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电阻抗(ECT/ERT)双模态层析成像技术研究

何永勃  
【摘要】: 电学成像技术(Electrical Tomography, ET)是基于电磁场理论的新型测量技术,具有无辐射、非侵入、响应速度快、成本低廉以及可视化测量等优点,在工业测量及医学监测中具有诱人的发展前景。 电容层析成像(Electrical Capacitance Tomography,ECT)和电阻层析成像(Electrical Resistance Tomography,ERT)是目前最为成熟的两种ET技术。ERT适于测量以导电性介质为连续相的介质,而ECT适于测量以非导电性介质为连续相的介质。为了拓宽ET技术的应用范围,获取更为丰富测量信息,提高测量精度,将ERT和ECT有机地进行融合,提出了ERT/ECT双模态成像技术。 本课题对ERT/ECT双模态空间敏感阵列电极的数学模型、电路网络模型、传感器结构优化以及硬件系统设计等有关方面内容进行了深入研究,主要工作和结果如下: 1.采用复电导率概念,提出了统一的ERT/ECT敏感场数学模型,并给出了ERT/ECT正问题的有限元求解方法; 2.基于多端口电路网络理论,分析了ERT和ECT系统的多种激励模式及其独立测量数,研究了由不同激励测量模式所得到的阻抗、导纳、电压传输比和电流传输比等参数的关系,并分析了不同激励模式的图像重建算法的关系,提出了一种可减小测量信号动态范围的新的激励测量模式——共点单电极激励测量模式; 3.基于敏感阵列电极等效电路分析和有限元仿真计算,分别设计了多种结构的ERT、ECT单模态及ERT/ECT双模态空间敏感阵列电极,提出了传感器结构参数优化指标,并给出了优化结果; 4.构建了一套EIT成像系统和一套完整的ERT/ECT双模态成像系统,采用相同的电路拓扑结构实现了ERT和ECT的融合,该系统可实现单模态及双模态运行。图像重建软件包集成了几种典型重构算法,与硬件系统配合可进行实时成像,大量实验验证了硬件和软件系统性能。该系统具有使用灵活、可扩展性强、工作稳定可靠、测量精度高以及图像质量清晰的特点。 最后,作者提出了系统进一步改进的意见。


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