电容层析成像技术的成像原理
地震层析成像理论及技术-瑞雷面波理论基础与反演成像
瑞雷面波理论基础与反演成像 瑞雷面波是1887年由英国学者瑞雷（Rayleigh ）首先在理论上确定的，这种面波分布在自由表面上。当介质为均匀各向同性介质时，瑞雷面波的相速度和群速度将一致，否则瑞雷波的相速度将不一致，出现频散现象，当介质具有水平层状性质时，瑞雷面波的频散规律与介质的分层结构紧密相关。面波研究的目的是要通过面波信号得到地下介质的结构及其物理力学性质，这就需要进一步反演解释研究。 1. 瑞雷波的理论基础 由于均匀弹性半空间介质的边界附近沿x 方向传播的平面瑞利谐波y 方向的质点位移为零。设半空间充满x-y 平面，z 方向向下为正，坐标原点位于介质的自由表面上，如图所示1-1 为推导方便，引入势函数Φ和ψ来分别表示x 和z 方向的位移（u 和w ），则 ，u w x z z x ?Φ?ψ ?Φ?ψ = -= +???? 1.1 平面瑞利波波前 质点位移随深度增加 而衰减 波的传播方向 图1-1 均匀弹性半空间中的平面瑞利波
由位移表示的二维运动方程为 2222 22u u w w （）（）ερλμμερλμμ??=++?????=++???t x t z 1.2 由此可见，势函数的引入将胀缩波和剪切波区分开来（Φ与胀缩波对应，ψ与剪切波对应）。将式（1.1）代入（1.2）得 22222222 222222x t z t x z z t x t z x ρρλμμρρλμμ??????Φ??ψ?? -=+?Φ?ψ ? ?????????????????Φ??ψ??+=+?Φ+?ψ ? ???????????（）（）-（）（）（）（） 1.3 又有 22222222p s 22 2v v ，λμμρρ ?Φ+?ψ=?Φ=?Φ=?ψ=?ψ??t t 1.4 由于平面瑞利波的位移发生在x-z 平面内，因此由式（1.1）和式（1.4）可知，瑞利波是P 波和SV 波相互作用的结果。 对于一个角频率为ω，波数为k ，沿x 方向传播的瑞利谐波，其势函数可表示为： ()()F ()G ()，ωω--Φ=ψ=i t kx i t kx z e z e 1.5 其中，F()z 和G()z 分别表示瑞利波胀缩分量和旋转分量的振幅随深度变化的函数；波数R 2L k π = ，R L 为瑞利波波长。 将式（1.5）代入式（1.4）并整理得 22222p 2 2 222s F()F()=0v G()G()=0v ωω?? ?-- ? ?????? ?-- ??? ? z k z z z k z z 1.6 上述二阶偏微分方程的通解为 1122F()=A B G()=A B --++qz qz qz qz z e e z e e 1.7
电容层析成像技术在多相流测试中的应用和进展 摘要 电容层析成像技术是最早发展起来的过程成像技术之一，因其具有非侵入式的测量方式、成本低、安全性好、易于实现等优点，具有极好的工业应用前景，获得了很多学者的研究并取得丰硕成果。本文简单介绍了电容层析成像系统的原理和发展历史，总结了研究热点和现状，指出了发展中的存在的问题和发展方向。 关键词：电容层析成像；电容传感器；图像重建 引言 电容层析成像技术（ECT）是根据被测物质各相具有不同的相对介电常数，在流体流动管道的某一截面上，沿管道壁均匀地布置敏感阵列电极，任意两个电极板均可组成一个两端子电容，当各相组分分布或者浓度发生变化时将引起混合流体等价相对介电常数发生变化，从而使测量电极对间的电容值发生变化。采用阵列式电容传感器，各电极之间相互组合的多个测量值便可反映出多相流体的浓度以及在管道截面上的相分布情况，以这些电容测量值作为投影数据，通过一定的图像重建算法，便可重建出被测物场的浓度分布图像。典型的ECT系统由电容传感器阵列、数据采集系统、图像重构计算机三部分组成。电容成像系统通过传感器阵列从不同方向获得管道内介质分布状况的投影信息；测量及数据采集系统收集电容传感器的输出电容值，并进行滤波、变换、放大，将数据通过接口传给成像计算机；成像计算机通过重建算法重构管道横截面的相分布图像，同时向测量及数据采集系统传送控制信号[1, 2]。目前，电容层析成像的研究多围绕这几部分展开，即电容测量电路研究、电容传感器研究及图像重建与数据处理研究。 该技术在上世纪80年代末由英国曼彻斯特大学理工学院（University of Manchester Institute of Science and Technology，简称UMIST）提出的一种新的计算机层析成像技术[3]，主要用于工业管道内的多相流检测，可提供常规仪器无法探测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表相配合还可应用于多相流总质量流量、分相质量流量以及流速的实时检测。比之其它技术，电容层析成像技术具有适用范围广、非侵入式、安全性能好等优点[4-6]，各种工业生产过程中常见的多相流均能应用该技术，并且 成本低廉，更适合我国的国情。电容层析成像技术为从根本上解决多相流的多参数可视化测量问题提供了一条较好的途径，是实现多相流参数在线检测的一种理想手段[7]。因此，完善和发展电容层析成像技术理论是一项很有意义的研究工作。近年来，国内外的研究人员积极探索，做了大量的工作，电容层析成像技术的研究已经取得了很大的进展，理论研究方面也不断推进，取得了一些新的研究成果[8-13]。
技术创新 中文核心期刊《微计算机信息》（管控一体化）２００７年第２３卷第６－３期 ３６０元／年邮局订阅号：８２－９４６ 《现场总线技术应用２００例》 图像处理 电容层析成像系统图像重建算法的研究 ＳｔｕｄｙｏｎＩｍａｇｅＲｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＡｌｇｏｒｉｔｈｍｆｏｒＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＣａｐａｃｉｔａｎｃｅＴｏｍｏｇｒａｐｈｙＳｙｓｔｅｍ （江南大学）曹琳琳 ＣＡＯＬＩＮＬＩＮ 摘要：本文利用Ｔｉｋｈｏｎｏｖ正则化和奇异系统理论，分析了引起电容层析成像系统逆问题不适定性的根本原因是由于敏感场 矩阵小奇异值的存在。针对一般Ｔｉｋｈｏｎｏｖ正则化方法将所有的奇异值都采取同一正则化参数修正带来的误差，本文将小奇异值对应的项设定正则化参数，而舍去零奇异值对应向量，既减少了误差又加快了速度。例算结果表明，用本文方法重建图像，比其它如线性反投影算法（ＬＢＰ）、Ｌａｎｄｗｅｂｅｒ迭代法及一般Ｔｉｋｈｏｎｏｖ正则化算法，都有一定程度的改善。关键词：电容层析成像；图像重建算法；Ｔｉｋｈｏｎｏｖ正则化；奇异系统中图分类号：ＴＰ２１２文献标识码：Ａ Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＢａｓｅｄｏｎＴｉｋｈｏｎｏｖｒｅｇｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎａｎｄｓｉｎｇｕｌａｒｓｙｓｔｅｍｔｈｅｏｒｙ，ｉｔｉｓａｎａｌｙｚｅｄｔｈａｔｔｈｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｉｌｌ－ｐｏｓｅｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｔｈｅｉｎｖｅｒｓｅｐｒｏｂｌｅｍｉｎｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｔｏｍｏｇｒａｐｈｙｓｙｓｔｅｍｉｓｄｕｅｔｏｔｈｅｓｍａｌｌｓｉｎｇｕｌａｒｖａｌｕｅｓｏｆｔｈｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｍａ－ｔｒｉｘ．ＤｉｆｆｅｒｆｒｏｍｔｈｅｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｔｅｃｈｎｉｑｕｅｉｎＴｉｋｈｏｎｏｖｒｅｇｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｔｈａｔａｌｌｔｈｅｓｉｎｇｕｌａｒｖａｌｕｅｓａｒｅｍｏｄｉｆｉｅｄｗｉｔｈｔｈｅｓａｍｅｐａｒａｍｅｔｅｒ，ｗｈｉｃｈｗｉｌｌｒｅｓｕｌｔｉｎｍｏｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｅｒｒｏｒ，ａｎｅｗｔｅｃｈｎｉｑｕｅｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｉｎｗｈｉｃｈｓｍａｌｌｓｉｎｇｕｌａｒｖａｌｕｅｓｅｘｃｅｐｔｔｈｅｚｅｒｏｓａｒｅｍａｎｉｐｕｌａｔｅｄｂｙｔｈｅｒｅｇｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎ．Ｌｅｓｓｓｏｌｕｔｉｏｎｅｒｒｏｒａｎｄｒａｐｉｄｅｒｓｏｌｖｉｎｇｐｒｏｃｅｄｕｒｅｃａｎａｃｈｉｅｖｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｉｓｔｅｃｈ－ｎｉｑｕｅ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｍｅｔｈｏｄｃａｎｐｒｏｖｉｄｅｉｍａｇｅｓｓｕｐｅｒｉｏｒｔｏｔｈｏｓｅｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｂｙｔｈｅｌｉｎｅａｒｂａｃｋｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ（ＬＢＰ），ＬａｎｄｗｅｂｅｒｉｔｅｒａｔｉｖｅｍｅｔｈｏｄａｎｄｔｈｅｓｔａｎｄａｒｄＴｉｋｈｏｎｏｖｒｅｇｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ，ｉｍａｇｅｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍ，Ｔｉｋｈｏｎｏｖｒｅｇｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎ，ｓｉｎｇｕｌａｒｓｙｓｔｅｍｔｈｅｏｒｙ 文章编号：１００８－０５７０（２００７）０６－３－０２７２－０３ 引言 电容层析成像（ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＣａｐａｃｉｔａｎｃｅＴｏｍｏｇｒａｐｈｙ，简称 ＥＣＴ）中图像重建算法的研究是ＥＣＴ技术和应用的重点环节。 实现图像重建的基本思路是在分析电极激励的静电场问题得到敏感场数据以后，建立被测介电常数与测量电容值之间的关系方程，再运用合适的方法反演截面图像，并要求一定的成像质量和速度。ＥＣＴ图像重建属于逆问题，通常观测数据值远远少于被测数据，而且由于敏感场矩阵本身存在的大条件数，导致求解问题的不适定性，另由于ＥＣＴ系统固有的“软场”性质，待解问题的非线性，使这类问题的求解有一定的困难。 当前存在的ＥＣＴ图像重建算法中，常用的方法有线性反投影算法（ＬＢＰ）、Ｌａｎｄｗｅｂｅｒ迭代法及Ｔｉｋｈｏｎｏｖ正则化算法。ＬＢＰ将问题看成简单线性问题，求解速度快，但是误差较大；而 Ｌａｎｄｗｅｂｅｒ迭代法利用ＬＢＰ得到初始图像，然后计算电容值和 测量电容值之间的误差，反复进行修正，可以得到比较精确的图像，但同时速度慢，不利于实时应用。 Ｔｉｋｈｏｎｏｖ正则化方法用于ＥＣＴ的图像重建，它方法上是引 入一正则化参数试图减小敏感场矩阵的条件数，然后进行求解，但是实质上却对敏感场矩阵所有的奇异值都加上了一个正则化参数，这样对大奇异值项来说，肯定会造成一定的误差，所以本文为了避免这种误差的存在，将解展开为奇异向量的线性组合，通过分析小奇异值对应的项对计算结果产生的影响，给出了选择合适的正则化参数的方法，可使图像重建达到比较理想的结果。１基本理论知识 设存在一病态线性方程组 Ａｘ＝ｙ（１） 式中Ａ属于ｍ×ｎ矩阵，ｘ为ｎ维向量，ｙ为ｍ维向量。标准 Ｔｉｋｈｏｎｏｖ正则化方法将问题转化为求下列的范函最小值问题： （２） 式中λ为正则化参数，该范函极值问题的正则化解ｘα也是 下列方程的唯一解： （３） 设Ａ的奇异系统为 ，即满足 （４） 则可得到 （５） Ａ的奇异值为μｉ，则ＡＴ Ａ的特征值为μｉ２。那么根据特征值 理论满足 （６） 从而使得 （７） 代入（５）式则可得到正则化解为 （８） 可以看出，方程（１）的解可以看作是奇异向量ｘｉ和系数 的线性组合。但是如果系数矩阵Ａ的性态不好，存 在相对很小的奇异值，则相对小奇异值的某些组合分量即具有 很大的系数。此时如果已知向量ｙ存在误差或噪声，并且该噪 曹琳琳：硕士研究生 ２７２－－
层析成像 姓名：李文忠 学号：200805060102 班级：勘查技术与工程（一）班
前言 层析成象是在物体外部发射物理信号，接收穿过物体且携带物体内部信息，利用计算机图象重建方法，重现物体内部一维或三维清晰图象。层析成象技术最大的特点是在不损坏物体的条件下，探知物体内部结构的几何形态与物理参数(如密度等)的分布。层析成象与空间技术、遗传工程、新粒子发现等同列为70年代国际上重大科技进展。层析成像应用非常广泛，如医学层析的核磁共振成像技术、工业方面的无损探伤、在军事工业中，层析成象用于对炮弹、火炮等做质量检查、在石油开发中被用于岩心分析和油管损伤检测等，层析成象是在物体外部发射物理信号，接收穿过物体且携带物体内部信息，利用计算机图象重建方法，重现物体内部一维或三维清晰图象。声波层析成像技术 声波层析成像方法所研究的主要内容，一个是正演问题，即射线的追踪问题，是根据已知速度模型求波的初至时间的问题；另一个问题就是反演问题，即根据波的初至时间反求介质内部速度或者慢度分布的问题。层析成像效果的好坏与解正演问题的正演算法和解反演问题的反演算法都有直接的关系。论文详细研究声波层析成像的射线追踪算法，重点探讨了基于Dijkstra算法的Moser曲射线追踪算法，并用均匀介质模型、空洞模型、低速斜断层等模型使用Moser曲射线追踪时的计算精度与计算效率，发现了内插节点是影响Moser曲射线追踪效果的主要因素，得到了内插节点数为5～7之间，计算速度较快，计算精度较高。模型试算的结果表明，正演采用内插10个节点，
反演过程中采用内插5个节点，效果最佳。在层析成像正演算法的基础上，详细研究了误差反投影算法(BPT)、代数重建法(ART)、联合迭代法(SIRT)；研究了非线性问题线性化迭代的最速下降法、共轭梯度法(CG)；重点推导和建立了层析成像的高斯—牛顿反演法(GN)；详细研究了非线性最优化的蒙特卡洛法(MC)、模拟退火法(SA)、遗传算法(GA)；研究了将非线性全局最优化和线性局部最优化方法相结合的混合优化方法，探讨了基于高斯牛顿和模拟退火相结合(GN-SA)混合优化算法。在此基础上，以速度差为10％的低速斜断层模型为例，详细探讨了线性化算法SIRT、GN；非线性最优化算法SA、GA以及混合优化算法GN-SA五种算法对该模型的计算结果，并探讨了直射线和Moser曲射线追踪的反演效果。数值试验表明，基于Moser曲射线追踪的高斯—牛顿反演法的层析成像效果最佳，计算效率最高。采用基于Moser曲射线追踪的高斯—牛顿法，对速度差为25％的等轴状空洞构造、速度差为33％的不连通空洞模型、速度差为33％的高速岩脉进行了反演试算，对于这些理论模型，高斯—牛顿法均取得了较好的成像效果。为进一步验证各种层析成像法，在实验室制作了水泥台和石膏板实物模型，并分别在水泥台中央制作一个方形空洞，在石膏板中央制作一个倒“L”形空洞。对这两个实物模型进行了实测，对测量的数据，用高斯—牛顿法进行层析成像反演，均取得了较好的成像效果。通过本文的研究和数值试验，得到了以下结论：(1)基于直射线追踪方法，适用较为简单的地质体，亦或是测量精度要求不高的问题。由于直射线追踪方法在成像过程中，只需要追踪一次就可以
激光与光电子学进展2009.01 特别报道／生物光子学 人 体健康状态的无创实时监测与疾病的早期诊断是提高全民健康水平和控制医疗成本的根本保证，也是现代医学技术发展的内在要求和必然趋势。研究行之有效的实时监测与早期诊断方法，发展高分辨无创光学成像技术，以用于常见病、多发病、慢性病和重大疾病的定期筛查与早期诊断，具有非常重要的现实意义， 也必将产生深远的社会效益。光学方法不仅可以实现对活体组织的无损伤、非侵入、非电离辐射及实时的探测和成像，而且可用于活体生物组织的显微结构分析、特性参数测量，在生命科学的基础研究和临床应用中具有极大应用前景，倍受瞩目。如光学相干层析成像术(OCT)、 共聚焦光学显微术、扩散光层析成像术，以及基于荧光和拉曼光谱的成像术或光谱分析术等[1~4]， 这些光学方法均可通过内窥方式检测人体脏器，与常规的医学影像学方法相比，具有更高的灵敏度与分辨率。尤其是OCT 技术，已成为医学诊断技术的国际发展前沿，能实现疾病的筛查与早期诊断、过程监视和手术介导等多种医学功能，并已 图1OCT 成像原理与显微光学活检图像 究的重要内容，而用光学方法来记录生物电活动也是研究热点。但该技术存在如荧光基线漂移、细胞收缩引起的运动伪迹和膜电位绝对值的测量等国际公认的技术难点，限制了其应用范围。对此，可以构建多通路荧光细胞膜电位记录系统。在国家自然科学基金 (60378018) 的资助和博士点基金资助项目 (200806980024)下，我们成功开发了用于心脏电生理 研究的光学标测系统。 该系统利用图像匹配、多波长多探测器测量校正和比值法计算膜电位绝对值等手段，以期能较好地克服以上问题。利用该系统能实现实时检测细胞膜电位，动态显示电兴奋的传导过程，为人体生理、病理研究提供新的技术手段并提高我国基础电生理研究的技术水平，为临床诊断的进一步应用奠定了基础。 1Grinvald A.,Hildesheim R..VSDI:a new era in functional imaging of cortical dynamics[J].Nature Reviews Neuroscience ，2004，11(5):874~885 2Petersen C.,Ferezou I.,Bolea S..Visualizing the cortical representation of whisker touch:voltage-sensitive dye imaging in freely moving mice[J].Neuron ,2006,50(4):617~6293张镇西等编，生物医学光子学新技术及应用[M]，北京:科学出版社，2008 参考文献 从光学相干层析成像到光学频域成像丁志华教授吴彤孟婕王凯杨亚良 王玲吴兰刘旭 浙江大学现代光学仪器国家重点实验室，杭州３１００２７Ｅ－Ｍａｉｌ：ｚｈ＿ｄｉｎｇ＠ｚｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ 16
光学相干层析成像技术的发展应用综述 2020年4月
光学相干层析成像技术的发展应用综述本文关键词：层析，成像，相干，光学，综述 光学相干层析成像技术的发展应用综述本文简介：光学相干层析成像技术（OpticalCoherenceTomo-graphy,OCT）是一种非侵入、非接触和无损伤的光学成像技术，它将低相干干涉仪与共焦扫描显微术结合在一起，利用高灵敏度的外差探测技术，能够对生物组织或其他散射介质内部的微观结构进行高分辨率的横断面层析成像[1].OCT技术的研究始于 光学相干层析成像技术的发展应用综述本文内容： 光学相干层析成像技术（Optical Coherence Tomo-graphy,OCT）是一种非侵入、非接触和无损伤的光学成像技术，它将低相干干涉仪与共焦扫描显微术结合在一起，利用高灵敏度的外差探测技术，能够对生物组织或其他散射介质内部的微观结构进行高分辨率的横断面层析成像[1].OCT 技术的研究始于20 世纪90 年代初，作为一种新型的生物医学成像技术，它的出现极大地丰富了光学检测手段在医疗和病理诊断方面的应用，成为医学临床的研究热点。
在此后的二十多年里，OCT 的技术水平迅速提高，并广泛应用于生命科学基础研究、临床医学应用及非均匀散射材料检测等方面[1-4]. 1 OCT 技术概述 OCT 利用低相干干涉（Low Coherence Interferom-etry,LCI）的基本原理和宽带光源的低相干特性产生组织内部微观结构的高分辨率二维层析图像[2],结构如图 1 所示。宽带光源发出的低相干光经过迈克尔逊干涉仪的分束镜分成两部分，一束进入参考臂经参考镜反射，另一束进入样品臂经样品发生后向散射。参考镜反射光和样品后向散射光经分束镜重新回合后发生干涉，由于样品后向散射光中含有样品的微观结构信息，因此可以根据干涉信号重构样品的一维深度图像，并由一系列横向位置临近的一维深度图像合成样品的二维横断面层析图像和三维表面形貌图像。 传统的医学成像技术有计算机断层扫描（CT）、超声波成像（US）、核磁共振成像（NMRI）等，而光学成像技术有光学相干层析成像术（OCT）、共聚焦光学显微术、扩散光层析成像术等；这些成像技术的原理不同，因而分辨率、穿透深度和适应对象也不相同[2].超声技术可
毕业设计开题报告 电子信息工程 电容层析成像技术测量电路的设计 1、选题的背景、意义 过程成像(PT:PROCESS TOMOGRAPHY)技术是近年来才发展起来的一种两相或多相流测量技术,其优点是利用被测物体外部的检测信息,获得被测物体内部变化∕高速流状态。过程成像经常使用特殊方法设计的探测器,通过非侵入式的方法取得被测两相流或多相流介质的场(如电磁场)信息,可以根据场的信息和被测物体的作用原理,应用数学的方法重建两相流或多相流在管道内或反应装置的内部的横截面上的动态分布的情况。在我们日常生活中，过程成像可用于研究化工、石油等各种固体、气体的物料输送管道中的气或固两相流和气或固或液多相流得流态化、反应、扩散以及混合等动态过程,以监控反应器中气泡的分布和大小以及反应器中气泡的破碎和合并等过程；通过工业过程中的建立的模型,研究反应器中反应速率、质量传递以及热量传递的关系,提高反应器的选择性、转化率以及安全性等[1]。 电容层析成像技术（ECT）是医学CT技术在工业流动过程上的改革与发展，是目前用来解决多相流参数测量难度大的最新手段。ECT(Electrical Capacitance Tomography)是在应用于多相流参数检测的一种新型技术,原理是依靠检测非导电物场内介质分布变化引起的电容值的变化,通过某种图像重建算法来反演物场内的介质分布,从而实现对两相流参数的测量。工业过程成像技术中，电容的成像技术（ELECTRICAL CAPACITANCE TOMOGRAPHY,简称ECT）以它廉价、高速和非辐射等特点，在近十几年来获得很大发展[2]。 其实，早在二十世纪八十年代中期，以英国曼彻斯特理工大学BECK M S教授为首的研究小组就已经提出了“流动成像”（FLOW IMAGING）得概念，并研制成功了8电极的电容成像系统。在国外，美国能源部MORGANTOWN研究中心几乎与BECK的研究小组同时发明出了一种在线监测流化床中空隙率分布的16电极电容的成像系统（CAPACITANCE IMAGING SYSTEM,简称CIT），该系统可用于对流化床内物料密度三维分布地监测。电容成像的技术应用于工业上的多种需要进行多
2011-8-3 基金项目：国家自然科学基金(60762001)；广西高等学校优秀人才计划（桂教人才0804）。 作者简介：赵进创(1968-)，男，博士，教授，研究方向：电成像技术；嵌入式系统开发等；刘金花(1987-)，女，硕士研究生，研究方向：电成像算 法。 收稿日期： 修回日期： 改进敏感场的电容层析成像图像重建算法 赵进创,刘金花,黎志刚,傅文利,李贤宇 ZHAO Jin-chuang,LIU Jin-hua,LI Zhi-gang,FU Wen-li,LI Xian-yu 广西大学计算机与电子信息学院, 广西 南宁530004 College of computer , electronics and information, Guangxi University, Nanning 530004, China E-mail: zhaojch@https://www.doczj.com/doc/80635419.html, Image reconstruction algorithm based on updated sensitivity field for ECT Abstract: The Landweber image reconstruction algorithm based on imaging sensitive field mean filtering method is proposed to solve the so-called “soft -field” characteristic problem of sensitive field of Electrical Capacitance Tomography (ECT) system. The algorithm principle is that the neighborhood pixel sensitivity is averaged by template convoluting method, which can reduce the sensitivity of region near electrodes and improve that of central region of pipe. The algorithm can eliminate partly the affect on the quality of image reconstruction due to uneven sensitivity and improve image reconstruction accuracy. Simulation results indicate that the algorithm is superior to conventional Landweber algorithm in image reconstruction accuracy and convergence speed. Key word: ECT; Landweber image reconstruction algorithm; Sensitivity; mean filtering 摘 要: 针对电容层析成像系统中敏感场的“软场”特性，提出了一种基于成像敏感场灵敏度均值滤波的Landweber 图像重建算法。该算法是通过模板卷积的方式对敏感场灵敏度进行邻域平均，降低靠近极板区域的灵敏度，提高管道中心区域的灵敏度，部分消除了因敏感场不均匀对图像重建质量的影响，提高图像重建精度。仿真结果表明，该算法在图像重建精度和收敛速度上均优于传统的Landweber 图像重建算法。 关键词：电容层析成像;Landweber 图像重建算法;灵敏度;均值滤波 DOI: 文章编号： 文献标识码: A 中图分类号：TP212.9 1 引言 电容层析成像 ( Electrical Capacitance Tomography , ECT) 作为一种非侵入式的流动参数前景。其原理是通过计算机采集安装在封闭的工业管道、容器外壁的传感器阵列在不同观测角度下的投影数据即电容测量值，采用相应的图像重建算法 显示被测物场的二维或三维介质分布图像[6][11][12]。 图像重建算法是ECT 系统的关键技术之一，目前国内外研究ECT 图像重建常用的算法主要分为2 类: 一类是非迭代算法，如线性反投影算法（LBP ），另一类是迭代算法，如Landweber 迭代法[1]-[5][9]。LBP 算法简单、成像较快, 但其重建图像精度低。 Landweber 迭代法是利用LBP 法重建的图像作为迭代过程的初值, 由于初值有时偏离实际值较大, 造成迭代误差累积，影响图像重建质量和算法收敛速度。本文针对此问题提出一种基于灵敏度矩阵均值滤波的Landweber 迭代算法，与传统的Landweber 迭代法相比，该算法成像质量高，收敛速度快。 2. ECT 图像重建模型 ECT 系统的正问题就是由已知的介电常数分布,求出传感器各极板对之间形成的电容值,可表达为如下的数学模型[6][10]-[12]： dxdy y x y x S y x C D ij ij )),(),,((),( （1） 网络出版时间：2011-10-24 10:08 网络出版地址：https://www.doczj.com/doc/80635419.html,/kcms/detail/11.2127.TP.20111024.1008.007.html
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910127240.0 (22)申请日 2019.02.20 (71)申请人 天津大学 地址 300072 天津市南开区卫津路92号 (72)发明人 董峰 梁光辉 任尚杰 (74)专利代理机构 天津市北洋有限责任专利代 理事务所 12201 代理人 程毓英 (51)Int.Cl. G01N 29/44(2006.01) G01N 27/00(2006.01) (54)发明名称 基于统计逆的电学/超声双模态内含物边界 重建方法 (57)摘要 本发明涉及一种基于统计逆的电学/超声双 模态内含物边界重建方法，该方法采用径向形状 模型对待重建内含物边界即目标边界进行参数 化表征，然后利用电学成像模型构建形状系数估 计的似然模型，利用超声反射成像模型构建形状 系数估计的先验模型，再通过最大后验估计法求 解最佳形状系数， 实现内含物边界的重建。权利要求书1页 说明书6页 附图2页CN 109946388 A 2019.06.28 C N 109946388 A
1.一种基于统计逆的电学/超声双模态内含物边界重建方法，该方法采用径向形状模型对待重建内含物边界即目标边界进行参数化表征，然后利用电学成像模型构建形状系数估计的似然模型，利用超声反射成像模型构建形状系数估计的先验模型，再通过最大后验估计法求解最佳形状系数，实现内含物边界的重建。步骤如下为： (1)利用径向形状参数化模型，在局部极坐标系下将目标边界剖分成一组等极角分布的离散点，记离散点到局部极坐标中心的距离为径向距离，并用r i ,i＝1,2,…,N来表示，目标边界用一组形状系数r＝[r 1,r 2,…,r N ]来表征； (2)基于贝叶斯统计理论，当给定电学测量电压V m 和测量噪声e，形状系数r的后验估计表达如下： π(r|V m )∝πe (V m -V(r))· π(r)式中，π表示概率密度，∝表示正比号，V m 表示测量电压，V(r)表示由电学成像正问题模型计算获得的边界电压，π(r|V m )表示形状系数r的后验概率密度，π(r)表示形状系数r的先验概率密度，πe (V m -V(r))表示形状系数估计的似然模型， 满足如下公式：式中，Γe 表示测量噪声e的协方差，表示Γe 的逆； (3)对于步骤(2)中形状系数r的先验概率密度π(r)，通过超声反射成像技术确定：首先，利用超声反射成像技术获得目标边界上部分离散点位置信息，然后采用等极角插值技术计算目标边界形状系数的初始估计r u ，最后， 构建形状系数的先验概率模型如下：式中，表示形状系数协方差矩阵，表示的逆； (4)结合(2)和(3)，当给定电学测量电压V m 和测量噪声e，形状系数r的后验概率密度表 示成如下形式： (5)对于(4)中形状系数r的后验概率密度，采用最大后验估计法进行求解，形状系数r 的最佳估计值通过求解如下公式获得： (6)由(5)获得的最优形状系数能够计算目标边界上离散点坐标，再采用光滑函数对目标边界上离散点进行拟合来获得目标边界。 权 利 要 求 书1/1页2CN 109946388 A
论电学原理在日常生活中的应用 摘要：电学原理的出现，在人类历史上具有非凡的意义，它不仅促进了科学技术的进步，而且在人类日常生活中也得到了广泛的应用。随着电学知识的普及和发展，人们对于电学的掌握和了解也越来越深，通过将其应用到日常生活中，提高了人们生活水平。本文笔者将论述电学原理在日常生活中应用的事例和影响，浅析电学原理，也希望电学原理能够在更多方面造福人类。 关键词：电学原理；日常生活；应用 前言： 随着电在人们生活中的所扮演的角色越来越重要，如何将电学原理更好的融入我们的生活显得格外重要，笔者将在本文中简介一些电学知识，通过列举和介绍生活中的电学应用的实例，突显电力原理在人们日常生活中的重要性。 一、电学内容及其发展历程 1.1电学知识 电学主要研究的内容包括静电、静磁、电磁场效应、电路等。下面笔者将会简单介绍一些电学的有关知识，以便读者更好的理解电学。 首先笔者介绍的是基础电路知识，电路就是电流所流经
的路径，是由电气设备和元器件，按一定的方式联接起来。电路由电源、负载、连接导线和辅助设备组成，而电路的作用是进行电能与其它形式的能量之间的相互转换。其次，笔者将论述一个定律：欧姆定律。在同一电路中，导体中的电流跟导体两端的电压成正比，跟导体的电阻成反比，这就是欧姆定律。最后，笔者带领大家走进电与磁。在历史上，电和磁的研究是分开的。当磁被发现和研究时，人们从中发现了磁场，而从安培定则和丹麦的奥斯特中我们可以得知电是可以产生磁场的，所以后来人们又在两者的研究中发现磁也可以产生电流。说到这，笔者不得不提到电动机，电动机就是利用这一原理，它利用通电线圈产生磁场，然后磁场对电流的受力，使电动机转动。 1.2电学原理发展历程 电学是物理学的一个分支，其发展得到了古今众多物理学家的不断完善。从公元前的琥珀和磁石，到磁和静电、雷和静电，电学其实已经有了概念，但是其真正的开始，始于18、19世纪的欧洲。到后来，伏打电池的利用与电磁学的发展，使得电磁学的发展突飞猛进，到了20世纪，随着原子物理学、原子核物理学、粒子物理学的进步，人们的视野也转入了微观领域，这时候经典电磁学受到了挑战，出现了很多经典电磁学不能解释的问题，因为经典电磁学忽略了粒子性方面，所以在一些物理学家的推动下，量子电磁理论应运
地震层析成像 摘要：层析成像方法是一种公认的基于地震数据的有效方法，近20年来，层析成像方法发展迅速。从原理上讲，层析成像方法可分为两大类，一是基于射线理论走时层析成像，二是基于波动方程的散射层析成像。本文介绍新的层析成像方法及其技术，包括各向异性介质的2D立体层析成像；时移层析成像的超声数据试验；绕射层析成像的迭代方法：真振幅偏移的本质；用于速度模型构建的下行波折封层析成像和反射层析成像；多尺度波动方程反射层析成像，并在后面展开层析成像方法应用于构造速度模型的分析和实例。 关键字：层析成像；偏移成像；速度模型；克希霍夫偏移。 一、引言 偏移成像在地震勘探和开发过程中，已经成为一种关键的地震数据处理技术。成像的精度和可靠性依赖于速度模型的准确与否。 速度分析历来都是地震资料处理的基础工作，从均方根速度、层速度以及叠加速度等，贯穿于地震资料处理的方方面面，速度分析方法丰富多样。迄今，层析成像方法是一种公认的基于地震数据的有效方法，近20年来，层析成像方法发展迅速。从原理上讲，层析成像方法可分为两大类，一是基于射线理论走时层析成像，二是基于波动方程的散射层析成像。后一种层析成像很复杂，正处于理论研究阶段。尽管其实际应用不多，但却是层析成像的发展方向。 走时层析成像比较成熟，有很多的实际应用。它又可细分为初至走时层析成像和反射走时层析成像。初至走时层析成像方法简单直观，稳定性较好，主要应用于井间地震以及近地表的速度分析，但是，初至走时层析成像由于只利用初至走时，所以，得到的速度模型比较粗糙，分辨率也较低。 反射层析成像主要应用于地下速度和反射层深度的反演，以及叠前或叠后偏移的速度分析之中。前者由于速度和深度之间的藕合关系，以及反射波到达时间及其层位难于拾取等，制约了它的广泛应用，但是，这是一种极具价值和潜力的反演方法。后者则是利用经过叠前或叠后CRI道集中同相轴未被拉平的剩余时差，经过层析成像来修正用于偏移的速度模型。这种构建速度模型的方法，目前正广泛应用于叠前深度或时间偏移中。 值得关注的还有，地震资料与其他地球物理资料间的联合反演，其反演结果互为验证、相得益彰，为我们提供了更为可靠的反演结果。 二、新的层析成像方法及其技术 1.各向异性介质的2D立体层析成像 立体层析成像是一种利用局部相关同相轴作为输人的斜率层析成像方
光学相干层析成像技术 摘要： 光学相干层析成像技术（Optical Coherent Tomography, OCT）在生物组织的微观结构成像的研究中起着重要的作用，它是一种非接触的、无损伤的和高性能的成像技术。和传统的时域OCT（Time Domain-OCT）相比，频域OCT（Fourier Domain-OCT）能够提供了更高的分辨率，更高的动态范围，以及更高速的成像速度，被广泛的应用在了生物组织医学成像等方面。但不可否认的是，对于像跟腱，角膜，视网膜，骨头，牙齿，神经，肌肉等具有双折射特性的生物组织，FD-OCT 没有足够的能力来描述这些它们的分层结构和双折射的对比度。偏振OCT （Polarization Sensitive-OCT）的基础正是由于样品组织对于偏振光的敏感性而建立的。因此，PS-OCT是描述具有双折射特性组织的强有力的工具。偏振频域OCT（Polarization-sensitive Fourier-domain optical coherence tomography，PS-FD-OCT）是目前最优的OCT是PS-FD-OCT。它系统同时具备了偏振OCT 和频域OCT两种系统的优点。本文利用琼斯矢量法对其进行了描述。 正文： 1光学相干层析成像技术的发展和现状 1.1光学相干层析成像技术的发展 显微成像技术已经发展了很长时间了。为了观察生物组织、微生物组织和了解材料的结构，人们发展了多种成像技术，如：X光技术及层析技术、核磁共振技术、超声、正电子辐射层析技术及光学层析成像技术OT（Optical tomography）等。在OT技术中的光源主要采取红外或近红外光（700—1300nm），该波段光较容易透过某种生物类混沌介质，对生物活体无辐射伤害，而且通过分析光谱还可以获得组织的新城代谢功能等信息。因此OT技术正在生物医学界得到广泛的研究和应用。根据原理OT技术可以分为两类：散斑光学层析成像技术DOT （diffuseoptical tomography），和光学衍射层析成像技术ODT（optical diffractiontomography）。 OCT（Optical coherence tomography）技术是在ODT技术的技术之上发展起来的。由于OCT系统具有结构简单、设备造价低廉，并可以实现高精度的组织
电容层析成像（ECT） 电容层析成像技术（ECT，Electrical Capacotance Tomography）是过程层析成像技术（PT，Process Tomography）的一种，是20世纪80年代后期在医学CT技术基础上形成和发展起来的。原理是根据被测物质各相具有不同的介电常数，当各相组分分布或浓度分布发生变化时，将引起混合流体等价介电常数发生变化，从而使测量电极对间的电容值发生变化，在此基础上，利用相应的图像重建算法重建被测物场的介电分布图。 ECT因具有快速、无损、廉价，灵活，兼容标准软件等优点而被认为是一种具有广阔发展前景的过程成像技术。电容层析成像技术在国内现处于实验室研究阶段，离工业应用还有一段距离，上海沃埃得贸易有限公司引入了英国、美国两家供应商提供的仪器来满足国内各高校、研究所的不同需求。 1. ECVT Data Acquisition System: ●Unique capacitance sensor with up to 36 plates ●DAS-2 intermediary device between sensor and host PC ●USB connection to host PC ●All analysis and reconstruction occurs on PC
2. ECVT Sensors: ●Capacitance plates wrapped around vessel inside sensor housing ●Common sensors have 12, 24, or 36 plates ●Plates connect to DAS-2 with RF cables 3. Data Acquisition System-2 ●Drives AC signals to and receives measurements from capacitor plates ●Uses USB to communicate with host computer ●Dynamic Link Library usage ●5-Volt power source ●Download software on CD to host PC ●ECVT plate connections in groups of 6 ●Three 12-plate receiver cards may be installed ●LEDs indicate power, run, and calibration status of DAS-2 ●Capacitance Reading Range: 1.1 fF (10-15 F) to 11 pF (10-12 F), 1 fF resolution ●Relative Permittivity Range: 0.01 to 100 (Dynamic ratio of 1 to 10,000) ●Typical Measurement Time: 18.1 μs (10-6 s) ●For 24-plate setup, typical operating speed is 200 frames/second ●Receiver cards work in parallel to increase speed
电容层析成像仪器（ECT） 电容层析成像技术（ECT，Electrical Capacotance Tomography）是过程层析成像技术（PT，Process Tomography）的一种，是20世纪80年代后期在医学CT技术基础上形成和发展起来的。原理是根据被测物质各相具有不同的介电常数，当各相组分分布或浓度分布发生变化时，将引起混合流体等价介电常数发生变化，从而使测量电极对间的电容值发生变化，在此基础上，利用相应的图像重建算法重建被测物场的介电分布图。 ECT因具有快速、无损、廉价，灵活，兼容标准软件等优点而被认为是一种具有广阔发展前景的过程成像技术。电容层析成像技术在国内现处于实验室研究阶段，离工业应用还有一段距离，上海沃埃得贸易有限公司引入了国外供应商提供的仪器来满足国内各高校、研究所的不同需求。 m3c 是一款高精度电容层析成像仪。由 ITS 基于过程层析成像技术设计和开发，面向全球每个主要大洲的客户供货，多年以来通过汲取客户反馈实现了性能和功能改进。m3c 主功能是电容层析成像，尽管也可以进行信号的实部和虚部测量。 m3c 仪使用高品质同轴电缆和Windows操作系统软件，通过 USB 连接到 ITS 传感器。 工作频率为 1MHz，工作电压是峰间为 18V 的 AC 正弦波电压磁励。系统灵敏度为 0.01 － 1 pF，使用单面传感器。可以每秒 50 帧的速度获取数据（使用 12 电极传感器平面，工作频率为500 kHz）。 用户可以选择 ?标准工作模式或者高介电重构模式，该模式可在高湿度环境下采集数据 ?针对单平面、双平面或者三平面的传感器配置 目前，m3c 使用圆形传感器配置。传感器的直径范围为 7 到 600mm。 应提供通过 Ex 认证的层析成像仪，这类层析成像仪允许将传感器放置在危险环境中（ATEX 认证为 Ex mb IIC T4 或者 T3 Gb）。 上海沃埃得贸易有限公司