基于阻抗谱信息的离散电学层析成像方法与技术研究

The project aims to develop discretized electrical tomography methods based on a finite gray value set and parallel electrical impedance measurement techniques. In industrial applications, the material distribution in the multi-phase flows can generally be well approximated by using a finite number of gray values. The existing electrical tomography algorithms are mainly facilitated to reconstruct the images with gray values in infinite dimensions and the gray values can be available within a continuous value scope. In this project, image reconstruction is performed in a finite-dimensional space by using discretized dielectric constants and conductivity distributions. In other words, the prior information of the limited components in the sensing field is incorporated into the image reconstruction, and the real distributions will be reconstructed in a way of gray value distribution in a selected finite gray value set. Image reconstruction methods and associated software programs will be specifically proposed and scripted for the discretized electrical tomography. In addition, a hardware system used for the impedance acquisition will be constructed. Efforts will be made to achieve high-precision electrical impedance measurement methods and a multi-frequency multi-channel impedance spectrum measurement circuit will also be constructed. As a result, a high-precision parallel hardware system will be established to obtain boundary spectrum measurement data from the electrode array. This project is expected to significantly improve the spatial and temporal resolution of electrical tomography, provide new insights for electrical imaging and corresponding mathematical inverse problems, and provide new means for on-line measurement of multiphase flows.

本项目研究基于有限灰度集合的离散电学层析成像方法及并行电阻抗测量技术。工业应用中，多相流场域一般可用有限灰度值逼近真实物质分布。现有的电学层析成像算法主要针对无限维连续的灰度数据进行重建。本项目考虑将介电常数和电导率分布约束在有限维空间内进行图像重建，即将待测场域有限组分的先验信息融合到图像重建逆问题求解中，研究基于有限灰度值约束的离散化图像重建方法，并研发离散化图像重建所需的软件程序。在硬件设计上，研究高精度电阻抗测量方法，搭建多频率多通道电阻抗谱测量电路，构建一套高精度并行硬件系统，实现对边界频谱测量数据的获取。本项目有望大幅提高电学层析成像空间、时间分辨率，为电学成像及相应的数理逆问题求解提供新的思路，进而为多相流的在线测量提供新手段。

本项目研究基于有限灰度集合的离散电学层析成像方法及多频并行电阻抗测量技术，可实现对有限灰度值分布及近似有限灰度值分布的多相流的高质量可视化实时监测。..针对典型的灰度值分布无约束的多相流，本项目提出基于Radon逆变换的图像重建方法，实现经典硬场重建方法向软场重建的扩展，可对多相流的相对介电常数和电导率的双模态监测；提出快速DtN映射求解模型，有效提高正问题求解速度，为实现闭环图像重建方法提供支撑；提出直接图像重建算法Calderon与经典PID控制器融合的闭环图像重建方法，有效提高重建图像质量；并在此基础上提出基于分数阶PID控制器的闭环图像重建方法，有效提高闭环算法的收敛速度。..针对灰度值分布有约束的多相流，本项目将被测场域有限灰度集合的先验信息融合到图像重建逆问题求解中，提出基于PID控制的二值/三值离散闭环图像重建算法，有效提升了重建图像质量，采用模糊PID控制器代替经典PID控制器，有效减少图像重建中的人为干预；研究多连通域结构导致的边界测量阻抗与真实阻抗之间的差异性，提出环形区域下修正的Calderon算法求解格式。..针对电阻抗谱高精度测量方法进行研究，提出基于压缩感知理论的宽频谱阻抗测量方法，在现有采样频率基础上极大拓宽阻抗测量频率范围，一定程度上提升阻抗测量精度；提出多频激励并行阻抗采集系统，优化激励-测量模式，并融合递推解调方法，极大提升采集系统测量速度，12电极条件下系统测量的帧速可达15.15kfps；对阻抗采集系统的标准化进行探索，研究基于PXIe总线的电阻抗测量电路，提高采集系统的稳定性和兼容性。..本项目研究的图像重建方法与阻抗采集系统在搭建的经典两相流以及多种形式的动态多相流实验模型中加以验证，除了实验室级多项流模型外，还用于中科院工程热物理研究所的航空发动机单头部模拟燃烧室出口进行燃烧过程监测。..本项目提出的多种图像重建算法为电学层析成像数理逆问题求解提供了新的思路，研究的阻抗采集系统有效提高电学层析成像的时间分辨率，为多相流在线测量提供了新手段。团队已发表的受项目资助的SCI检索论文6篇，EI检索论文2篇，授权发明专利3项，受理发明专利1项，论文和专利数量指标均已超额完成。在团队建设和人才培养方面，项目实施期间，项目成员王国华、孙世杰晋升副教授，已毕业硕士生4名、博士生4名，在读的硕士生5名，博士生8名。