增加ECT系統(tǒng)投影數(shù)據(jù)的方法研究

夏晶晶，仇國富，劉文磊

（南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京 210094）

0 引言

電容層析成像技術(shù)是一種新的多相流檢測技術(shù)。由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、非侵入、安全性好和適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前研究多相流參數(shù)檢測技術(shù)的的主流和熱點(diǎn)。該技術(shù)在多相流檢測領(lǐng)域具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景［1］。

電容層析成像技術(shù)圖像重建精度主要取決于投影數(shù)據(jù)和重建算法。由于系統(tǒng)的非線性以及測量獲取的數(shù)據(jù)數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于重建圖像所需要的數(shù)據(jù)數(shù)目的特點(diǎn)，目前ECT系統(tǒng)的圖像重建精度不高。雖然通過增加電容傳感器極板數(shù)目可以獲得更多的投影數(shù)據(jù)，但這會(huì)減小極板的面積和系統(tǒng)的信噪比，從而產(chǎn)生嚴(yán)重的測量錯(cuò)誤?，F(xiàn)建立了一種基于組合電容的新的ECT測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)在沒有降低極板面積和系統(tǒng)信噪比的前提下，獲得了更多的投影數(shù)據(jù)，提高了重建圖像的精度。

1 電容層析成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和基本原理

電容層析成像系統(tǒng)的基本原理是:位于管道或過程容器內(nèi)的多相流，其各相介質(zhì)具有不同的介電常數(shù)，多相流在流動(dòng)時(shí)，各相含量和分布不斷變化，引起多相流體復(fù)合介電常數(shù)的變化，電容傳感器陣列由均勻的分布在管道或過程容器周圍的多對電容極板組成，任意兩個(gè)不同極板組成一個(gè)兩端子電容，對應(yīng)著不同的測量敏感區(qū)，其容量由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量，在所有不同電極對上獲得的測量數(shù)據(jù)反映出整個(gè)管道截面上介電常數(shù)的分布情況，這些數(shù)據(jù)被饋入計(jì)算機(jī)并通過某種圖像重建算法，就可以獲得被測對象在該管道截面上的分布圖像［2］。

電容層析成像系統(tǒng)由電容傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、圖像重建計(jì)算機(jī)三部分組成。一個(gè)典型的8電極ECT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型8電極ECT系統(tǒng)

對于8電極ECT系統(tǒng)，極板1先作為激勵(lì)電極，依次測量電極對1－2、1－3、1－4、1－5、1－6、1－7、1－8。然后以極板2作為激勵(lì)電極，依次測量電極對2－3、2－4、2－5、2－6、2－7、2 －8，依次類推，直至以極板7 作為激勵(lì)電極，電極對7－8測量完畢。除了測量電極對以外，所有其他電極對都接地。對于8電極ECT系統(tǒng)，可以獲得28組數(shù)據(jù)。對于有N極板的系統(tǒng)，一共可以獲得N（N－1）/2 組獨(dú)立數(shù)據(jù)［3］。

2 組合電容的原理和控制電路

以8電極組合電容陣列來說，將8片電極平均分為24片，相當(dāng)于每一大片電極細(xì)分成三片小電極，細(xì)分過程如圖2所示。

圖2 8電極三細(xì)分極板

現(xiàn)將細(xì)分后的小電極重新組合成新的大電極，共有三大類組合方式。

第一類組合方式，如圖3所示，是將4個(gè)小電極組合為一個(gè)大電極。該種方式又有四種組合方法，分別如圖3中（a）、（b）、（c）、（d）所示。在圖 3（a）中將小電極 DE1、DE2、DE3、DE4組合成一個(gè)大電極 CE1，將小電極 DE5、DE6、DE7、DE8組合成一個(gè)大電極CE2，依次組合下去將獲得6片大電極，由公式N（N－1）/2可得，該種方法可以獲得15個(gè)投影數(shù)據(jù)。在圖3（b）中相當(dāng)于將觀察角度旋轉(zhuǎn)了一個(gè)角度，將小電極DE2、DE3、DE4、DE5組合成一個(gè)大電極 CE1’，將小電極 DE6、DE7、DE8、DE9 組合成一個(gè)大電極CE2’，依次組合下去將獲得6片大電極，該組合方法可以獲得15投影數(shù)據(jù)。圖3（c）、3（d）所示的組合方法與圖3（a）、3（b）類似，因此第一類組合方式一共可以獲得60個(gè)投影數(shù)據(jù)。

圖3 第一類組合電容極板陣列方式

第二類組合方式如圖4所示，是將3個(gè)小電極組合為一個(gè)大電極。該種方式有三種組合方法，分別如圖4中（a）、（b）、（c）所示。在圖 4（a）中將小電極 DE1、DE2、DE3組合成一個(gè)大電極 CE1，將小電極 DE4、DE5、DE6、組合成一個(gè)大電極CE2，依次組合下去將獲得8片大電極，由公式N（N－1）/2可得，該種方法可以獲得28個(gè)投影數(shù)據(jù)。在圖4（b）中也相當(dāng)于將觀察角度旋轉(zhuǎn)了一個(gè)角度，將小電極DE2、DE3、DE4組合成一個(gè)大電極 CE1’，將小電極DE5、DE6、DE7組合成一個(gè)大電極CE2’，依次組合下去將獲得8片大電極，該組合方法可以獲得15投影數(shù)據(jù)。圖4.（c）所示組合方法與圖4（a）、圖4（b）類似，因此第二類組合方式一共可以獲得84個(gè)投影數(shù)據(jù)。

圖4 第二類組合電容極板陣列方式

第三類組合方式如圖5所示，是將2個(gè)小電極組合為一個(gè)大電極。該種方式有二種組合方法，分別如圖5（a）、5（b）所示，組合方法與第一、第二類中組合方法相類似。因此該類組合方式一共可以獲得132個(gè)投影數(shù)據(jù)。

圖5 第三類組合電容極板陣列方式

文中提出的組合電容極板陣列的方法一共可以獲得276個(gè)投影數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)的八電極ECT系統(tǒng)的28個(gè)投影數(shù)據(jù)。

文中提出了基于組合電容的ECT測量系統(tǒng)，如圖6所示。組合電容控制電路由一些模擬開關(guān)組成，由計(jì)算機(jī)傳送指令給下位機(jī)，以控制開關(guān)通斷來選取不同電極組合，每個(gè)小電極對應(yīng)不同的地址，計(jì)算機(jī)發(fā)送地址不同，就可以選擇不同的電極組合來作為激勵(lì)極和檢測極。除激勵(lì)電極和檢測極外，其他電極全部接地。

圖6 組合電容控制電路

3 圖像重建品質(zhì)

隨著電容層析成像技術(shù)的發(fā)展，圖像重建算法主要包括線性反投影算法，基于模型的MOR法，迭代的代數(shù)重建法，查表法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。其中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法具有快速響應(yīng)、高分辨率等優(yōu)點(diǎn)。

在目前基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像重建算法中，網(wǎng)絡(luò)的類型一般采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。BP網(wǎng)絡(luò)是一種多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它采用后向傳播算法，亦稱BP算法（首先樣本從輸入層經(jīng)各中間層向輸出層傳播，輸出層的各神經(jīng)元獲得網(wǎng)絡(luò)的輸入響應(yīng);然后減小目標(biāo)輸出與實(shí)際輸出誤差的方向，從輸出層開始經(jīng)中間層逐層修正各連接權(quán)值，以達(dá)到學(xué)習(xí)目的）［4］。

一個(gè)三層的 BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，輸入層由信號源節(jié)點(diǎn)組成，輸入信號為測量電容值，第二層為隱含層，之所以被稱為“隱層”，是因?yàn)樗唤邮軆?nèi)部輸入（來自其它神經(jīng)元的輸入），并且只產(chǎn)生內(nèi)部輸出（到其它神經(jīng)元的輸出）。第三層為輸出層，輸出信號為圖像像素灰度值。

文中采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行圖像重建，并且用兩個(gè)尺寸的有機(jī)玻璃分別放在管子兩個(gè)方位來模擬氣固兩相流。訓(xùn)練樣本主要是在空管、兩個(gè)不同尺寸5 mm×5 mm、7.5 mm×7.5 mm有機(jī)玻璃模擬的氣固兩相流情況下獲得的。八電極ECT成像與組合電容ECT成像結(jié)果如圖7所示。

圖7 成相結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于組合電容的電容層析系統(tǒng)的圖像重建品質(zhì)要優(yōu)于一般的電容層析成像系統(tǒng)。

4 結(jié)語

基于組合電容的電容層析成像系統(tǒng)，在不減小電容極板面積和降低系統(tǒng)信噪比的情況下，可以增加投影數(shù)據(jù)，從而提高了圖像重建精度。

［1］張玉琴.改進(jìn)ECT系統(tǒng)圖像質(zhì)量的方法研究［D］.南京:南京理工大學(xué)，2009.

［2］Chen Deyun，Sui Dapeng，Li Letian.Reconstruction Algorithms Based on Artificial Neural Network for Electrical Capacitance Tomography.Sensors Journal，IEEE，Vol.1，20-22， pp.113-117.

［3］李雪.提高電容層析成像系統(tǒng)圖像分辨率的方法研究［D］.南京:南京理工大學(xué)，2008.

［4］衛(wèi)懷玉，王大偉.基于 BP網(wǎng)絡(luò)的電容層析成像圖像重建算法［J］.黑龍江科技信息，2008（01）:23-24.

［5］Qiu guofu.Zhao yanjun，Zhang yuqin.The Research of ECT System Based on Rotational Electrodes Array［C］.ICEICE，2011，c1-c1.