直接三维电容层析成像新型传感器及重建算法的研究

传统电容层析成像（ECT）只测量同层极板对电容值，给出的断层图是敏感场内的轴向平均，不适应介电常数轴向上有显著变化的过程。本项目研究的直接三维ECT需在管道上设多层测量极板，既测量同层、也测量不同层极板对的电容值，由测量数据实现不经断层图的三维重建。主要研究内容：1）新型传感器结构，用旋转的、不等尺寸的测量极板及适当的接地条提高管道中心灵敏度、减少信号动态范围、兼顾径向、轴向分辨率，既通过参数，更通过结构优化传感器；2）研究多元回归等统计学正问题模化法，提高模化精度、减轻模化矩阵的病态； 3）直接三维重建算法，在新的正问题模型基础上，用多目标优化法解逆问题，通过增加重建图像墒最小等优化目标、用更稳健的误差评价代替常用的最小均方误差等措施，提高重建精度和抗干扰性，并考虑优化过程的神经网络实现以保证重建速度。项目研究可望提供更真实的三维图像和二维断层图、显著提高ECT检测能力，拓展其应用领域。

本项目研究直接三维电容层析成像(ECT)技术。该技术需在管道上设多层测量极板，既测量同层、也测量不同层极板对间的电容值，由测量数据实现不经二维断层图的三维重建,可望提供更真实的三维图像和二维断层图、提高ECT检测能力，拓展其应用领域。本项目主要研究内容和取得的成果如下。1）用有限元分析法，研究了传感器极板数目、极板间相对旋转、极板间有无接地条、测量极板上下有无接地环等结构的改变以及极板尺寸、间隙等参数对传感器性能及三维重建质量的影响。2）提出一种用多元线性回归法建立的直接三维ECT正问题模型，提高了正问题的模化精度。3）与传统ECT传感器相比，三维ECT传感器敏感场分布更复杂，均匀性更差，逆问题的病态和欠定更严重，重建图像中存在大量零散的伪迹且收敛速度慢。针对此问题，提出三种重建新算法。算法1，在迭代过程中引入加速项和阈值滤波。算法2，先用迭代法重建一初始图像，再对该图像进行阈值滤波处理。依次用有限个离散化阈值对重建图像做二值化处理，计算出二值化图像对应的电容估计值与电容测量值间的误差，最小误差对应的阈值即为所选阈值。算法3将阈值滤波嵌入到迭代过程中，并以使当前图像的模糊度最小的阈值为选定的阈值。仿真和物理实验验证了新算法的有效性。阈值滤波是加快收敛速度，减少伪迹，提高重建质量的有效措施。4）研究了基于CDC技术的三维ECT数据采集系统，其特点是硬件电路尺寸小，可置于屏蔽罩内，更适合工业现场应用。研制了基于精密阻抗分析仪的三维ECT系统，用阻抗分析仪的微小电容测量能力，满足直接三维ECT技术对电容分辨率和精度的高要求。