基於部分邊界阻抗頻譜測量數據的雙模態電學層析成像

《基於部分邊界阻抗頻譜測量數據的雙模態電學層析成像》是依託北京航空航天大學，由曹章擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於部分邊界阻抗頻譜測量數據的雙模態電學層析成像
• 依託單位：北京航空航天大學
• 項目負責人：曹章
• 項目類別：面上項目

項目摘要

本項目研究測量信息僅可在部分邊界處獲得時的雙模態電學成像方法及硬體系統。工業套用中常要求電極陣列僅布置於被測區域的部分邊界上，但電學感測器中的電極陣列通常需環繞被測區域一周。通過對部分邊界上電極陣列的信息獲取能力進行分析，結合電學敏感場的“軟場”特性，將雙模態電學層析成像方法推廣至部分邊界，即根據布置於部分邊界的電極陣列上獲得的頻譜測量數據，融合圖像重建的直接算法及阻抗網路的反演方法，重構被測區域內的物質分布（介電常數及電導率分布），並在此基礎上開發雙模態成像所需的軟體系統。通過研究頻率選擇與獨立測量數目的關係，構建一套雙模態成像硬體系統，實現對部分邊界的頻譜測量數據的獲取，並進行被測區域的雙模態同步解耦重建，有望提供“軟場”特性所包含的全局信息的獲取方法，並為電學成像及相應的數理逆問題求解提供新的思路，進而為多相流的線上測量提供新手段。

結題摘要

在工業套用中，電學感測器電極陣列往往無法分布在被測區域完整邊界上，但傳統的電學成像系統通常要求電極陣列環繞被測區域一周，部分邊界的限制對激勵測量方式和圖像重建方法帶來了挑戰。本項目針對部分邊界限制所導致的測量與重建難題，提出了部分邊界雙模態模型，實現了部分電極信息獲取能力的性能最佳化，提出了一系列圖像重建算法，構建了高速、寬頻譜雙模態成像軟硬體系統，並用於測量高壓管道內CO2氣液分布和本生燈火焰軸向復電導率的分布。 本項目執行過程中，項目組首先構建部分邊界雙模態模型，證明了電導率方程的共形變換不變性，完成部分電極信息獲取能力的性能最佳化，為阻抗測量系統設計提供依據。然後，項目組提出基於閉環控制、捷徑D-bar、 Radon變換三類圖像重建算法，可以實現感興趣區域的直接重建，有效提高了圖像重建質量。針對寬動態範圍的多路阻抗測量問題，項目組提出了差分式阻抗測量方法、高精度正弦信號發生方法、基於卡爾曼濾波和信息濾波的單頻多頻數字遞推解調方法、基於壓縮感知的寬頻譜阻抗測量方法，提高了阻抗測量精度及系統回響速度。 項目組設計研製了多通道單頻、多頻激勵高速數字阻抗測量系統和寬頻譜阻抗測量系統；並將搭建的系統成功套用於高壓管道內CO2氣液運輸過程狀態監測，實現了CO2氣液分布圖像重建及含率數據的線上獲取。利用所研究的雙模態測量及重建方法，將成像系統套用於本生燈火焰雙模態監測，分別獲得了電導率和介電常數的分布圖像和本生燈火焰軸向復電導率的分布規律。 受項目支持，項目組共發表學術論文14篇，其中SCI檢索論文11篇。項目組已授權發明專利11項。本項目研究工作為電學成像方法及相應的數理逆問題求解提供了新思路，發明並研製的阻抗測量系統將進一步推進火焰燃燒機理研究和多相流線上測量技術的發展。