（计算机软件与理论专业论文）电阻层析成像图像重建算法的研究.pdf

呛尔滨理t 人学t 学硕i ：学位论义 电阻层析成像图像重建算法的研究 摘要 流动层析成像技术是近年来飞速发展起来的一门新技术，该项技术在解决 多相流检测问题上有巨大的发展潜力和广阔的工业应用前景。电阻层析成像技 术以其成本低、适用范围广、结构简单、非侵入式、安全性能好等优点，成为 目前流动层析成像技术发展的主流和研究热点，但离实际应用尚有很大距离， 因此有待进一步研究和发展。 本文以基于电阻传感机理的1 6 电极电阻层析成像系统为研究对象，探讨了 流动层析成像技术在有限元方法进行系统建模与分析、敏感场分析计算、传感 器优化设计、两相流流型辨识、离散相分布图像重建及其浓度测量中的有关问 题，分析对比了各种图像重建算的原理、计算过程及其优缺点。本文的研究重 点是电阻层析成像图像重建算法，改进了神经网络的图像重建算法，提出了基 于代数神经网络的图像重建算法，并进行了基于m a t l a b 仿真实验。主要研究 内容和成果如下： 1 归纳总结了多相流检测技术对于科研及工业生产的重要意义，分析多 相流检测技术主要参数及其多相流检测技术的发展现状和发展趋势。 2 阐明了电阻层析成像系统的构成及技术特点，概括的描述了电阻层析 成像系统的研究现状和广阔的工业应用前景，分析了电阻层析成像技术发展中 必须解决的问题，指出软场问题及图像重建算法精度不高是限制电阻层析成像 技术工业实用化的瓶颈问题。 3 采用了有限元方法进行求解，对其必要性在文中作了详细地介绍。建 立了系统的有限元模型并以此为基础进行了敏感场数值计算，为相关的图像重 建算法提供了依据。 4 重点对各种图像重建算法进行了分析比较，分析说明了各算法的优点 和不足，以求更好的算法继承优点而弥补缺点和不足。 5 提出了基于代数神经网络的图像重建算法，并对数据归一化和神经网 络输入层进行了改进，进行了基于m a t l a b 仿真实验。 关键词电阻层析成像；图像重建；神经网络；有限元法；软场 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论义 r e s e a r c ho ni m a g er e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h mo f e l e c t r i c a lr e s i s t a n c et o m o g r a p h y a b s t r a c t f l o wi m a g i n gi san e wt e c h n i q u ed e l e v o p e dr a p i d l yi nr e c e n ty e a r s ，w h i c hh a s g 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 i a la p p l i c a t i o np r o s p e c t h a v i n gm a n y d i s t i n c ta d v a n t a g e ss u c ha sl o wc o s t ，w i d ea p p l i c a t i o nf i e l d ，s i m p l es t r u c t u r e ，n o n - i n v a d ea n db e t t e rs a f e t y , - e l e c t r i c a lr e s i s t a n c et o m o g r a p h y ( e r t ) h a sb e i n gt h e m o s tp o p u l a rr e s e a r c hd i r e c t i o na n dt h em a i nd e v e l o p m e n ti nf l o wi m a g i n g t e c h n i q u e t h e r ei ss t i l lal o to fw o r kt ob ed o n eb e f o r ep r a c t i c a lu s eo ft h e t e c h n i q u e t h eo b j e c to ft h i sd i s s e r t a t i o ni so nt h er e s e a r c ho f16 一e l e c t r o d ee l e c t r i c a l r e s i s t a n c et o m o g r a p h ys y s t e m t h et o p i c ss t u d i e da r e ：m o d 邑l i n ga n da n a l y z eu s i n g f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，a n a l y s ea n dc o m p u t a t i o no fs e n s i t i v i t yf i e l d ，o p t i m a ld e s i g n o f 缸a n s d u c e li d e n t i f i c a t i o n o ft h e p a r e mo ft w o c o m p o n e n tf l o w , i m a g e r e c o n s t r u c t i o no ft h ed i s c r e t ep h a s ed i s t r i b u t i o n ，c o n c e n t r a t i o nm e a s u r e m e n t t h e m a i np r o b l e m sr e s e a r c h e di nt h ed i s s e r t a t i o na n da c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h ei m p o r t a n tm e a n i n go fm u l t i p h a s ef l o wm e a s u r e m e n tt ot h es c i e n c e r e s e a r c ha n di n d u s t r yp r o d u c t i o ni ss u m m a r i z e d ，a tt h es a m et i m em a i np a r a m e t e r , c u r r e n ts t a t u sa n dd e v e l o p i n gt r e n do fm u l t i p h a s ef l o wm e a s u r e m e n tt e c h n i q u ea r e a n a l y z e d s e c o n d l y , t h es t r u c t u r ea n dt e c h n i q u ec h a r a c t e r i s t i co fe l e c t r i c a lr e s i s t a n c e t o m o g r a p h ys y s t e mi sc l a r i f i e d t h ec u r r e n ts t a t u sa n db r o a di 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 to fe l e c t r i c a lr e s i s t a n c et o m o g r a p h ya r ed i s c u s s e d t h ek e yp r o b l e m st h a t m u s tb es o l v e di nt h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i c a lr e s i s t a n c e t o m o g r a p h ya r ea l s o p o i n t e do u t i ti se m p h a s i z e dt h a tt h es o f tf i e l dc h a r a c t e r i s t i ca n dt h el o wr e s o l u t i o n o fi m a g er e c o n s t r u c t i o na l et h em a i np r o b l e m st h a tr e s u l ti nt h ed i f f i c u l t yo fi t s p r a c t i c a la p p l i c a t i o n t h i r d l y , t h ep r i n c i p l ea n dc o n s t i t u t i o no fe l e c t r i c a lr e s i s t a n c et o m o g r a p h y - i i 哈尔滨理t 人学丁学顾i j 学位论文 s y s t e mi sa n a l y z e da n dm a t h e m a t i c a lm o d e lo fs e n s i t i v i t y f i e l di sp r o p o s e d t h e c u r r e n ts t a t u so fe r tt e c h n i q u ei sd i s c u s s e d t h es y s t e mo ff i n i t ee l e m e n ti sb u i i t a n di tc a nc a l c u l a t en u m e r i c a lv a l h eo fs e n s i t i v i t yf i e l d f o u r t h l y , i n t r o d u c es e v e r a lc l a s s i c a le r ti 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 s a n a l y s ea n dc o m p a r et h e s ee x c e l l e n c e sa n dd i s a d v a n t a g e s ，i na na t t e m p tt oi n h e r i t a n di m p r o v e f i n a l l y , n e u r a ln e t w o r ki s u s e da se r ti 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 p u t f o r w a r dan e wk i n dn e u r a ln e t w o r kc a l l e da l g e b r a i cn e u r a lf o re r t , m a t l a b s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h em e t h o di se f f e c t i v ea n da c c u r a t ef o ri m a g er e c o n s t r u c t i o n k e y w o r d s e l e c t r i c a lr e s i s 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 ，n e u r a ln e t w o r k ， f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，s o f tf i e l d i i i 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电阻层析成像图像重建算法 的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期问独立进 行研究工作所取得的成果。掘本人所知，论文中除己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出本人承担。 。巾 作者签名：幽a 薄格 日期：乙，e 7年月沙日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 电阻层析成像图像重建算法的研究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n ， 在年解密后适用授权书。 不保密叼。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名斯津海 日期：7 年月沙日 导师签名： 声纽 日期：川年；月矽日 哈尔滨理丁火学t 学硕i ：学位论文 1 1 多相流检测技术 第1 章绪论 1 1 1 多相流检测技术研究的意义 随着科学技术的迅速发展，多相流体系在国民经济和人类生活中的地位日 益重要，特别是本世纪后半叶，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。多相流在自然界和工业生产中涉及范围十分广泛。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。在化工、石油冶炼、 冶金、环保及核能等国民经济行业中多相流动现象更是普遍存在。 相的概念通常是指某一系统中具有相同成份及相同物理、化学性质的均勺 物质( 介质) 部分，各相之间有明显可分的界面。从宏观的角度出发，可以把自 然界的物质分为三种相，即气相、液相和固相。单相物质的流动即为单相流， 如气体或液体流。所谓两相流( t w o p h a s ef l o w ) 或多相流( m u l t i p h a s ef l o w ) ，是 指同时存在两种或多种不同相物质的流动乜1 。 在两相流动研究中，根据流动介质的连续与否，可把两相流动介质分为连 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。 工业中常见的多相流动系统一般可分为五大类，见表1 1 。在表l l 中还 给出了相应多相流类别的应用实例。在相关的工业生产过程中，为了监视生产 运行情况，常需要在线获取多相流动过程的一些重要参数，以对生产过程进行 寻优和控制，使之能够高效、经济、安全地运行。随着多相流在工业中的应用 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 目前多相流参数检测技术的发展水平远远不能满足工业发展的要求，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陋，。 哈尔滨理t 人学t 学硕i ：学位论文 表l 一1 工业中常见的多相流 t a b l e 卜1c o m m o n m u l t i p h a s ef l o wi ni n d u s t r y 类别应用与实例 炼油中的催化裂化、冶金工业的煤粉沸腾燃烧、粉粒体的 气阎两相流 气力输送、固体火箭发动机的燃气流动等。 热力设备( 如锅炉) 与制冷设备的j ：作过程，石油、天然 气液两相流 气的传送过程等。 采矿、冶金中的矿石选矿，水利_ 1 ：程中的泥沙运动和治 液闹两相流 理，化工中的液固硫化床等。 金、化工中的萃取过程，石油工业中油水系统的油水分 液液两相流 离、洗涤和排放等多为液液两相流。 气液液和 油品加氢和精制中的滴流床，淤浆反应器以及化学合成和 生化反应的悬浮床工作过程中气液液和气液固多相流的例 气液固多相流 子人量存在。 1 1 2 多相流检测技术的主要参数 在多相流系统中，由于各相之间存在着时问和空间上随机不定、可变的相 界面，致使多相流系统具有远比单相流复杂得多的流动特性。因此，多相流系 统的参数远比单相流系统的参数复杂，其主要参数包括： 1 流型即流体流动的形式和结构。多相流相界面的随机可变性，致使多 相流流动形式多种多样，流型十分复杂。流型这一参数是多相流所特有的，多 相流其他参数的准确测量往往依赖于对流型的精确了解。 2 分相含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 可以表示为一段管流按容积、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。 3 速度在多相流系统中由于各相速度不同，故除表征多相混合流整体的 速度外，还有表征各相的分相速度和表征各分相速度差异的相对速度和速度 比。 4 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，依据整 位制不同它们又有容积流量和质量流量之分。 5 密度在多相流系统中，多相混合体的平均密度是一常用参数，可以由 各分相真实密度和分相含率折算求得。 6 压力降是多相流系统的一个基本参数，在工程应用中是必须考虑的医 素，它的理论计算和在线测量对多相流系统的应用和参数检测有重要作用。在 上述6 个主要参数中，流型、分相含率和流量是三个最重要和最难以测量的参 数，因此这三个参数的测量一直是多相流检测技术研究的重点1 。 1 1 3 多相流检测技术的发展现状 迄今为止，现有的检测技术和测量仪表大多处于实验室应用研究阶段，已 商品化可在线检测的工业型仪表为数还很少，多相流系统的应用技术还有大量 工作要做，积极发展多相流检测技术是现代工业发展的迫切要求。为此，世界 各工业发达国家形成许多多相流研究中心，涉及多相流问题的国际学术会议乎 均每年十多次，刊登有关多相流学术论文的国际杂志已超过2 0 0 种。我国从 1 9 8 6 年起已连续召开了七次全国多相流检测技术学术会议，并于1 9 9 2 年正式 成立了中国计量测试学会多相流测试专业委员会。鉴于多相流学科在国民经济 发展中的重要地位和多相流检测技术在多相流研究中的制约性意义，国内外的 专家学者们做了大量的研究工作和努力，采用的技术路线大体可归纳为以下三 大类： 1 采用传统的单相流仪表和多相流检测模型组合的测量方法，把成熟的单 相流仪表如差压式流量计、涡轮流量计、靶式流量计、容积式流量计、电磁流 量计、超声波流量计和科里奥利力流量计等单相流量计应用于多相流的测试， 已取得了较大的进展。单相流中已有的传统的光学、电学、热学等探头和传感 器，也经改造广泛地应用到多相流测试系统中来了。采用双( 多) 传感器组合， 进行双( 多) 参数组合测量确定流量等也获得了较多的成功应用。据已发表的研 究成果表明这类组合测量多为组分浓度仪表、速度仪表和流体流动的动量通量 仪表的交叉排列组合应用； 2 应用近代新技术，在多相流参数检测中研究较多的测量方法大多涉及近 代新技术比如辐射技术、激光技术、光纤技术、核磁共振技术、超声波技术、 微波技术、光谱技术、新型示踪技术、过程层析成像技术等； 3 成熟的硬件技术上，以计算机技术为支撑平台，应用基于软测量技术的 软测量方法，传统的通常建立在传感器等硬件基础上的各种现有测试手段，目 前在多相流领域还未能获得令人十分满意的结果，因此从事多相流检测技术工 作的同行们开始探索，把将成为2 1 世纪研究热点的软测量技术( 如状态估计、 哈尔滨理丁人学工学硕j 二学位论文 过程参数辨识、人工神经网络和模式识别等) 引入到多相流参数测试领域年 来。通过软测量方法( s o f t - s e n s i n g ，指利用较简易在线测量的辅助过程变量和 离线分析信息提供主要过程参数的在线估计的方法) ，可以解决复杂的、不确 定的、很难用数学模型精确描述的多相流系统的测试问题1 5 。 1 1 4 多相流检测技术的发展趋势 目| j ，多相流检测技术的发展趋势和今后的研究方向可归纳为以下几个方 面： 。 1 成熟的单相流参数检测技术与测试仪表应用于多相流测试领域仍是受蓟 普遍重视的一个重要研究方向： 2 随着计算机技术和图像处理技术的发展，获取关于多相流体的多个信 息，应用流动层析成像技术，对多相流局部空间区域进行微观和瞬态的测量将 是一个重要的发展方向； 3 借助电子技术、半导体技术的发展，研制高灵敏度、准确度和可靠性的 多相流参数检测仪表仍是重要的基础工作； 4 针对多相流动过程是一多变量的随机过程，随着随机过程理论和信号处 理技术的不断完善和发展，应用数理统计、参数估计和过程( 系统) 辨识的理论 和技术，进行多相流参数的估计将成为重要的发展趋势； 5 对多相流动过程中参数测量系统的建模、特征参数提取，对时变性的自 适应能力和动态跟踪能力等的基础理论研究以及多相流参数校验标定手段和误 差分析等的基础方法研究正逐步受到关注。 在多相流检测技术发展的几个主要趋势中，过程层析成像技术的研究是一 个引入注目的发展方向嘲。 1 2 过程层析成像技术 1 2 1 过程层析成像技术的发展历程 层析成像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 , 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1 。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 哈尔滨理t 人学工学硕j ：学位论文 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”。 多相流检测领域中的层析成像技术一般称为过程层析成像( p r o c e s st o m o g r a p h y , p t ) 技术，它是医学工程中的c t 技术与工业技术要求相结合的产物。p t 技术 是借鉴医学c t 发展起来的一种新的层析成像技术。 1 9 1 7 年奥地利科学家r a d o nj 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。詹 析成像技术起源于二十世纪五十年代，它提供一种不需侵入物体内部即可了解 物体内部结构的方法。第一台层析成像装置是在1 9 7 2 年由h o u n d i e l dgn 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 fm 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 , u m i s t ) m s b e c k 教授为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匹： 学c t 。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, l , ( 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1 6 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 帧愿。 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，大一- - r - 二、。| l n 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 ，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 哈尔滨理丁大学工学硕： ：学位论文 m a 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 a t 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 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 ) 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 计划组织的三所大与 ( 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j i 二, ( 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。 第四届工业过程层析成像技术世界大会于2 0 0 5 年9 月5 日至8 日在日本a i z u 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，也相继升 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 技术的研究姻1 。 1 2 2p t 技术与c t 技术的区别 由上面的分析可见，虽然p t 技术是由医学上的c t 技术发展演变而形成 的，它们的理论依据都是r a d o n 变换及r a d o n 逆变换，有许多相似之处，但由 于测量对象、测量目的以及运行环境的不同，使得p t 技术无论是在信息的芬 取方式和信息的处理方法上，还是在测量结果的解释和应用上，与c t 技术仍 存在很大的差别和不同。 1 多相流动系统是一快速动态系统，管道或装置中流体的流动特性变化 迅速，在某些应用场合甚至处于剧烈运动变化状态，而非医学c t 中相对“静 止”的人体或其中某一部分。这就要求p t 成像系统具有较医学c t 成像系统 高得多的数据采集、处理及图像重建和显示速度，需要快速工作的数据采集系 统和简单快捷的图像重建算法。 2 c t 的测量场不受被测物场的影响，是一种硬场，而电学p t 的测量场的 吩尔滨理t 人学1 = 学硕l ：学位论文 分布般来讲是不均匀的，而且和被测物场之间又存在着强烈的相互作用，从 而导致测量场的畸变和非线性失真，而这种失真往往难以校j 下。电学p t 系统 的测量场受被测物场所影响的这种特性称为软场特性，这给图像重建造成了很 大困难。 3 c t 所获得的投影数据是相当多的，以致可以采用滤波反投影等算法来 获得精确的管截面图像。而p t 系统中所能获得的投影数据往往只有几十个， 使其图像重建为一个欠定方程的求解过程，只能采用定性的图像重建算法获得 近似的数值解。 4 实现多相流工艺装置所处的工业现场条件非常恶劣，客观上要求p t 系 统必须能与工艺装置的物理、化学特性及其变化相匹配，具有抗干扰、抗腐 蚀、抗磨损等特性。 5 p t 技术应能根据重建的图像提取有关被测物场的特征信息，如多相流 体的流动形态、离散相浓度分布轮廓、相速度分布轮廓以及速度场分布等。并 将这些特征信息反馈给被测过程，实现被测过程的调节和控制。 1 2 3p t 技术基本原理 p t 技术的基本原理是在被测流动管道上按一定规律排列若干个对多相流 体的分散相敏感的传感器，传感器阵列用非接触或非侵入方式来获取被测对象 的流动场信息，然后利用快速图像重建算法计算出管道内流体的断面图像，显 示多相流体在断面上的分布图像，及其随时间的变化，实现流体流动的可视 化，并提取多相流体的流动参数。一个典型的p t 系统由两大部分组成：硬件 部分和软件部分。硬件部分包括传感器阵列、数据采集及控制电路和成像计算 机。传感器阵列在传感区域内形成敏感场，其作用是获取被测物场在不同观软 角度下的投影数据，传感器性能的优劣在很大程度上决定了过程层析成像系统 的品质，数据采集及控制电路的作用是为传感器提供激励信号并对其输出信号 进行放大、滤波和a d 转换，测量电路一般应具备较好的稳定性和高信噪比， 成像计算机负责完成图像重建和图像显示：软件部分包括定性、定量图像重建 算法软件、流型识别、特征参数估计软件包等。 p t 系统的工作过程为：安装在管道或反应设备等装置外的传感器空间阵 列，在交变电压电流激励下，形成一个可从不同观测角度扫掠被测物场的空间 敏感场，物场内部分布或结构的运动变化对敏感场产生调制作用，使传感器宇 间阵列以非接触或非侵入方式获取被测物场的物理、化学或生化特性的二维 哈尔滨理t 人学t 学坝i j 学位论义 三维分布状况的“投影”信息，并输出相应的信号：随后，出信号采集单元快 速实时地采集空间传感器阵列输出的反映被测物场二维三维分布状态的大量 瞬时信号，并完成相应的解调、滤波处理，以获得直接反映物场变化的信息； 处理后的数据输入图像重建单元，运用快速的定量或定性的图像重建算法，获 得被测物场的二维或三维图像，使人们直接看到设备或装置内部某一截面上的 组分分布1 。 1 2 4p t 技术分类 过程层析成像技术依传感机理的不同主要分为：核p t ( x 射线、丫射线、 中子射线等) 、核磁共振、光学、电学( 电容、电阻、电磁) 、超声、微波、电荷 感应等，在此简要地介绍目前国内外研究较多且应用前景较广阔的几种p t 技 术1 。 1 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 ) 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。 2 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 ) 技术的测量原理 是基于多相流体各分相介质具有不同的介电常数，当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，从而使其测量电容值随 之发生变化，电容值的大小反映多相流介质相浓度的大小和分布状况。因此， 电容值的大小可以作为多相流浓度的变量。采用多电极阵列式电容传感器，其 各电极之间的相互组合可提供反映多相流体浓度分布的多个电容测量值，以此 为投影数据采用图像重建算法，即可重建被测区域内多相流相介质分布状况的 图像。 3 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 , 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。 4 电阻层析成像( e l e c t r i c a lr e s i s t a n c et o m o g r a p h y , 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 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 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 , e l i ) 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。 1 2 5 过程层析成像面临的问题 过程层析成像技术并非医学c t 技术的简单移植，而是有着自身独特2 处。目前，广泛应用于临床诊断和病理研究的医学c t ，已发展得相当成熟， 形成一套完善的理论和方法。不仅可获得二维( 人体某一横断面) 图像，而且 还可获得三维( 全身) 的清晰图像，其成像对象是相对“静止 的人体，而应 用于多相流参数测量的过程层析成像，其成像对象是“流动”的多相混合流 体，因此，不能照搬医学c t 的方法，在技术上必须解决与多相流动系统特有 的几个问题： 1 成像对象存在巨大差异c t 医学成像对象比较单一( 全身或身体的某 一部分) ，对缘特征较容易掌握，且相对固定。对于多相流参数检测技术而 言，存在着气固、气液、液固、液液等多相流，多相流动的介质种类繁多，卧 使是同一类多相流，在不同情况下也有不同的流动特性，成像特征复杂多变， 难以对此进行准确的预测和估计。必须针对多相流系统的种类、介质特性及操 作工艺的各种要求，来选择研制相应的传感器系统和图像重建算法。 2 传感器阵列的选择和优化设计在多相流中，由于流动介质的特性不 同，采用核子或光学等传感器阵列获得的检测信号，其检测场不受被测介质分 布的影响，通常称为硬场检测，而以电学( 如电容、电阻、电磁) 传感器阵列 获得的检测信号，其检测场易受被测介质分布及特性的影响而改变，称为软场 检测。在大多数多相流测试中，介质常常具有强非均匀性，所采用的检测场大 多具有软场( s o f tf i e l d ) 性质，检测场与被测介质间相互作用强。因此，必须黟 传感器阵列进行优化设计，尽可能使检测场分布均匀，受被测介质影响小。此 外，还要考虑被测管道或过程容器的工艺条件、安全防护等问题。 3 图像重建算法与c t 医学相比，过程层析成像系统的数据采集受各种 客观条件的限制，观测角度少，且每个观测角度下所获得的测量数据有限，甚 至是不完备的数据。图像重建算法按成像对象检测手段、建模方式不同，差异 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 很大，这些因素造成了图像重建困难，这就要求图像重建模型具有对于缺失数 据能进行某种补偿，图像重建算法尽可能简单快捷，应能根据重建的图像提取 对象的特征参数，诸如，多相流流型、离散相浓度及相速度分布状态等。 4 实时性问题多相流动混合流体的速度可达每秒几十米，流体流动结构 和形态以及流动特性变化迅速，为了做到实时动态成像，这就要求过程层析成 像系统具有比c t 医学高得多的数据采集、信号处理、图像重建和显示的速 度。一般来讲每秒十几幅至几十幅重建显示速度才能满足要求。计算机需采用 并行处理结构，如由多片t r a n s p u t e r 构造的并行多处理机系统，可加快数据采 集、处理、重建、显示的速度。 另外，与其他多相流参数检测技术的方法相比，运用p t 技术有显著的优 势，可以获得被测多相流体分相介质分布的二维三维时空微观实时信息，基 于这些信息可对多相流系统的流型进行辨别，并可通过重建图像获得分相含 率，与其它测量技术或仪表相配合可获得多相流总质量、分相质量以及流速， 其适用范围广，各种工业生产过程中常见的多相流均能应用p t 技术n 副。 可见，p t 技术的出现使过程参数在线检测技术发展到一个新阶段。即， 从传统的对过程参数在局部空间上的平均单点测量方式，发展成为过程参数矿 二维三维空间分布状况的在线实时测量。这大大地扩展和加深了人们对生产 过程信息的获取和分析能力。p t 技术的发展将为电力、冶金、石油化工、海 洋开发、生化工程和环境监测等众多涉及两相流多相流体输送、处理和反应 的复杂性生产过程，提供新一代的在线实时、智能化分布参数监测系统，实现 自动监测、控制和保护过程的高效、安全运行。 1 2 6p t 技术的发展趋势 根据上面的分析，作为一种面向工业应用的高新技术能否得到推广，主要 取决于p t 系统在应用中的测量精度、重建图像质量、对工业现场的适应性、 安全可靠性、实时性、成本等几方面是否满足了要求。p t 技术今后的发展将 集中在以下四个方面n 引。 1 根据不同敏感原理的p t 系统各自具有的特点和优点，选择好合适的应 用场合，开发出实用化、工程化的p t 系统。在这个过程中，仪器研究人员要 与过程机理研究人员密切结合，并要以p t 技术的应用为主要目的和动力，研 究解决p t 系统的有关理论和工程实践问题。 2 先开发出在实验室条件下运行的p t 系统，然后研制适合于工业现场应 哈尔滨理t 大学t 学硕 ：学位论文 用的p t 系统，合理的技术发展策略。 3 为充分发挥p t 技术的优越性，采用不同敏感原理的p t 构成一个复合 的系统来满足实际过程的检测要求。例如，挪威b e r g e n 大学物理系与 c h r i s t i a nm i c h e l s e nr e s e a r c h 研究所合作开发出由了一p t 和电容层析成像相结合 的双模式层析成像系统，解决原油水天然气三组分混合流体的在线检测问 题。因为原油、天然气和水的相对介电常数分别为2 2 、1 0 、8 0 ，e c t 是基于 对介质介电常数的测量，因而可以用来将管流中的油气两组分与水区分开来。 而丫- p t 是基于被测组分密度不同引起丫射线衰减程度变化，因此可以用它将 管流中的气相和液相区分开来。最后通过综合求解，可以重建出油、气、水三 组分的界面分布图像。 4 运用多传感器融合技术，将一种或多种p t 系统与常规测量系统有机地 结合实现两相多相流体流动参数的在线检测，这也是一个值得注意的研究方 向。例如，基于感应原理的电磁层析成像技术与电阻层析成像及传统的电磁流 量计结合在一起，可以解决不同流态下气、液两相管流的相速度含气率及相筋 布等多参数同时测量问题。 1 3 课题来源及研究的主要内容 电阻层析成像技术近年来发展迅猛，在多相流参数检测方面具有很好的应 用潜力。本课题来源于基金项目：本课题来源于国家自然科学基金资助项目、 教育部重点科技项目、黑龙江省重点科技攻关项目。 本文的主要研究内容包括以下两个方面： 1 介绍了多相流和过程层析成像技术的广泛应用，探讨电阻层析成像系统 构成和技术特点，对e r t 系统的难点进行了分析和探索，对e r t 系统各种图 像重建算法作了分析和比较。 2 探索了有限元方法在电阻层析成像系统中的应用，包括e r t 系统的建 模、敏感场分析、场域剖分以及在图像重建算法中的应用。 3 深入分析和搜寻各种已有e r t 图像重建算法，探明其成像原理和实现 过程，分析比较各种算法的优缺点。 4 在以上理论分析的基础上试图找到一种更优良的图像重建算法，对给予 r b f 神经网络的图像重建算法从归一化和输入层等角度进行了相关改进，进行 了基于神经网络的e r t 图像重建算法的探索和尝试，将代数神经网络应用到 e r t 图像重建，并取得了良好的效果。 哈尔滨理工大学丁学硕1 ：学位论文 第2 章电阻层析成像技术 电阻层析成像技术是新一代过程参数在线检测技术，也是一种多学科交叉 的高新技术，它的物理基础是基于不同的媒质具有不同的电导率，因而判断出 敏感场内物体的电导率分布便可推知该场中媒质的分布情况，实现无扰动的可 视化测量劓。 2 1e r t 的系统构成及技术特点 e r t 系统主要由激励测量的传感器阵列、数据采集与处理单元、图像重建 与分析显