Application of particle filtering algorithm to image reconstruction of ECT

针对电容层析成像技术(ECT)的图像重建质量精度较低的问题,提出了一种基于粒子滤波的ECT图像重建方法.首先,分析了ECT图像重建基本原理,以系统状态估计的方式描述了ECT图像重建最优解的搜索过程,并建立了状态空间模型.然后,以线性反投影( LBP)算法的图像重建结果作为初始状态,利用测量信息对从状态空间中获取的随机样本进行最优加权,以获得重建图像的最小方差估计.最后,对5种不同的流型进行了仿真实验.实验结果表明,利用本文方法获得的重建图像误差平均值为42.93％,相关系数平均值为0.813 9,比LBP算法、Landweber迭代算法和IMN-SNOF算法得到的相应指标要好.本文方法是一种有效、精度较高的ECT图像重建方法,为ECT图像重建技术提供了新的途径和手段.     

基于自适应模拟退火及 LM 联合反演算法的 ECT 图像重建

为解决电容层析成像技术(ECT)中图像重建的非线性和病态性问题,提出了一种自适应模拟退火-Levenberg Marquardt (ASA-LM)联合反演算法。 改进了标准模拟退火(SA)算法的新解生成策略、能量函数的定义及退火策略,并结合 LM 的直接局 部搜索方法联合反演 ECT 图像重建问题。 同时,利用 Savitzky-Golay (SG) 滤波对 ECT 图像重建所需电容数据进行平滑处理以 提高其信噪比。 最后,进行仿真及静态实验,并与线性反投影(LBP)、Landweber 迭代及标准 SA 算法进行了比较。 结果表明,与 其他 3 种算法相比,ASA-LM 算法收敛速度快、图像重建质量明显提高,边缘信息保真度高,重建图像的平均相对误差为 0. 331 1,平均相关系数为 0. 933 1。     

基于INGA的电容层析成像图像重建算法的研究

电容层析成像图像重建是一个具有典型的病态问题,在分析遗传算法基础上,针对小生境遗传算法易于早熟、收敛速度慢以及局部寻优能力较差等缺点,提出了一种引入梯度算子的改进小生境遗传算法(INGA)用于ECT图像重建.仿真和实验结果表明,对于简单流型该算法与LBP、Landweber算法相比满足收敛速度快且重建图像误差小,并能以较高的精度重构出两相流体的截面成像,为ECT图像重建算法的研究提供了一个新的思路.     

一个基于Quantile估计的电容层析成像图像重建算法

电容层析成像图像重建是一个典型的病态问题,它的解是不稳定的。为了获得有意义的重建结果,能够保证解的稳定性而又能提高重建图像质量的方法应该被采用。本文提出了一个新的电容层析成像图像重建算法。在分析标准Tikhonov正则法的基础上,针对ECT逆问题的病态特点利用Quantile估计和加权l_p范数构建扩展的目标泛函,将图像重建问题转化为一个最优化问题;在此基础上用Newton法求解该泛函。数值实验表明该算法是可行的,能够有效克服ECT图像重建的数值不稳定性。就本文所考察的重建对象而言,该法所重建图像的空间分辨率得到了提高。而且该算法计算直接、无需任何复杂的技巧,从而为ECT图像重建提供了一种有效的方法。     

基于改进正则法的ECT图像重建算法

电容层析成像图像重建是一个典型的病态问题,其解是不稳定的。为获得良好的重建效果,需要采用既保证解的稳定性且又能提高重建图像质量的算法。本文提出了一种新的图像重建算法。在分析标准Tikhonov正则法的基础上,针对ECT逆问题的病态性进行改进,并推导出两步图像重建算法：第一步利用标准Tikhonov正则法的计算值获得权矩阵的估计;第二步采用本文所推导的改进Tikhonov正则法获得最终的重建图像。数值实验表明,该算法所获得的图像重建质量得到了明显的提高,且该算法无需迭代,保证了算法实时性。     

基于多项式加速的电容层析成像图像重建算法

针对普通迭代方法收敛速度慢的问题,提出一种多项式加速的正则化迭代电容层析成像算法来加快其收敛速度.在介绍12电极电容层析成像系统基本原理的基础上,给出了该算法的数学模型,并利用谱分析对该算法的收敛性进行了证明.探讨了ECT应用该算法的可行性,该算法易满足收敛条件且重建图像误差小.仿真和实验结果表明,和LBP、Landweber算法相比,该算法兼备成像质量高及收敛速度快等优点,为ECT图像重建算法的研究提供了一个新的思路.     

基于改进信赖域的电容层析成像图像重建算法

针对电容层析成像技术中的"软场"效应和病态问题,提出了一种改进信赖域的新电容层析成像算法。在分析电容层析成像基本原理的基础上,推导出了求解ECT反问题的信赖域算法的计算步骤,同时利用BFGS公式对迭代过程中产生的Hesse矩阵进行校正。在此基础上对信赖域算法的收敛性进行了分析和证明,算法满足收敛条件且重建图像误差小。仿真和实验结果表明,和LBP、Landweber和共轭梯度算法相比,对于简单流型该算法兼备成像质量高、边界均匀稳定等优点,为ECT图像重建算法的研究提供了一个新的方法。     

基于加权奇异值分解截断共轭梯度的电容层析图像重建

针对电容层析成像技术(ECT)中的"软场"效应和病态问题,提出了一种基于加权奇异值分解(SVD)截断共轭梯度的电容层析(ECT)图像重建算法。阐述了电容层析成像工作原理,提出了12电极ECT系统的测量方法。在分析灵敏度矩阵的奇异值分解理论的基础上,推导出了加权SVD截断共轭梯度的数学模型,并利用Tikhonov方法进行正则化加权处理。最后,分析了算法的收敛性,并将其应用于电容层析成像系统的图像重建中。实验结果表明,对于层流,截断共轭梯度算法的平均误差能达到27.54%,全部流型平均迭代步数达到13步,与LBP、Landweber和CG算法比较,该算法具有成像效果好,成像速度快,易于实现等特点。     

基于加权SVD截断共轭梯度的ECT图像重建算法

针对电容层析成像技术中的“软场”效应和病态问题,基于灵敏度矩阵的奇异值分解理论,提出了一种加权SVD截断共轭梯度的ECT图像重建算法,给出了算法的数学模型,完成了算法的收敛性分析和证明,并将其应用在电容层析成像系统的图像重建中。仿真和实验结果表明,同LBP算法和CG算法相比,该算法有成像效果好,成像速度快,易于实现等特点。     

一个基于1范数的电容层析成像图像重建迭代算法

电容层析成像因具有快速、廉价、非侵入传感等优点而被认为是具有广阔发展前景的过程成像技术.电容层析成像图像重建是一个典型的病态问题,它的解是不稳定的.为了获得有意义的重建结果,能够保证解的稳定性而又能提高重建图像质量的方法应该被采用.本文提出了一个基于1范数稳定的电容层析成像图像重建算法.将图像重建问题转化为一个最优化问题,并对目标泛函采用光滑逼近.在此基础上用Newton法求解该目标泛函.数值实验表明该算法是有效的,能够有效克服ECT图像重建的数值不稳定性,就本文所考察的重建对象而言,该法所获得的重建图像的质量有了一定的提高,从而为ECT图像重建引入了一种有效的方法.     

Image reconstruction of electrical capacitance tomography based on optimal simulated annealing algorithm using orthogonal test method

Electrical capacitance tomography (ECT) is a visualization measurement method for two-phase flow. Imaging permittivity distributions using electrical capacitance tomography has always been one of the most significant issues studied by scholars, and the algorithm will have a great impact on the accuracy of image reconstruction result. This paper applies simulated annealing (SA) algorithm to image reconstruction in ECT. However, some parameters of SA algorithm need to be optimized in order to obtain better reconstructed images in ECT. The influence of different parameter values in SA algorithm for image reconstruction in ECT is studied, and a set of optimal parameters of the SA algorithm is obtained based on the orthogonal experimental design method in this paper. At the same time, simulation and static experiments are conducted. Reconstructed images by SA algorithm with optimized parameter are compared with the linear back projection (LBP) and Landweber iterative algorithms. The results show that better images can be obtained for typical oil-gas two-phase flow using SA algorithm. The quality and shape fidelity of reconstructed image for the central object are obviously improved.     

Image reconstruction algorithm of electromagnetic tomography based on fractional Kalman filter

Aiming at the problem of low quality of image reconstruction of electromagnetic tomography (EMT), in this paper, an image reconstruction algorithm of EMT based on fractional Kalman filter (FKF) is proposed. Firstly, the principle of EMT and the principle of state equation of FKF are expound respectively. FKF is often used in the state estimation of nonlinear systems. There is a nonlinear relationship between the object field distribution and the sensor signal in the EMT. Therefore, according to this feature, FKF is applied to the image reconstruction algorithm of EMT. The image reconstruction process of EMT is regarded as the state estimation process of FKF, the normalized measurement voltage is taken as the observation value, and the sensitivity matrix is taken as the measurement matrix. To establish the nonlinear state estimation equation of the FKF and a priori estimation error covariance equation in the EMT, the gray value of image obtained by LBP is used as the initial value of the state estimation, a prior estimation state vector and a priori estimation error covariance matrix are obtained by prediction update, the Kalman filter gain and the posterior estimation error covariance matrix are obtained by the correction feedback process. After repeated iterations, the final state vector, i.e. reconstructed image of EMT is obtained. Finally, simulation experiments are carried out for seven different flow patterns. The results show that the image error and correlation coefficients of the reconstructed image of this algorithm are better than traditional algorithms such as LBP, Landweber, Kalman filter, and have better anti-noise effect than Kalman filter. Therefore, the image reconstruction algorithm of FKF is a new method and means to study the image reconstruction of EMT.     

用于两相流测量的ECT图像重构技术研究

电容层析成像技术(ECT)具有非侵入、响应速度快、成本低等优点,是用于两相流参数检测非常有发展潜力的技术之一。而图像重构是ECT系统研究的关键技术。该文利用有限元方法对12电极ECT系统进行建模仿真,进行正问题求解,获得了图像重构的样本数据;引入改进的径向基函数神经网络,建立了ECT图像重构算法,并在MATLAB平台上进行了仿真验证。结果表明,改进的径向基神经网络算法在图像重构准确度及速度方面有了明显提高。     

动态电容层析成像图像重建算法

提出了融合ECT测量信息和被测对象动态演化信息的新型图像重建模型;基于Tikhonov正则化方法,建立一个同时考虑了ECT测量信息、被测对象动态演化信息、时间与空间约束的新型图像重建目标泛涵,将图像重建问题转化为最优化问题;提出了集成分裂Bregman迭代法优势的新型算法求解该目标泛涵。数值仿真结果表明,所提出的图像重建算法其图像重建质量均优于OIOR算法、STR算法及PLI算法;同时由于所提出的图像重建算法同时考虑了测量数据和重建模型的不精确性,其抵抗测量噪声的能力得以提高。     

基于U曲线法的油气润滑ECT系统图像重建病态优化

采用U曲线法确定油气润滑ECT系统图像重建中的正则化参数,分析正则化处理后灵敏度矩阵的病态性;通过LBP算法和Tikhonov正则化算法分别对油气润滑ECT系统管道截面进行第一次图像重建;对第一次重建图像的灰度分布矩阵进行门限滤波阈值的优化,并对管道截面进行二次图像重建。结果表明:相较于L曲线法,U曲线法选取的正则化参数在削弱灵敏度矩阵病态程度方面的作用显著;第一次图像重建中,图像重建质量有较大改善;门限滤波阈值优化后的二次图像重建中,图像重建质量进一步提高。研究表明U曲线法确定的正则化参数和门限滤波阈值优化有助于提高油气润滑ECT系统的图像重建质量。     

3D ECT reconstruction by an improved Landweber iteration algorithm

Electrical capacitance tomography (ECT) is a relatively mature non-invasive imaging technique that attempts to map dielectric permittivity of materials. Recently, 3D ECT has gained interest because of its potential to generate volumetric images. The study of a fast and accurate image reconstruction algorithm is a challenge task, especially for 3D reconstruction. In this paper, we propose an improved Landweber iteration algorithm. We incorporate an additional acceleration term into the cost function and apply an adaptive threshold operation to the image obtained in each iteration for reducing artefacts. The algorithm proposed is tested by the noise-free and noise-contaminated capacitance data. Sensitivity matrixes and capacitance data of a 3D ECT sensor are obtained by using the finite element (FE) method. Extensive simulations in 3D reconstruction are carried out. The results verify the effectiveness of these improvements. Both the reconstruction time and the artefacts in the reconstructed image are reduced obviously. The experimental results of 3D reconstruction of objects in the shape of letters U and L confirm the effectiveness of the proposed algorithm further.     

油气润滑ECT系统的RBF图像重建算法研究

采用COMSOL软件建立了油气润滑环状流管道与ECT系统的三维物理及有限元模型,结合电磁场理论获取了传感器的电容值;建立了电容值与成像灰度值一一对应的的RBF映射模型;提出了RBF算法并应用于油气润滑两相流动的图像重建过程;以图像相对误差(IME)和图像相关系数(CORR)为评价指标对该算法的进行实验验证。研究结果表明,RBF算法在ECT系统图像成像的准确性及相关性方面可以很好的适用于油气润滑;相较于其他图像重建算法,图像精度提高了40.52%,图像分辨率提高了22.13%。     

基于MCMC方法的电容成像图像重构算法

研究基于概率统计的电容成像图像重构算法,以马尔科夫随机场的方式给出介电常数分布的先验概率,利用电容成像(electrical capacitance tomography,ECT)线性模型得到似然函数,通过马尔科夫链蒙特卡罗(Markov chain Monte Carlo,MCMC)方法对介电常数分布的后验概率密度进行采样,马尔科夫链的转移核利用Metropolis-Hastings方法得到,结合嵌套迭代提高计算效率。仿真结果表明,嵌套迭代-MCMC方法在正则化参数设置合适的条件下,可以得到较好的图像质量,基于MCMC方法图像重构算法为解决ECT图像重构问题提供一种新思路。     

基于预优化变换的电容层析成像图像重建算法

本文提出了一种新型快速电容层析成像的图像重建算法。该方法首先将图像重建的病态问题转化为泛函极小化问题，然后采用Fletcher-Reeves算法（FR）有效地求解该泛函，并在求解的过程中引入物理意义上的约束使获得的解更符合实际情况。数值实验表明该算法的图像重建效果优于线性反投影法、Tikhonov正则法和Landweber迭代法，而且该算法具有较强的抗噪声能力。