[发明专利]一种基于敏感场灵敏度矩阵的电容层析成像方法

说明书

本发明涉及一种基于敏感场灵敏度矩阵的电容层析成像方法，属于电容层析成像(ECT)技术领域。具体为一种改进的LBP电容层析成像算法(也即T‑LBP算法)，该方法通过引入算子T对敏感场灵敏度矩阵做均衡变换，改善因灵敏度矩阵不均匀导致图像误差的计算状况，以提高成像精度；该方法在LBP算法基础上进行矩阵模型变换，计算与变换过程简单、高效，能够满足实时在线计算的性能；同时，该方法的图像重建精度高于LBP算法、Landweber算法，重建的图像更接近原流型，为ECT图像重建的实际工业应用提供了一个新的有效方法。

技术领域

本发明涉及一种基于敏感场灵敏度矩阵的电容层析成像方法，属于电容层析成像(ECT)技术领域。

背景技术

电容层析成像﹙Electrical Capacitance Tomography，ECT﹚技术发展于20世纪80年代，它基于电容敏感机理对工业管道中多相流体进行在线监测，具有非辐射、非侵入、结构简单、安装携带方便、成本低、响应速度快等优点，为石油、化工、能源、电力等现代工业生产中多相流体的在线测量提供了新的手段。

由于电容层析成像系统本身固有的非线性特点且独立电容测量值(即投影数据)数量非常有限，远远小于重建图像的像素个数，反演问题不存在解析解。同时由于非线性和软场效应，既敏感场灵敏度分布不均匀，使ECT系统解的稳定性较差且存在严重的病态性，因此图像重建的难度较大。图像重建算法一直是电容层析成像技术实用化及进一步发展的主要难点。目前，图像重建算法主要包括线性反投影法(LBP)以及Landweber算法。其中，线性反投影法(LBP)的特点是算法简单，重建速度快但成像质量相对较差；Landweber算法的特点是计算精度相对较高，但是计算过程需要做非线性迭代，因此不适合于工业在线实时成像。

发明内容

有鉴于此，本发明所解决的技术问题是：提出一种成像精度高且适合于工业在线实时成像的电容层析成像方法。

本发明一种基于敏感场灵敏度矩阵的电容层析成像方法，包括以下步骤：

步骤一：在需要测量的管道安装ECT传感器，测量ECT传感器各电极对之间的独立电容值C_i，j(x,y)。

步骤二：根据有限元方法计算管道内流体介质的敏感场灵敏度值S_i，j(x,y)，计算公式为：

式(1)中，E_i(x,y)表示激励点电压为V_i时电极之间的场强分布，E_j(x,y)表示激励点电压为V_j时电极之间的场强分布，A(x,y)表示像素在(x,y)处的面积。

步骤三：引入算子T对步骤二中的敏感场灵敏度矩阵S做变换，改善灵敏度矩阵S不均匀导致的图像误差，变换公式为：

T(S)＝A·S＝S^* (2)

式(2)中，A表示敏感场灵敏度矩阵S的行归一化矩阵，S*表示归一化处理后的敏感场灵敏度矩阵。通过式(3)计算行归一化的敏感场灵敏度矩阵值

式(3)中，j表示行，i表示列。

步骤四：将式(3)得到的归一化的敏感场灵敏度矩阵值带入线性反投影(LBP)成像算法公式(4)，即可得到改善后的介电常数见式(5)：

G＝S^T·C (4)

式(4)中，G表示介电常数，S表示敏感场灵敏度矩阵，C表示独立电容值。

式(5)中，G_i,j(x,y)表示改善后的介电常数。