第1章 绪论
第1章 绪论
1.1 课题背景知识
多相流广泛存在于动力、石油、化工、核能、食品和医学等多个领域。与单相流动相比，多相流动相间存在着界面效应和相间速度，其流动特性更加复杂多变，因此要建立可靠的多相流动力学模型，并对多相流动过程进行预测、设计及控制，必须解决多相流过程中的参数检测问题[1]。而有些成像方式会破坏对象的表面，这样便不能满足多数要求。因此有必要研究一种无损成像方式对多相流进行成像。
层析成像(Tmography)技术也称为计算机层析(断层)成像(Computerized Tomography, CT)技术，是一种无损成像技术[2]。CT技术是指在不损害对象内部结构的条件下，利用某些探测源，用过从对象外部的设备检测得到的投影数据，运用一定的数学模型和重建技术，通过计算机的软件生成被测对象内部的二维或三维图像，实现对象内部特征的重现。CT成像技术与常规的从“图像到图像\的计算机图像处理技术不同，它是由外部测量的投影数据重建反映对象内部特征，这是一种特殊的图像处理技术[3]。如图1-1所示为利用CT技术对人体进行成像。
图1-1 CT技术应用实例
而多相流检测领域中的层析成像技术一般被称作过程层析成像(Process Tomography,PT)技术，它是医学工程中的层析成像技术与工业技术的要求相
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燕山大学本科生毕业设计(论文)
结合而形成的[4]。PT技术是在医学CT技术的基础上发展起来的一种新的层析成像技术。
电阻抗层析成像(Electrical Impedance Tomography，简称EIT)技术是一种基于电阻传感机理的PT技术，它通过测量电阻率的分布获得相介质的分布[5]。相比较之下，虽然EIT技术在图像重建的某些方面比不上传统的医学技术，但由于其成本低、对人体无害、无损成像等特点，被当做一种具有广泛应用前景的功能成像技术。
EIT的发展经历了以下几个阶段：
(1) 上世纪20年代，地质学家将电流注入到地层，通过测量地表电压来获得不同底层的导电特性，从而确定地下矿藏的分布，首次涉及到EIT的测量原理[6]。
(2) 上世纪70年代，美国Pennsylvania大学的David B.Geselowitz提出的阻抗电磁理论；
(3) 1978年，美国Wisconsin大学Henderson和Webster做出第一幅阻抗图像；
(4) 1982年，英国She街eld大学Brown和Barber实现第一个手臂的阻抗层析成像；
(5) 90年代以来，EIT技术进入了迅速发展时期。1990年，英国Sheffield大学I LFreeston和R C Tozer提出了感应电流式EIT系统[7]；1995年，希腊Demokritos大学C.S.Koukourlis和Thessaloniki大学的J.N.Sahalos做出了一个32电极数据采集系统[8]；以及后来Cape Town大学的J.Tapson提出了基于频分和码分复用电阻抗成像的电极电路[9]。同时，国外的研究小组还实现了对人体的喉、脑、胸腔以及小腿的电阻抗成像，取得了很好的成果。
1.2 EIT图像重建技术研究现状
1.2.1 EIT技术国内外研究现状
EIT系统具有非侵入性无损成像、功能性成像、设备简单及使用方便等特点，这些特点使得EIT技术引起医学界和工业界的广泛关注，并成为世界各国科学研究工作者研究的热点课题[10]。
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第1章 绪论
当前EIT技术的研究主要集中在以下几个方面：
(1) 对传感器电极阵列的优化设计，主要是克服EIT技术的“软场”问题，尽可能提高敏感场灵敏度分布的均匀性。
(2) 提高数据采集系统硬件电路的性能，主要是提高系统的稳定性、实时性和数据精度。
(3) 图像重建算法的改进，要求开发出质量高、速度快的成像算法，改进非线性算法的收敛性。
(4) 工业领域的应用开发，拓展技术的应用领域，使EIT技术更好地应用于各个领域[11]。
随着电子技术的飞快发展，计算机性能的不断提高，极大的促进了EIT系统性能的提升，基于各种新技术的EIT硬件系统层出不穷，其中基于嵌入式技术的便携式EIT系统是近期研究的热点。目前，EIT系统的硬件平台引入了更多新的数字化技术，大大提升了系统的性能，成像的实时性及成像质量也得到不断提高[12]。
1.2.2 EIT技术国内外研究成果
目前该领域较为先进的是英国的UMIST大学，其主要成果主要有：相继在搅拌器[13]和旋流器[14]等实验装置上进行了实验研究；开发出应用于金属容器的EIT系统，拓宽了EIT技术的使用范围[15]；目前又开发出一套16电极EIT数据采集系统[16]，据报道，该系统数据采集速度可达1000幅/秒。英国Leeds大学的R.A.Williams教授以及Dr.M.Wang等人联合开发出ITS．1000型系统样机，数据采集速度为25幅/秒(38.4kHz电流激励、104点/幅、数字解调)，如果采用模拟解调，其采样速率为7幅/秒[17]。最新开发出一套称为“FIC”的两相流在线数据采集和测量处理双截面EIT系统，采用DSP芯片、IEEE通讯接口等技术，数据采集速度达1164帧/秒，大大提高了系统的性能[18]。
在我国，最早进行EIT技术研究的是80年代后期徐苓安教授带领的天津大学PT研究小组，现已开发出TERT-1、2、3、4型系统样机。浙江大学也曾开发出16电极EIT系统，电路实现简单，但实时性有待提高[19]。清华
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大学、东北大学、中国科学院、北京航空航天大学、浙江工学院也开展了EIT技术的研究[20]。
1.3 课题研究内容及论文安排
在综述了国内外相关文献及资料的基础上，本论文旨在研究电阻抗层析成像(Electrical Impedance Tomography，简称EIT)技术在多相流检测中的应用。本文进行了有限元分析，实现空间管道的三维建模，并应用STM算法、landweber算法、正则化算法等实现图像重建。
针对上述工作，具体内容如下： (1) 了解电阻层析成像的基本原理。
(2) 熟悉正问题中有限元法(FEM)，并利用有限元法实现对传输管道的建模，模拟出几种模型，为图像重建做准备。
(3) 了解现有的图像重建算法，并比较不同算法的优势与不足。 (4) 基于MATLAB平台进行图像重建，并且比较各种算法的成像结果。
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第2章 电阻抗层析成像技术综述
第2章 电阻抗层析成像技术综述
2.1 引言
传统的CT成像技术已经十分成熟，但是CT技术主要采用射线、核素等进行成像，这些对人体有一定的伤害。而过程层析成像技术为我们提供了很多其他的选择。其中，EIT技术便是电学过程层析成像技术的一种。
EIT技术通过在体表电极阵列施加电流来提取组织或器官的电特性信息，加之不使用核素或射线、对人体无害、成本低廉、携带方便以及不要求特殊工作环境等特点，它是一种理想的、具有诱人应用前景的无损伤医学成像技术，尤其对发展中的人口大国具有很大的开发价值。
2.2 过程层析成像技术简介
层析成像(Tomography)技术也称计算机层析(断层)成像技术或计算机辅助层析成像(Computer Tomography，简记为CT)技术，是在20世纪70年代初首先在医学上已经成功应用并蓬勃发展起来的一项科学技术[21]。
在图像处理学中，层析成像称为图像重建，它与传统的从图像到图像的处理方法不同，它是一种从测量的多个投影数据重建出目标图像的特殊图像处理方法，即通过物理对象某一截面(断层)得到的一组投影数据，采用合适的图像重建方式及算法，经计算机处理，获得被测对象在该界面的图像。这种图像就被称为重建图像，可以直观地反映出界面内局部区域的相关信息
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自20世纪80年代以来，工程技术人员就开始积极探索，试图将医学中的
层析成像技术应用于多相流检测当中。过程层析成像技术(Process Tomography, PT)作为一种新型成像技术，可以实现多相流监测系统所要求具备的以下特性：
(1) 非侵入性，以避免腐蚀传感器和阻碍流动；
(2) 测量的实时性，以瞬时获取过程控制单元所需的反馈； (3) 可靠性，以延长维护周期，降低维护费用； (4) 在线使用；
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