电容层析成像中图像重建算法评述

电容传感器具有非侵入、响应快、低成本、测量范围宽及易于安装等特点,在多相流在线检测中具有良好的发展前景。 电容层析成像中图像的重建算法与技术,是其在工业实际中得以应用的关键。近年来在图像重建方面的研究取得了较大的进 展,Tikhonov正则法,基于LBP迭代法、Landweber迭代法、同步迭代法及神经元网络法等对图像重建精度比LBP方法都有 了明显的提高,但其重建速度有待于进一步提高以适应在线应用。     

基于预优化变换的电容层析成像图像重建算法

本文提出了一种新型快速电容层析成像的图像重建算法。该方法首先将图像重建的病态问题转化为泛函极小化问题，然后采用Fletcher-Reeves算法（FR）有效地求解该泛函，并在求解的过程中引入物理意义上的约束使获得的解更符合实际情况。数值实验表明该算法的图像重建效果优于线性反投影法、Tikhonov正则法和Landweber迭代法，而且该算法具有较强的抗噪声能力。     

基于多项式加速的电容层析成像图像重建算法

针对普通迭代方法收敛速度慢的问题,提出一种多项式加速的正则化迭代电容层析成像算法来加快其收敛速度.在介绍12电极电容层析成像系统基本原理的基础上,给出了该算法的数学模型,并利用谱分析对该算法的收敛性进行了证明.探讨了ECT应用该算法的可行性,该算法易满足收敛条件且重建图像误差小.仿真和实验结果表明,和LBP、Landweber算法相比,该算法兼备成像质量高及收敛速度快等优点,为ECT图像重建算法的研究提供了一个新的思路.     

电容层析成像图像重建中的迭代算法

电容层析成像技术中图像重建算法的准确与快速是其在工业实际中得以应用的关键。Landweber方法是一种简单、灵活的迭代算法，具有很好的正则化特性，它的投影变体能够提供非负的图像重建。Landweber算法实际应用的困难是其收敛速度太低。本文采用预处理方法来加快Landweber迭代方法的收敛速度，即通过较少的迭代次数，获得适当的重建结果。仿真实验表明，同经典的快速算法共轭梯度迭代方法相比，预处理Landweber迭代方法具有更好的重建图像质量。     

正则化优化修正的电容层析成像图像重建算法

提出一种基于正则化优化修正的电容层析成像图像重建算法。首先利用 Tikhonov正则化法求解系统的逆问题 ,解决逆问题解的不适定性 ;然后利用优化修正法对初始图像进行修正 ,以提高重建图像的质量。实验结果表明 ,该法在重建图像质量和图像重建速率两方面均具有优势。     

电容层析成像系统图像重建新算法的研究

快速而又具在一定精度的图像重建算法是电容层析成像（ＥＣＴ）技术的关键。本文提出一种用多元线性回归法建立ＥＣＴ系统正向模型,用正则化法获得图像重建这一不适宜逆问题稳定解的图像重建新算法。仿真结果表明该方法能快速而较高精度地重建出两相流断层图像。     

基于INGA的电容层析成像图像重建算法的研究

电容层析成像图像重建是一个具有典型的病态问题,在分析遗传算法基础上,针对小生境遗传算法易于早熟、收敛速度慢以及局部寻优能力较差等缺点,提出了一种引入梯度算子的改进小生境遗传算法(INGA)用于ECT图像重建.仿真和实验结果表明,对于简单流型该算法与LBP、Landweber算法相比满足收敛速度快且重建图像误差小,并能以较高的精度重构出两相流体的截面成像,为ECT图像重建算法的研究提供了一个新的思路.     

基于改进信赖域的电容层析成像图像重建算法

针对电容层析成像技术中的"软场"效应和病态问题,提出了一种改进信赖域的新电容层析成像算法。在分析电容层析成像基本原理的基础上,推导出了求解ECT反问题的信赖域算法的计算步骤,同时利用BFGS公式对迭代过程中产生的Hesse矩阵进行校正。在此基础上对信赖域算法的收敛性进行了分析和证明,算法满足收敛条件且重建图像误差小。仿真和实验结果表明,和LBP、Landweber和共轭梯度算法相比,对于简单流型该算法兼备成像质量高、边界均匀稳定等优点,为ECT图像重建算法的研究提供了一个新的方法。     

用于电容层析成像的一步稳定图像重建算法

本文提出一种基于Landweber迭代的电容层析成像系统一步稳定图像重建算法。该算法通过构建压缩算子可以克服传统Landweber迭代方法存在的半收敛性,得到稳定的重建图像。同时该算法的矩阵算子可以预先计算,然后通过一步矩阵运算实现图像重构。实验结果表明,该算法可保证重建图像的实时性和鲁棒性。     

电容层析成像图像重建的总变差正则化算法

针对电容层析成像（ECT）逆问题解的不适定性,本文提出一种基于总变差（total variation,TV）正则化的图像重建算法。同传统的2范数Tikhonov正则化方法相比,该算法（基于1范数正则化）不仅保证了逆问题求解的稳定性,而且提高了对介质非连续分布的区域成像的分辨能力,具有良好的保边缘性。仿真及实验结果表明,该算法在重建图像质量和重建速度两方面均具有优势。     

A novel method of plotting sensor sensitivity field and image reconstruction algorithm for electrical capacitance tomography system

Sensor sensitivity field in electrical capacitance tomography is affected by the distribution of multiphase medium, which is the peculiarity of soft field. This brings great difficulty for image reconstruction. To improve the quality of image reconstruction, it is important to analyze the distribution of the sensitivity field. In this article, using the finite element method, we expound a kind of novel plotting pattern to field, which is the distribution of sensitivity field through computer simulation. From experiments and results of sensitivity field analysis, a novel method of image reconstruction based on genetic algorithms is presented. The finite element model is correct and simulation result is fine by adopting unequal interval plotting patterns. At the same time, the result of image reconstruction has high precision. __________ Translated from Chinese Journal of Scientific Instrument, 2005, 26(3) (in Chinese)     

模型参数对卷积神经网络电容层析成像图像重建的影响

卷积神经网络凭借其较强的非线性拟合能力,在电容层析成像图像重建中逐渐得到应用。本文针对卷积神经网络模型超参数调节问题,研究了模型参数对卷积神经网络电容层析成像图像重建的影响。首先,通过数值方法构建了包含80 000组随机流型与40 000组典型流型的"电容矩阵-介质分布"数据集;然后,通过该数据集中的训练集对不同超参数的卷积神经网络模型进行训练和验证,并系统研究了网络初始化、网格密度、卷积核数、全连接层神经元数以及隐藏层结构等超参数对图像重建精度的影响;接着,利用额外生成的12 000组数据作为测试集对各网络模型性能进行评价;最后通过静态实验,对不同网络模型的图像重建效果进行了比较和分析。结果表明:网络隐藏层结构对图像重建精度影响较大,而网络初始化、网格密度、卷积核数以及全连接层神经元数等超参数对重建精度影响较小。     

Nonlinear image reconstruction using a GA-ECT technique in electrical capacitance tomography

Electrical capacitance tomography (ECT) is a non-invasive measurement technique that estimates the dielectric permittivity distribution of an inhomogeneous object from the boundary potentials at floating electrodes or mutual capacitances. In this paper, a stochastic inverse technique based on genetic algorithm (GA-ECT) is developed, which is adapted to the two different methods, i.e. potential measurement and capacitance measurement. Numerical simulation results are presented to evaluate the inverse technique both for noise free and noisy data and the results show that quantitative image can be reconstructed not only with the low permittivity contrast but also with the high contrast. Furthermore, the influence of a priori knowledge to image reconstruction is discussed.     

基于自适应模拟退火及LM联合反演算法的ECT图像重建

为解决电容层析成像技术(ECT)中图像重建的非线性和病态性问题,提出了一种自适应模拟退火-Levenberg Marquardt(ASA-LM)联合反演算法.改进了标准模拟退火(SA)算法的新解生成策略、能量函数的定义及退火策略,并结合LM的直接局部搜索方法联合反演ECT图像重建问题.同时,利用Savitzky-Gol...     

基于MCMC方法的电容成像图像重构算法

研究基于概率统计的电容成像图像重构算法,以马尔科夫随机场的方式给出介电常数分布的先验概率,利用电容成像(electrical capacitance tomography,ECT)线性模型得到似然函数,通过马尔科夫链蒙特卡罗(Markov chain Monte Carlo,MCMC)方法对介电常数分布的后验概率密度进行采样,马尔科夫链的转移核利用Metropolis-Hastings方法得到,结合嵌套迭代提高计算效率。仿真结果表明,嵌套迭代-MCMC方法在正则化参数设置合适的条件下,可以得到较好的图像质量,基于MCMC方法图像重构算法为解决ECT图像重构问题提供一种新思路。     

基于加权奇异值分解截断共轭梯度的电容层析图像重建

针对电容层析成像技术(ECT)中的"软场"效应和病态问题,提出了一种基于加权奇异值分解(SVD)截断共轭梯度的电容层析(ECT)图像重建算法。阐述了电容层析成像工作原理,提出了12电极ECT系统的测量方法。在分析灵敏度矩阵的奇异值分解理论的基础上,推导出了加权SVD截断共轭梯度的数学模型,并利用Tikhonov方法进行正则化加权处理。最后,分析了算法的收敛性,并将其应用于电容层析成像系统的图像重建中。实验结果表明,对于层流,截断共轭梯度算法的平均误差能达到27.54%,全部流型平均迭代步数达到13步,与LBP、Landweber和CG算法比较,该算法具有成像效果好,成像速度快,易于实现等特点。     

锅炉送粉管道煤粉浓度的电容层析成像测量方法研究

锅炉燃烧过程中,准确测量各风管中的煤粉浓度并指导调节对锅炉的安全、经济运行非常重要.采用电容层析成像技术(ECT),对常温下锅炉煤粉气力输送的固体浓度进行了测试研究.为克服电容传感器敏感场的不均匀性对成像造成的影响,实验系统中装置了一个旋风分离装置,通过旋风分离作用将固体颗粒主要集中在壁面区域,传感器电极布置在分离器直管上.这种测试方法的优点在于不破坏原有系统的运行特性,属于非侵入式、在线的快速测试技术.通过搭建实验台及相应的在线测量系统,并对不同浓度工况进行测量及对比分析,实验结果证明了该测量方法的可行性及可靠性.     

Robust dynamic inversion algorithm for the visualization in electrical capacitance tomography

Electrical capacitance tomography (ECT) is considered as a promising visualization measurement technique, in which reconstructing high-quality images is crucial for real applications. In this paper, a robust dynamic reconstruction model, which incorporates the ECT measurement information and the dynamic evolution information of a dynamic object, is presented. Under the considerations of the low rank property of an ECT image and the inaccuracies on the sensitivity matrix, the reconstruction model and the measurement data, an objective functional that fuses the ECT measurement information, the dynamic evolution information of a dynamic object, the spatial constraint, the temporal constraint and the low rank constraint is proposed. An iteration scheme that integrates the advantages of the fast composite splitting (FCS) algorithm is developed for solving the proposed objective functional. Numerical simulations are implemented to validate the feasibility of the proposed algorithm.