2 0 世纪8 0 年代中期发展起来的。 1 3 1 过程层析成像的发展历程 1 9 1 7 年奥地利科学家j r a d o n 在“天线数学”杂志上发表著名的论文“论 如何根据某些流型上的积分以确定函数”，证明了一个二维或三维物体的内部结 构能够通过其无限个或连续的投影数据来重建，并提出了图像重建理论( 现称该 理论为r a d o n 变换及其逆变换) ，从而奠定了层析成像的数学基础1 2 1 。 层析成像( t o m o g r a p h y ) 也称为计算机层析( 断层) 成像( c o m p u t e r i z e d t o m o g r a p h y ，简记为c t ) ，是指在不损伤对象内部结构的条件下，利用某种探 测源，根据从对象外部设备所获得的投影数据，运用一定的数学模型和重建技 术，使用计算机生成对象内部的二维或三维图像，来重现对象的内部特征。层 析成像不同于从“图像到图像”的常规计算机图像处理技术，而是由投影数据 重建反映对象内部特征的图像，是一类特殊的图像处理技术，常称为“图像重 建”。第一台层析成像装置是在1 9 7 2 年由g n h o u n s f i e l d 研制成功的x 射线c t 扫描仪，随后就迅速地被推广应用于医学临床诊断。过程层析成像技术的早期 探索始于7 0 年代后期，在医学c t 技术所获得巨大成功的激励下，研究人员开 始尝试将c t 技术应用于多相流参数检测领域，以获得更加直观和更加准确的 测量结果。 从8 0 年代中期开始，以英国的曼彻斯特大学理工学院( u n i v e r s i t yo f m a n c h e s t e ri n s t i t u t eo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，简记为u m i s t ) m s b e c k 教授为 哈尔滨理t 大学- t 学硕1 ：学位论文 首的研究小组开始了基于电容、超声等适合于工业应用传感机理的层析成像技 术研究，并正式提出了流动成像这一概念以区别于医学c t l 3 1 。1 9 8 8 年，u m i s t 率先研制成功一种构造简单、价格低廉、动态响应好，且不用于被测介质直接 接触的8 电极电容层析成像系统。1 9 9 0 年进一步改进成为1 2 电极的电容层析成 像系统，并配备了t r a n s p u t e r 系列处理器件来对数据进行并行处理，以提高系 统的实时性，成功地在流体实验装置上对油气两相流进行了成像实验。同时， 美国能源部摩根城研究中一t 二, ( m o r g a n t o w ne n e r g y t e c h n o l o g yc e n t e r ) 设计了l6 电 极电容层析成像系统用于流态化研究，可同时重建出流化床四个不同高度上空 隙率截面分布的图像，速度达3 0 帧秒。 进入9 0 年代，随着过程层析成像技术的研究和发展，令人鼓舞的研究成果不 断涌现，该技术在工业应用中的巨大潜力逐步为人们所认识。同时，大工业集 团和跨国公司的研究部门也逐渐认识到这项新技术的发展可能为工业部门带来 巨大效益，开始重视和支持有关大学继续开展研究。从1 9 9 0 年起，英国科学与 工程研究委员会( s e r c ) 将“过程层析成像技术”列为英国政府科技部门支持的 科技前沿研究课题之一。同年，欧共体( e c ) 科学技术委员会也正式立项，资助 欧共体国家的大学和工业研究部门联合开展为期四年的过程层析成像技术的研 究，称为“欧洲过程层析成像联合行动( 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 s t o m o g r a p h y ，筒记为e c a p t ) 计划。从1 9 9 2 年到1 9 9 5 年，每年一次分别在英国的 m a n c h e s t e r 、德国的k a r l s r h e 、葡萄牙的o p o r t o 和荷兰的b e r g e n 召开了四届会议。 该计划其目的就是“将不同学科联合起来以加快过程层析成像技术的开发和应 用”。美国工程基金会( e n g i n e e r i n gf o u n d m i o n ) 也分别于1 9 9 5 年和1 9 9 7 年在美国 和荷兰召开了“工业过程层析成像前沿”( f r o n t i e ri n i 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 ) 国际会议。 自1 9 9 9 年开始，每两年召开一次工业过程层析成像技术世界大会。该会议是 1 9 9 6 年8 月由英国政府t e c h n i c a lf o r e s i g h tc h a l l e n g e 计划组织的三所大学 ( 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 fe x e t e r ) 所成立的“工业过程层析成 像技术虚拟中，t , ( t h ev i r t u a lc e n t e rf o ri n d u s t r i a lp r o c e s st o m o g r a p h y ) ”所发起。 第五届工业过程层析成像技术世界大会于2 0 0 7 年9 月3 日至6 日在挪威卑尔根召 开，为层析成像领域的专家和学者提供一个学术与经验交流平台。 随着众多科研人员的努力，过程层析成像技术的研究逐步走向深入，由实 验室阶段向工业现场应用阶段过渡。在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 ) 。 紧随国外p t 技术的研究步伐，国内多所高校和研究机构，如清华大学、天 哈尔滨理t 大学工学硕上学位论文 津大学、东北大学、中国科学院、浙江大学，哈尔滨理工大学等，也相继开展 了基于电容、电阻、超声和电磁感应等原理的p t 技术的研究工作，并已取得可 喜的成果。国家自然科学基金委员会及有关工业部门也给予有力的资助以支持 p t 技术的研究。 1 3 2 过程层析成像技术 过程层析成像技术是以c t 技术为基础的，一种以两相流或多相流为主要对 象的过程参数二维或三维分布状况的在线实时测量技术，其实质是利用物理可 实现系统，多被测物体的某种分布应用r a d o n 变换和r a d o n 逆变换。p t 技术引 入注目的特点在于它能够在非侵入非接触的方式获取被测多相流经过管道或装 置的各项组分分布信息，并运用定性或定量的方法在线实时的重建出被测管道 内多相流的物场图像；通过分析和比较不同时刻的图像信息，获得被测物场的 分布状态和运动变化特征；根据从图像信息中提取的特征参数，按照相关理论 模型，输出相应的控制信号，实现对被观测过程的调节，从而保证生产过程高 效、安全地运行。 目前p t 技术已经有几十种基于不同敏感原理的p t 系统面世。根据获得被 测对象信息的方式不同，主要有：射线( x 射线、y 射线、种子射线) 、核磁共 振、电学、光学、超声等多种p t 技术。 射线层析成像技术( r a yt o m o g r a p h y ，简记为r t ) 的检测原理是一束放射线 穿透被测介质时产生的衰减作用。射线层析成像的被层物场属于硬场，所以适 用范围广，能使用于不同类型和不同流型下的多相流动系统，并可以通过不同 角度的扫描得到足够多的测量数据，使得重建图像的精度较高。但射线层析成 像的测量设备都属于高精设备，造价昂贵没，测量的成本较高，并且在测量过 程中，放射线会产生对人体有害的辐射，使得操作人员心理压力大。 光学层析成像技术( o p t i c st o m o g r a p h y ，简记为o t ) 通过测量介质的边界信 息，恢复其内部各种光学参数的介质分布。光学成像系统主要由传感器、控制 测量系统和计算机等组成。传感器包含两对发射器，接收器由光敏器件构成， 它将接收到的光强转换为电信号，从而得到某个方向上吸收系数的投影值，计 算机依据一定的成像算法重建出图像【4 l 。该技术2 0 世纪7 0 年代开始出现，近年 来，o t 技术作为一种新型的生物医学成像技术，显现出良好的应用前景，例如， 研究者将该项技术用于乳腺癌，脑功能或手指关节的类风湿性关节炎等的医学 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 成像1 5 , 6 1 。该方法具有成本低、速度快、安全性好、数据采集系统简单等优点， 但要求被测对象透明或半透明且管路不能受到污染，其应用范围因此受到限制。 由于图像重建算法假设其灵敏场为硬场，忽略了光的传播路径受介质分布影响 的软场( s o f tf i e l d ) 性质，使得该方法目前只能用于实验室研究，难以在工 业现场中得到应用。 超声波层析成像( u l t r a s o n i ct o m o g r a p h y ，简记为u t ) 技术，是目前广泛研究 的一种p t 技术，也是当前p t 技术发展的主流之一，是根据多相流内部气泡( 也 可是油滴) 对超声波的反射特性来检测气泡的位置和大小从原理上讲能适用于 大多数工业生产中多相流的参数检测。系统的成本也能为大多数用户接受，而 且采用的是非辐射测量方法，对人体无害。 电阻层析成像( e l e c t r i c a lr e s i s t a n tt o m o g r a p h y ，简记为e r t ) 技术，是基于 多相流各介质问电导率的不同，通过测量电阻率分布获得多相流介质分布从而 实现多相流参数检测。它是电阻抗层析成像( e l e c t r i c a li m p e d a n c et o m o g r a p h y ， 简记为e i t ) 的一种简化形式，只利用了电阻抗的实部信息。同时需指出的是通 常意义下的电阻抗层析成像指的就是电阻层析成像，因为目前无论是在流动层 析成像中还是在医学工程中电阻抗层析成像大多仅仅是利用了电阻抗的实部信 息，利用虚部信息的很少，即本质上是电阻层析成像。电阻层析成像理论上可 归结为数学物理方程逆问题的求解。 电磁层析成像( e l e c t r o m a g n e t i ct o m o g r a p h y ，简记为e m t ) 技术，是自2 0 世 纪9 0 年代初发展起来的一种基于电磁感应原理的新型p t 技术，适用于介质分 布可由其电导率或磁导率来确定的应用场所；e m t 是基于电磁学中的m a x w e l l 方程组，其本质是在场外测量不同激励状态下各电磁感应场分量，并结合边界 条件获得被测物场中介质的电导率和磁导率分布。 1 4 本文的主要工作内容 本文对电容层析成像系统的原理及各部分实现进行了讨论，阐述了电容层 析成像系统的优缺点和有待改进的方面。本文的研究工作主要集中在解决在不 增加电容极板数目，不降低灵敏度的情况下，怎样通过对电容层析成像系统图 形重建的参数选择和算法改进来提高电容层析成像系统在线实时重建图形的精 度与生成速度。并通过实验结果对几种图像重建算法进行分析和比较。 哈尔滨理工大学工学硕l = 学位论文 第2 章电容层析成像系统组成与工作原理 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 ，简记e c t ) 技术是上世 纪8 0 年代后期由英国曼彻斯特理工大学( u m i s t ) 提出的一种新型计算机层析 成像技术。它通过测量物体表面周围电极之间的电容值来计算物体内部介电常 数的空间分布，用于工业管道内的多相流检测，并可以提供常规仪器无法探测 到的封闭管道及容器中多相介质的浓度、分布、运动状态等可视化信息。与其 他测量技术或仪器配合还可对多相流总质量流量、分相质量流量以及流速进行 实时检测1 7 i 。 2 1 电容层析成像系统的组成 e c t 系统的工作原理是：非导电物场内介质分布变化而引起电容值的变化， 通过测量电容值的变化来重建物场内的介质分布而实现对多相流参数的检测。 通常的e c t 系统由三个基本部分组成：传感器系统、数据采集系统、图像重建 系统。传感器道外壁均匀对称粘贴着铜质电极板，由于多相流各分相介质具有 不同的介电常数，当管道内的各相组分浓度及其分布发生变化时，会引起多相 流混合体等价介电常数的变化，从而使极板间的测量电容值也发生变化。数据 采集系统测量任一对极板间的电容值，获得不同观测角度下的投影数据并送入 图像重建计算机。这些测量值反映了管道内介电常数的分布情况，采用相应的 图像重建算法，就可重建被测物场的介质分布图。如图2 一l 所示为1 2 电极e c t 系统的组成框图。 图2 一1 1 2 电极电容层析成像系统的组成框图 f i g 2 - 1c o m p o s i t i o nc h a r to ft h e12 一e l e c t r o d ee c ts y s t e m 8 哈尔滨理t 大学工学硕i ：- q - ：位论文 2 2 1 电容传感器系统 电容层析成像的传感器系统结构如图2 2 所示，主要由绝缘管道、检测电极 和屏蔽罩组成。绝缘管道壁外侧均匀安装多对铜质检测电极极板。为屏蔽外界 电磁场干扰，电极板的外部设置接地的屏蔽罩，并在极板间设置接地的径向保 护极板，以降低相邻极板间的高固有电容以扩大系统的动态范围。 以检测电极板的数目来分类，目前的e c t 传感器系统可分为6 ，8 ，1 2 ，1 6 极系统，检测极板的数目以指数方式影响测量数据量，极板越多，一次测量的 数据量越大，但同时由于检测极板之间的软场效应，检测过程中受到的干扰也 就越大，最终影响单个测量数据结果。本文以典型的1 2 电极传感器系统为研究 对象，以1 2 个极板的某极板为起点，顺次为1 2 个极板编号，依次为l ，2 ， 1 2 。在一个完整的测量过程中，极板l 首先被选择为源电极，即激励电极，给 极板l 加一固定电压值u ，分别以极板2 ，3 ，1 2 为检测电极，测量极板对l 一2 ， l 一3 ，卜1 2 之间的电容值；下一步选择极板2 为激励电极，极板l 接地，测 量极板对2 3 ，2 - 4 ，2 一1 2 的电容值；依此类推，直至测量完极板对11 一1 2 的 电容值。这样，在1 2 电极系统中可获得6 6 个独立测量值，并依上述顺序编号 为c l ，q ，c 6 6 ，此外在考虑单个电容并注重电容的来源时，也常用另一种电 容表示方式：c ，i 表示电极对f j 问的电容。一般地，对于一个j 电极系统， 可得到的独立电极对总数门为： n = c j = n ( 一1 ) 2 ( 2 - 1 ) 管道内不同位置的介质对同一极板对的电容值影响程度不同，即软场特性， 另一方面管道内同一点的介质对不同极板对的电容值的影响也不同。一个电容 极板对间的电容值实际上可近似地看作是管道截面内所有点对该电容不同贡献 的迭加，因此，每对电极电容的测量实质上是对管截面内多相流体的扫描，一 个电容测量值就可看成管内多相流体在某一方向或角度的投影数据。一次完整 的测量过程，可对管内多相流体进行6 6 个不同角度的扫描，从而获得6 6 个投 影数据。电容层析成像就是利用这些投影数据来获取多相流的各相参数和进行 重建图像的1 8 i 。 e c t 传感器的主要结构参数如下1 9 i 。 哈尔滨理t 火学t 学硕一 = 学位论文 图2 - 2 e c t 传感器结构图 f i g 2 - 2e c ts e n s o rs t r u c t u r e 1 电容极板数目n 。根据公式2 - 1 ，增加极板数目将会得到更多的测量 数据，但同时也会遇到信噪比降低等问题。 2 测量极板轴向长度。减少极板轴向长度能减小极板对被测物体的轴向 平均效应，使得测量结果更收敛于当前测量物体的界面真实数据，从而提高重 建图像的质量，但同时也降低了信号电平，对检测电路的精确度提出了更高的 要求。 3 管壁厚度，管壁相对介电常数句。绝缘管道壁的厚度增加将电容测量数 据对不同相分布的敏感度降低，厚度太薄，会导致电容测量数据变化范围增大， 主要由极板附近的多相流分布决定，降低了对管道中心部位多相流分布的灵敏 度。 4 屏蔽罩与电极的间距尺3 一r 2 ，填充材料相对介电常数目。屏蔽罩与电极 的间距存在一个优化值，过大屏蔽效果变差，过小则有可能屏蔽罩填充材料对 测量结果有轻微影响。 5 极板张角良电极张角弛存在个优化值，过大和过小对测量均有不利 影响。 6 径向。径向屏蔽极板插入管道壁的深度h l 、管道壁及绝缘填充材料的介 电常数对传感器的性能也有影响。 哈尔滨理工大学工学硕l - q 位论文 2 2 2 数据采集系统 电容数据采集系统包括多通道的数据采集控制，电容电压( c v ) 转换，a d 转换及通讯接口等。其中c 转换电路的设计是最关键和最困难的，系统采集 成像的数据并传输给计算机，成像的准确性很大程度上依赖于该系统的准确性。 数据采集系统中的多通道数据采集控制由多通道扫描电路完成，该电路的 作用是根据计算机指令的要求选择相应的两个电极作为测量电极，测量其电容 值，同时使其他闲置电极接地。电容数据采集系统的a d 转换及通讯接口的作 用是完成a d 转换，并负责对原始数据的模拟滤波和预处理，及与计算机进行 通讯。 由于电容传感器极板间的电容值很小在我们研究的1 2 电极系统中电容值 的数量级是0 0 3 p f 级，最大值和最小值相差近百倍。测量如此微小且相差倍数 又较大的电容是比较困难的，这对数据采集系统尤其是对电容电压转换部分提 出了较高的要求，这也是电容层析成像技术发展过程中的主要难题之一，也是 研究的一个主要方向1 1 0 l 。 电容层析成像系统的电容数据采集电路必须满足以下要求【1 1 i ： 1 数据远距离传输。由于传感器与数据采集系统在工业现场，而图像信息 必须在控制室内显示，因而，数据采集系统需具备数据远距离传输能力。目前 国外研制的系统中，一般采用光纤通信，也有一些系统采用p c 机配接口卡对数 据采集系统进行控制，但难以实现远距离通讯。 2 抑制传感器引线杂散电容的干扰。电容传感器的测量电容是微弱信号， 因此电极引线必须采用屏蔽线。屏蔽线的芯线与屏蔽层间会形成大约1 0 0 p f m 杂 散电容，而被测电容往往只有几个p f 甚至更小。虽然从原理上讲目前的电容检 测电路可抑制杂散电容的干扰，但在实际电路中为提高数据采集速度，激励信 号频率尽可能取高，当杂散电容发生变化时仍将对输出产生不可忽略的影响。 3 电容数据采集系统小型化。目前电容数据采集系统中为了数据采集速度 一般采用了并行检测的电路，因而每个电极都有一套对应的激励检测电路，它 们往往造成仪表系统的体积庞大。由于数据采集系统与传感器必须放在很近的 地方，在现场使用时需要安装单独的支架。因此系统小型化也是e c t 技术实用 化过程中需加以解决的问题。 哈尔滨理丁大学工学硕l 学位论文 2 2 3 图像重建系统 图像重建系统是e c t 系统的核心中枢，其中主要负责的工作和角色有： 1 e c t 控制器。当图像重建系统作为控制器时，它可以通过外围接口电路 发出指令来控制数据采集系统采集数据，并可以通过对数据的分析结果来更改 数据采集系统的工作参数，以动态调节检测过程以适应外界环境对图像重建过 程的影响。 2 检测数据接收器。当图像重建系统发出指令控制采集系统采集数据后， 采集系统会将采集到的电容值转换为电压值传送给图像重建系统，图像重建系 统在收到检测数据值后将数据值转化为图像重建系统可识别数据类型并存储在 内存空间内用以后续的数据分析以及图像重建工作。 3 数据分析器。图像重建系统根据已经建立的