本發(fā)明涉及電容層析成像領(lǐng)域，尤其涉及一種融合微波層析成像信息的電容層析成像方法，以及實現(xiàn)上述成像方法的裝置。

背景技術(shù)：

復(fù)雜氣固流動體系廣泛存在于能源、制藥、食品處理以及其它化工領(lǐng)域，如循環(huán)流化床提升管、返料器中的氣固流動，制藥工業(yè)的包衣、造粒、干燥過程等。復(fù)雜氣固流動系統(tǒng)的實時監(jiān)控對安全生產(chǎn)、過程優(yōu)化意義重大。電容層析成像(electricalcapacitancetomography，ect)是一種實時的可視化電學(xué)層析成像技術(shù)，能夠獲取待成像區(qū)域橫截面的氣固兩相聚集信息，可以實現(xiàn)對流化床提升管、返料器中流動過程中氣固濃度的實時監(jiān)測，廣泛應(yīng)用于復(fù)雜氣固流動體系的檢測。電容層析成像具有諸多優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、非侵入和非接觸、無輻射、成像速度快、耐高溫高壓、低成本等。

圖像重構(gòu)是電容層析成像過程的關(guān)鍵步驟，也稱之為反問題，ect反問題的求解算法可分為迭代算法和非迭代算法。常規(guī)迭代算法由于初始值設(shè)置為零向量，該初始值和真實介電常數(shù)分布差異較大，會導(dǎo)致收斂速度慢(迭代次數(shù)增加)甚至不收斂(陷入局部極值)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種電容層析成像方法和裝置，以解決以上所述的至少一項技術(shù)問題。

(二)技術(shù)方案

根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種融合微波成像的電容層析成像方法，包括：

s1：采集待成像區(qū)域內(nèi)所測量的電容數(shù)據(jù)和微波成像數(shù)據(jù)；

s2：根據(jù)圖像重構(gòu)的迭代算法和所述電容數(shù)據(jù)，獲取待成像區(qū)域被測物質(zhì)的介電常數(shù)分布，其中，所述迭代算法中以所述微波成像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的介電常數(shù)分布作為初始迭代值。

進(jìn)一步的，步驟s1中，通過所述電容層析成像傳感器采集電容數(shù)據(jù)，以及通過微波層析成像傳感器采集微波成像數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步的，步驟s1中，所述電容數(shù)據(jù)測量方式為：通過在待成像區(qū)域周圍布置多個電極，測量不同電極對之間的電容值。

進(jìn)一步的，步驟s1中，所述微波成像數(shù)據(jù)測量方式為：通過在待成像區(qū)域周圍布置多個微波天線，測量微波信號與被測物質(zhì)相互作用后形成的散射波的振幅和相位。

進(jìn)一步的，所述步驟s2包括子步驟：

s21：獲取電容層析成像系統(tǒng)的泊松方程；

s22：求解泊松方程獲得待成像區(qū)域的電勢分布；

s23：根據(jù)電勢分布計算敏感場分布；

s24：根據(jù)微波成像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的介電常數(shù)分布，作為初始值；

s25：利用所述敏感場分布和初始值以及獲得的電容數(shù)據(jù)，通過迭代算法進(jìn)行圖像重構(gòu)。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種融合微波成像的電容層析成像裝置，包括：

電容層析成像傳感器，包括多個電極，所述電極陣列式分布于待成像區(qū)域的周圍，用于測量待成像區(qū)域的電容數(shù)據(jù)；

微波層析成像傳感器，包括多個微波天線，所述微波天線陣列式分布于待成像區(qū)域的周圍，用于測量待成像區(qū)域的微波成像數(shù)據(jù)；

處理器，耦接至所述電容層析成像傳感器和微波層析成像傳感器，獲取所述電容數(shù)據(jù)和微波成像數(shù)據(jù)，利用圖像重構(gòu)的迭代算法獲取待成像區(qū)域被測物質(zhì)的介電常數(shù)分布，其中所述迭代算法中以所述微波成像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的介電常數(shù)分布作為初始迭代值。

進(jìn)一步的，所述微波層析成像傳感器包括：

微波天線，用于發(fā)射微波和接收散射微波；

微波檢測器，檢測接收的散射微波的振幅和相位。

進(jìn)一步的，所述待成像區(qū)域的截面為矩形或者圓形。

(三)有益效果

通過上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明技術(shù)方案的有益效果在于：

(1)通過提出一種融合微波成像的電容層析成像迭代算法。通過進(jìn)行迭代時用到的初始值更接近真實介電常數(shù)分布，故可以得到全局最優(yōu)值，避免了局部極值的出現(xiàn)，提高了圖像質(zhì)量。

(2)發(fā)明的迭代算法減少了迭代次數(shù)，提高了成像速度；故該算法可以實際應(yīng)用于循環(huán)流化床和包衣等過程，可以實時獲得更精確的氣固濃度分布圖像，實現(xiàn)對上述過程的更有效的監(jiān)控。

附圖說明

圖1是常規(guī)的電容層析成像方法過程示意圖。

圖2是本發(fā)明實施例的融合微波成像的電容層析成像方法流程圖；

圖3是發(fā)明實施例的融合微波成像的電容層析成像方法過程示意圖；

圖4是本發(fā)明實施例的一種電容層析成像傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明實施例的另一種電容層析成像傳感器示意圖；

圖6是發(fā)明實施例的一種微波層析成像傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是本發(fā)明實施例的另一種微波層析成像傳感器示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

圖1是常規(guī)的電容層析成像方法過程示意圖。圖1中所示，在進(jìn)行迭代算法時，初始值一般是設(shè)置為零向量，該初始值通常會導(dǎo)致迭代時間長從而造成迭代不收斂的結(jié)果。

圖2為發(fā)明實施例的融合微波成像的電容層析成像方法過程圖。本發(fā)明實施例的成像方法包括步驟：

s1：采集待成像區(qū)域內(nèi)所測量的電容數(shù)據(jù)和微波成像數(shù)據(jù)；

s2：根據(jù)圖像重構(gòu)的迭代算法和所述電容數(shù)據(jù)，獲取待成像區(qū)域被測物質(zhì)的介電常數(shù)分布，其中，所述迭代算法中以所述微波成像獲得的介電常數(shù)分布作為初始迭代值。

對于步驟s1：對于所測量的電容數(shù)據(jù)，電容層析成像的原理是在管壁上均勻布置多個電極，然后測量不同電極對之間的電容值。利用測量得到的電容數(shù)據(jù)，通過一定的圖像重構(gòu)算法即可以得到被測物質(zhì)的介電常數(shù)分布。介電常數(shù)分布可以反應(yīng)多相物質(zhì)的濃度或濕度分布，因此可以用來對過程參數(shù)進(jìn)行可視化測量。電容層析成像傳感器采集電容數(shù)據(jù)，電容層析成像傳感器包括電極和屏蔽層，通過在待成像區(qū)域周圍布置多個電極，然后測量不同電極對之間的電容值，即為相應(yīng)的電容數(shù)據(jù)。

對于所測量的微波成像數(shù)據(jù)，其通過微波層析成像傳感器采集微波成像數(shù)據(jù)。在待成像區(qū)域周圍布置微波層析成像傳感器，包含有微波天線以及微波檢測器，通過檢測微波輻射與待成像區(qū)域內(nèi)物質(zhì)所形成散射波，獲取振幅和相位，也即獲取了微波成像數(shù)據(jù)。

圖3是發(fā)明實施例的融合微波成像的電容層析成像方法過程示意圖對于步驟s2，其可以包括多個子步驟，包括：泊松方程的獲取、求解泊松方程獲得成像區(qū)域的電勢分布、計算敏感場分布、微波成像初值獲取以及反問題求解，主要在于利用迭代算法進(jìn)行反問題求解時，初始介電常數(shù)的迭代值由微波成像獲得。具體的，可以是包括：

子步驟s21：獲取泊松方程，在電容層析成像系統(tǒng)中麥克斯韋方程組可以簡化為如下形式：

上述方程中，e表示電場強(qiáng)度，h表示磁場強(qiáng)度，d表示電位移矢量，ρ表示電荷密度，b表示磁感應(yīng)強(qiáng)度。

電容層析成像系統(tǒng)待成像區(qū)域中無自由電荷，故ρ＝0，所以方程(3)變?yōu)?/p>

對于各向同性、線性介質(zhì)，電位移矢量d、電場強(qiáng)度e、介電常數(shù)ε滿足方程

d＝εe(6)

電場強(qiáng)度e、電勢u的關(guān)系由方程(7)給出

聯(lián)立方程(5)、(6)、(7)可獲得泊松方程：

子步驟s22：求解泊松方程(8)獲得電勢分布。利用有限元方法或有限差分方法將待成像區(qū)域均分成m×n塊，m，n為自然數(shù)，搭配邊界條件，求解泊松方程(8)。邊界條件通常依賴于測量時的設(shè)置，通常情況下包含以下三種

u(x)＝v，x∈eex(0.10)

式中，是傳感器系統(tǒng)邊界，n為傳感器中電極數(shù)，v為激勵電壓，el為第l個電極的表面，eex為激勵電極表面，為接地邊界面，v表示非金屬邊界面的法向單位矢量。

子步驟s23：根據(jù)電勢分布計算敏感場分布：利用泊松方程(8)可以獲得待成像區(qū)域中電勢與介電常數(shù)之間的關(guān)系，即

u＝f(ε)(12)

激勵電壓v、電荷量q、電容c滿足方程

式中γ為檢測電極的表面；聯(lián)立方程(12)、(13)可得

c＝ξ(ε)(14)

利用多元函數(shù)的泰勒公式可得

由于δε很小，忽略o(δε²)將(15)線性化，同時令最終獲得

δc＝sδε(16)

在實際的計算中，由于獲得異常困難，所以采用如下方法進(jìn)行敏感場的求解。

根據(jù)獲得的電勢分布來求解敏感場元素sij，從而獲得敏感場矩陣s；

其中ui表示對電極i施加激勵電壓vi時在離散單元p(x，y)處的電勢分布，uj表示對電極j施加vj的激勵電壓時在離散單元p(x，y)處的電勢分布。

子步驟s24：根據(jù)微波成像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的介電常數(shù)分布，作為初始值。微波層析成像通過微波天線進(jìn)行微波的輻射和接收，微波天線形成陣列均勻分布于待成像區(qū)域周圍。微波天線發(fā)射的微波信號與待測區(qū)域的介質(zhì)(物質(zhì))相互作用后形成散射波，散射波被其他天線接收，再利用微波檢測器測量散射波的振幅和相位，然后通過對應(yīng)的轉(zhuǎn)化方法將檢測得到的振幅和相位轉(zhuǎn)化為待成像區(qū)域的介電常數(shù)分布。

s25：利用所述敏感場分布和初始值，通過迭代算法進(jìn)行圖像重構(gòu)反問題求解，迭代算法可以獲得更高質(zhì)量的圖像。對于迭代算法，迭代初始值對最終的成像結(jié)果影響很大，合理的初始值輸入可以加快收斂速度，避免優(yōu)化問題陷入局部極值。常規(guī)的迭代算法一般以零向量作為初始值。該初始值通常會導(dǎo)致迭代時間長從而造成迭代不收斂的結(jié)果。因此，要提高迭代算法的收斂速度，提高圖像質(zhì)量，需要一種合理的、含有被測物質(zhì)分布先驗信息的初始值設(shè)置。

利用獲得的敏感場矩陣s以及步驟4得到的微波成像初始值，配合適當(dāng)?shù)牡惴ㄟM(jìn)行圖像重構(gòu)，即求解方程(16)。

迭代算法以landweber算法為例(迭代算法包括可以應(yīng)用于電容層析成像反問題求解的任何迭代算法，例如newton-raphson迭代或迭代的tikhonov正則化算法)，求解公式為：

gⁿ＝p(g^n-1+αⁿs^t(λ-sg^n-1))(18)

其中，gⁿ表示n次迭代獲得的介電常數(shù)分布，g^n-1表示n-1次迭代獲得的介電常數(shù)分布，α為松弛因子，λ為歸一化的電容向量。

其中，c^l表示待成像區(qū)域空場時的電容、c^h表示待成像區(qū)域充滿被測介質(zhì)時的電容，c表示待成像區(qū)域當(dāng)前的電容。

在電容-微波耦合landweber迭代算法中，算法的初始值為微波成像獲得的待成像區(qū)域的介電常數(shù)分布，該初始值包含了物質(zhì)分布的大致信息，是一個合理的初始值設(shè)置，有利于提高收斂速度和圖像質(zhì)量。

本發(fā)明實施例還提供一種融合微波成像的電容層析成像裝置。本發(fā)明實施例的融合微波成像的電容層析成像裝置，包括：

電容層析成像傳感器，包括多個電極，所述電極陣列式分布于待成像區(qū)域的周圍，用于測量待成像區(qū)域的電容數(shù)據(jù)；

微波層析成像傳感器，包括多個微波天線，所述微波天線陣列式分布于待成像區(qū)域的周圍，用于測量待成像區(qū)域的微波成像數(shù)據(jù)；以及

處理器，耦接至所述電容層析成像傳感器和微波層析成像傳感器，獲取所述電容數(shù)據(jù)和微波成像數(shù)據(jù)，利用圖像重構(gòu)的迭代算法獲取待成像區(qū)域被測物質(zhì)的介電常數(shù)分布，其中所述迭代算法中以所述微波成像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的介電常數(shù)分布作為初始迭代值。

對于電容層析成像傳感器，可以包括陣列式分布于待成像區(qū)域的周圍的多個電極，測量不同電極對之間的電容值，通過圖像重構(gòu)算法即可獲得待成像區(qū)域的介電常數(shù)分配。

各電極的布置方式可以有多種表現(xiàn)形式。圖4是本發(fā)明實施例的一種電容層析成像傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。待成像區(qū)域3(截面呈方形)具有外屏蔽罩1，以及外屏蔽罩1內(nèi)部的絕緣管壁2，電極e1、e2…en呈陣列式分布于外屏蔽罩1和絕緣管壁2之間，在截面方向上均勻分布，其中n可取為8，12，16，20，24，28，32。圖5是本發(fā)明實施例的另一種電容層析成像傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。該待成像區(qū)域3的截面為圓形，相應(yīng)的電極也可以呈陣列式分布于外屏蔽罩1和絕緣管壁2之間，按照圓周均勻分布。當(dāng)然單個電極的形狀位長方形。電極優(yōu)選為電極片。

對于微波成像傳感器，可以包括陣列式分布于待成像區(qū)域的周圍的多個微波天線，用于測量待成像區(qū)域的微波成像數(shù)據(jù)。微波層析成像傳感器包含有微波天線以及微波檢測器，微波層析成像過程是通過微波天線進(jìn)行微波的輻射和接收，微波天線形成陣列均勻分布于待成像區(qū)域周圍。微波天線發(fā)射的微波信號與介質(zhì)相互作用后形成散射波，散射波被其他天線接收，再利用微波檢測器測量散射波的振幅和相位，然后通過合適的轉(zhuǎn)化方法將檢測得到的振幅和相位轉(zhuǎn)化為成像區(qū)域的介電常數(shù)分布。

圖6是發(fā)明實施例的一種微波層析成像傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。待成像區(qū)域3(截面呈方形)具有外屏蔽罩1，以及外屏蔽罩1內(nèi)部的絕緣管壁2，微波天線也呈陣列式分布于外屏蔽罩1和絕緣管壁2之間，在截面方向上均勻分布。圖7是發(fā)明實施例的一種微波層析成像傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，與圖6中不同在于待成像區(qū)域的截面為圓形，相應(yīng)的微波天線則在圓形的截面上沿著圓周呈等間距分布。

對于電容層析成像傳感器和微波層析成像傳感器彼此之間的設(shè)置方式，可以采用先在待成像區(qū)域布置微波層析成像傳感器，測量微波數(shù)據(jù)結(jié)束后，取下相應(yīng)的傳感器；然后布置電容層析成像傳感器，進(jìn)行電容數(shù)據(jù)以及圖像重構(gòu)。

本發(fā)明實施例提出的融合微波成像的電容層析方法和裝置。通過合理的初始值設(shè)置，加快收斂速度，提高成像質(zhì)量。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。