电容成像新型传感器及测量策略关键技术研究

电容成像技术近年来在图像重建方法及应用方面发展迅速，与此形成鲜明对比的是在如何突破其现有技术瓶颈即如何设计新的传感器以获得更多的独立测量数从而改善图像重建质量方面则发展缓慢。本项目以此为出发点，重点研究新的电容成像传感器结构及测量策略。项目主要研究内容包括：1）新的传感器结构，研究电极数目对电容成像的影响，如何在满足测量电路分辨率的条件下获得最优的传感器结构；2）新的测量策略，重点考虑非对称极板组合（即构成被测电容的激励电极尺寸与测量电极尺寸不同）情况下电容成像的成像效果；3）研究在传感器结构一定的情况下最优测量策略的选取及实现该策略的优化算法；4）研究与新的传感器结构及测量策略相适应的图像重建算法；将电容成像系统看作由多个不同极板组合的传感器构成的多传感器系统，采用多传感器数据融合相关方法解决图像重建问题。项目将有望大大提升现有电容成像技术的水平，促使其向工业应用迈进。

本项从如何设计新的传感器以获得更多的独立测量数从而改善图像重建质量出发，重点对电容成像传感器工作模式及测量策略进行了研究。课题取得的成果如下：.1） 提出了可配置组合电极ECT传感器结构及工作模式，通过增加电极数目并将多个电极进行电气连接，降低了对微电容测量分辨率的要求，同时增加了电容测量数。.2）研制了基于组合电极的电容成像系统1套。该成像系统集基于数字解调和模拟解调的微电容测量硬件于一体，可根据需要进行灵活配置为传统ECT模式、对称组合电极ECT模式、非对称组合电极ECT模式及混合组合电极模式，初步测试静态及动态指标均达到目前国际主流系统的水平。模拟通道及数字通道在信噪比超过53dB的条件下最高采集速度分别可达159和491幅图像/秒。.3）提出了一种改进的ECT图像重建模型，根据不同电极对间电容值的贡献辅以相应的权值进行修正，并综合考虑ECT敏感矩阵计算中由于省略高阶项带来的误差，获得了新的ECT图像重建模型。采用总体最小二乘法结合全变分作为约束条件进行图像重建，获得了较好的图像重建效果。尤其是在提升ECT传感器中心区域分辨率方面有良好表现。.4）采用理论分析结合仿真数据，对ECT传感器不同电极数目对其图像重建的影响进行了研究，对不同电极数下传感器敏感度分布与电极数的关系进行了分析，采用PCA对不同电极数ECT传感器的信息冗余度进行了描述，结果表明当ECT传感器电极数目达到12电极后，在现有ECT图像重建模型下再提高电极数目对图像重建质量的改进有限。.5）基于概率统计的观点研究了采用Markov Chain Monte Carlo方法的ECT图像重构算法，并对l1极小化方法在ECT图像重建中的应用进行了探索。