[发明专利]一种三维电容层析成像的图像重建方法

说明书

本发明公开了一种三维电容层析成像的图像重建方法，该方法是采用三维电容层析成像传感器获取的测量电容值作为图像重建的投影数据。在迭代重建过程中采用阈值滤波方式对所获得的重建图像进行伪迹抑制，滤波阈值定期自适应调整，滤波阈值的选取是使当前图像模糊度量最小。该方法有效地减少了重建图像伪迹，提高了复杂分布的三维成像效果，并实现了真正的三维电容层析成像图像重建。

技术领域

本发明涉及一种图像重建新方法，特别是涉及一种三维电容层析成像的图像重建新方法，属于电容层析成像技术领域。

背景技术

电容层析成像(electrical capacitance tomography,简称ECT)技术是一种基于电容敏感原理的过程层析成像技术。它通过安置在管道或封闭容器周围一组特殊设计的电容传感器阵列，获取非导电被测物场在不同观测角度下的投影数据(电容值)，采用适当的重建算法来反演出被测物场内介质(介电常数)分布，并以图像的形式给出介质分布结果。具有非侵入、响应快、低成本、安全无辐射等优点。在两相流和多相流检测中应用最为广泛，除此之外还被应用在头骨模型温度分布成像、仓储粮食水分监测、冻土层测量、滑动轴承润滑油膜测量等多个方面，涉及石油、化工、电力、冶金、建材、医学等多个国民经济和工业领域。因此该技术具有广阔的应用前景和发展潜力。

目前针对ECT系统的测量和重建主要集中在二维重建上，即以图像的形式给出某一截面上的介电常数分布情况。但多数过程都发生在三维空间，且介质分布的几何形状、相对位置、体积等三维信息无法直接从二维图像中获取。因此直接的三维ECT成像已成为国内外学者的研究热点。但是与二维重建相比，三维重建图像像素数目是投影数据的几十倍、几百倍甚至上千倍，且投影数据信噪比更低，敏感场受被测介质分布的影响及软场误差更为严重。导致重建图像伪迹(即与真实介质分布无关的影像)严重，重建图像质量差。

在二维重建过程中通常采用0-1滤波伪迹抑制方法(即将像素单元灰度值小于0的置0，灰度值大于1的置1)，对重建图像中部分伪迹起到抑制作用，提高了重建图像质量。但是与二维电容层析成像相比，三维重建图像伪迹更为严重，在图像重建过程中对伪迹抑制能力的要求也更高。而0-1滤波伪迹抑制方法对三维ECT图像重建的伪迹抑制能力较弱，三维重建图像效果不佳。因此，具有较强伪迹抑制能力图像重建方法的研究具有重要的理论研究和实际应用价值。

发明内容

发明目的

本发明提供一种三维电容层析成像的图像重建方法，克服现有方法在图像伪迹抑制上的不足，采用自适应的阈值滤波方法进行伪迹抑制。其目的是为了减少重建图像伪迹，提高对于复杂分布的重建能力。

技术方案：

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种三维电容层析成像的图像重建方法，其特征在于：该方法步骤如下：

步骤一：预先将J个极板分多层布置在被测区域周围，形成J极板电容层析成像传感器；将成像区域剖分为M个像素单元；测量各极板对间的电容值，获得N个电容值，N＝J(J-1)/2，形成N维的测量电容向量C，N<<M；预先计算出图像重建所需的N×M维的归一化灵敏度矩阵S和M×N维的归一化灵敏度矩阵的转置阵S^T，以及迭代步长α，α＝2/λ_max，λ_max为S^TS的最大特征值，当α<1时，取α＝1.5；定义滤波算子P(x)，如式(1)所示，令η＝0，由式(2)计算出图像初始值G₀(G₀＝[G₀(1),G₀(2),…,G₀(M)])；并令k＝1；

G₀＝P(S^TC) (2)；

步骤二：计算：