利用耦合微波成像信息的敏感场的电容层析成像方法技术

一种利用耦合微波成像信息的敏感场的电容层析成像方法，包括步骤：获得电容层析成像系统的泊松方程；利用微波成像信息获取介电常数的分布，根据该分布通过有限元方法求解泊松方程获得测量区域的电势分布；利用电势分布获得敏感场分布；以及利用敏感场和重构图像算法进行图像重构。本发明专利技术的融合微波成像的电容层析成像算方法，能减小重构图像误差、提高求解速度。该成像方法应用于循环流化床和包衣等过程时，可以实时获得更精确的气固浓度分布图像，实现对上述过程的更有效的监控。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及层析成像敏感场获取领域，尤其涉及一种利用耦合微波成像信息的敏感场的电容层析成像方法，以及应用敏感场的获取方法对气固流动体系进行监测。
技术介绍
复杂气固流动体系广泛存在于能源、制药、食品处理以及其它化工领域，如循环流化床提升管中的气固流动，制药工业的包衣、造粒过程等。实现复杂气固流动过程的实时监控，对优化过程、安全生产、提高产量具有重要意义。电容层析成像(Electrical Capacitance Tomography，ECT)是一种实时的可视化层析成像技术，能够获取测量横截面或区域的气固分布信息，可以实现对流化床提升管以及包衣过程中气固浓度的实时监测，在复杂气固流动体系的检测中应用广泛。电容层析成像具有诸多优点：结构简单、非侵入和非接触、无辐射、成像速度快、耐高温高压、低成本等。电容层析成像技术的图像重构涉及两方面的问题求解，即正问题和反问题。正问题即利用泊松方程来获得测量区域的电势分布，然后根据电势分布来获得敏感场。反问题即利用已获得的敏感场和已知的算法来进行介电常数分布的重建。常规的线性电容层析成像正问题是在测量区域的介电常数的分布已知的条件下(通常认为是空场)根据电势分布来计算敏感场(参见图1所示)。在接下来的步骤中认为敏感场不随介电常数的分布变化，进行反问题的求解。上述步骤中的敏感场是通过空场情况下的介电常数分布来获得，与实际的敏感场分布相差较远，重构图像具有较大的误差。为了克服传统的利用空场计算敏感场的弊端，在一些利用迭代算法求解反问题的过程中引入了随时间变化的敏感场，即在每一步求解过程中根据此时的介电常数分布重新计算敏感场。这种实时更新敏感场的方法也称为半线性迭代算法(参见图2所示)。与传统的方法相比，半线性迭代重构图像的误差较小，但是实时更新敏感场使得计算时间过长，无法在线应用。因此，需要设计新的敏感场求解方法以减小图像重构误差并提高迭代速度。最主要的技术缺陷：线性重构的敏感场是在空场的情况下获得的，与实际的敏感场差别较大，重构图像误差较大。半线性重构需要实时更新敏感场，计算时间长，重构图像求解速度低。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提出一种融合微波成像信息的电容层析成像方法。根据本专利技术的一方面，提出一种利用耦合微波成像信息的敏感场的电容层析成像方法，包括步骤：S1：获得电容层析成像系统的泊松方程；S2：利用微波成像信息获取介电常数的分布，根据该分布通过有限元方法求解泊松方程获得测量区域的电势分布；S3：利用电势分布获得敏感场分布；以及S4：利用敏感场和重构图像算法进行图像重构。优选的，步骤S1包括子步骤：S11：在电容层析成像系统中麦克斯韦方程组简化为如下形式： ▿ × E = 0 - - - ( 15 ) ]]> ▿ × H = 0 - - - ( 16 ) ]]> ▿ · D = ρ - - - ( 17 ) ]]> ▿ · B = 0 - - - ( 18 ) ]]>上述方程中E表示电场强度，H表示磁场强度，D表示电位移矢量，ρ表示电荷密度，B表示磁感应强度；S12：对电容层析成像系统测量区域中无自由电荷，因此ρ＝0，所以方程(31)变为 ▿ · D = 0 - - - ( 19 ) , ]]>S13：对于各向同性、线性介质，电位移矢量D、电场强度E、介电常数ε满足方程D＝εE (20)，S14：电场强度E、电势u的关系由方程给出 E = - ▿ u - - - ( 21 ) , ]]>S15：联立方程(33)、(34)、(35)获得泊松方程 ▿ · ( ϵ ▿ u ) = 0 - - - ( 22 ) . ]]>优选的，步骤S2包括子步骤：S21：利用微波成像信息获取介电常数的分布，；S22：利用有限元方法或有限差分方法将测量区域离散成M×N个均匀分布的点，其中M和N为自然数；S23：利用步骤S21获得的介电常数ε的分布，配合测量区域的边界条件求解泊松方程(36)。优选的，所述微波成像信息通过微波层析成像传感器获取。优选的，步骤S3包括子步骤：S31：利用泊松方程(36)可获得测量区域中电势与介电常数之间的关系，即u＝f(ε) (23)S32：测量区域中，激励电压V、电荷量Q、电容C满足方程 C = Q V = - 1 V ∫ ∫ Γ ϵ ▿ u d Γ - - - ( 24 ) ]]>式中Γ为检测电极的表面；S33：联立方程(37)、(38)：得C＝ξ(ε) (25)；利用多元函数的泰勒公式可得 Δ C = d ξ d ϵ ( Δ ϵ ) + O ( Δϵ 2 ) - - - ( 26 ) ]]>S34：由于Δε很小，忽略o(Δε2)将(40)线性化，同时令获得ΔC＝SΔε (27)即敏感场实际表示的为电容相对于介电常数的变化。优选的，在步骤S3中步骤S34之后还具有子步骤：S35：根据公式(8)中获得的电势分布来求解敏感场元素Sij，从而获得敏感场矩阵S； S i j = - &Integr本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用耦合微波成像信息的敏感场的电容层析成像方法，其特征在于包括步骤：S1：获得电容层析成像系统的泊松方程；S2：利用微波成像信息获取介电常数的分布，根据该分布通过有限元方法求解泊松方程获得测量区域的电势分布；S3：利用电势分布获得敏感场分布；以及S4：利用敏感场和重构图像算法进行图像重构。

【技术特征摘要】
1.一种利用耦合微波成像信息的敏感场的电容层析成像方法，其特征在于包括步骤：S1：获得电容层析成像系统的泊松方程；S2：利用微波成像信息获取介电常数的分布，根据该分布通过有限元方法求解泊松方程获得测量区域的电势分布；S3：利用电势分布获得敏感场分布；以及S4：利用敏感场和重构图像算法进行图像重构。2.根据权利要求1所述的利用耦合微波成像信息的敏感场的电容层析成像方法，其特征在于，步骤S1包括子步骤：S11：在电容层析成像系统中麦克斯韦方程组简化为如下形式： ▿ × E = 0 - - - ( 1 ) ]]> ▿ × H = 0 - - - ( 2 ) ]]> ▿ · D = ρ - - - ( 3 ) ]]> ▿ · B = 0 - - - ( 4 ) ]]>上述方程中E表示电场强度，H表示磁场强度，D表示电位移矢量，ρ表示电荷密度，B表示磁感应强度；S12：对电容层析成像系统测量区域中无自由电荷，因此ρ＝0，所以方程(31)变为 ▿ · D = 0 - - - ( 5 ) , ]]>S13：对于各向同性、线性介质，电位移矢量D、电场强度E、介电常数ε满足方程D＝εE (6)，S14：电场强度E、电势u的关系由方程给出 E = - ▿ u - - - ( 7 ) , ]]>S15：联立方程(33)、(34)、(35)获得泊松方程 ▿ · ( ϵ ▿ u ) = 0 - - - ( 8 ) . ]]>3.根据权利要求2所述的利用耦合微波成像信息的敏感场的电容层析成像方法，其特征在于，步骤S2包括子步骤：S21：利用微波成像信息获取介电常数的分布；S22：利用有限元方法或有限差分方法将测量区域离散成M×N个均匀分布的点，其中M和N为自然数；S23：利用步骤S21获得的介电常数ε的分布，配合测量区域的边界条件求解泊松方程(36)。4.根据权利要求1所述的利用耦合微波成像信息的敏感场的电容层析成像方法，其特征在于，所述微波成像信息通过微波层析成像传感器获取。5.根据权利要求3所述的利用耦合微波成像信息的敏感场的电容层析成像方法，其特征在于，步骤S3包括子步骤：S31：利用泊松方程(36)可获得测量区域中电势与介电常数之间的关系，即u＝f(ε) (9)S32：测量区域中，激励电压V、电荷量Q、电容C满足方程 C = Q V = -...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶佳敏，吴蒙，王海刚，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11