高精度电阻抗断层成像数据采集系统

针对电阻抗断层成像技术对电阻抗信号采集精度的要求,建立了一个高精度的数据采集系统.该系统主要由一个基于数字合成技术的可编程激励电流源和一个基于正交序列数字解调法的边界电压采集模块共同构成.系统可以在1～190 kHz之间编程选择激励电流的频率,并可在0～1.25 mA之间编程设定输出幅度以满足人体测量的安全要求.系统可同时检测出边界电压的幅值和相位信息.工作频率范围内,系统的共模抑制比高于75 dB,相对测量精度优于0.02%.     

电阻抗成像技术在多相流检测中的应用

介绍了一种应用于多相流流型辨识中的电阻抗成像系统。系统采用直接数字合成(DDS)技术构建正弦波发生器，实现幅值、频率、相位等连续调节；调制信号经解调后，利用加权反投影算法进行图像重建。试验测试与成像结果表明，该系统采集速度快、图像分辨率高。     

电阻抗成像系统的设计

介绍了电阻抗成像系统,该系统以PC机作为上位机,用来进行可视化控制、实时成像显示操作鸦下位机采用高速单片机,控制电极选通、数据采集及预处理,并与PC机进行通讯;采用直接数字频率合成穴DDS雪技术产生高精度激励信号源,用相敏解调方法实现高质量数据获取。实验结果表明该系统能达到电阻抗成像(EIT)的性能要求。     

高精度磁场式时栅传感器激励信号对测量误差的影响分析及系统设计

为提高磁场式时栅传感器测量精度,本文从理论上推导分析了时栅传感器激励信号源幅值和相位不一致产生的谐波成分对时栅传感器测量精度的影响,提出了一种基于DDS原理并采用完整闭环调节的高性能时栅激励信号源设计方案。以FPGA为微处理器,通过编程分频系统时钟,设置频率、相位控制字对DDS输出的信号频率、相位进行调节,使用增益控制器配合相位累加器实现相位到幅值精确转换。搭建了信号调理电路和信号反馈电路,通过实时对比反馈控制,解决了系统电路阻抗不匹配及干扰导致的激励信号相位不正交性和幅值不一致性的问题。实验结果表明：本文所设计的激励信号源输出信号幅值相对误差只有0.4%,正交性相对误差只有0.05%,并且采用该激励信号源,磁场式时栅传感器测角原始误差从±103.4"降低到了±20.3",有效抑制由于激励信号源幅值不一致和相位不正交带来的谐波误差。经修正后对极内角位移测量误差只有±1.3",整周角位移测量精度达到±2",满足高精度位移测量要求。     

基于FPGA的数字超声内窥镜接收系统设计

根据数字超声成像的要求和超声信号的特点,设计了由高速采样电路和FPGA正交解调电路组成的数字超声内窥镜接收系统。采样电路由AD8138和AD9235实现,对放大后的超声回波信号直接进行模数转换;FPGA利用内部RAM、乘法器、IP核和宏模块构建数字正交解调电路,提取超声回波信号的幅度;获取的幅度信息经USB2.0接口电路送入计算机显示。对玻璃杯进行的静止扫描成像实验,验证了接收系统的小信号检测能力,可以检测到信噪比约为4dB的回波信号;对玻璃杯进行的旋转扫描成像实验,表明接收系统可用于数字超声内窥镜成像。     

数字化提取油气润滑ECT系统电容值的方法研究

为了克服模拟器件的约束,进一步提高系统的精度和速度,提出了3种数字化提取ECT电容值的方法,并通过软件求解出了各种数字化提取电容值的方法电容值,最后通过4个评价指标综合选定数字正交解调作为最后数字解调的方案,结果表明:采用正交解调数字化提取电容值的方法不仅减低了系统的制作成本,而且在系统的速度和精度方面基本达到最佳的性能。     

基于磁场调制的磁流体动力学角速度传感器

为改善磁流体动力学角速度传感器输出信噪比,提高传感器的测量分辨力,提出了一种基于磁场调制的磁流体动力学角速度传感器,采用交变磁场作为载波信号对输入传感器的角速度信号进行调幅,设计了磁路、μＶ级微弱信号预处理电路和数字相敏检波系统。仿真与实验结果表明设计的磁路能够产生幅值恒定的交变磁场,磁感应强度有效值和均匀性满足传感原理需求,电路仿真结果表明预处理电路可有效规避低频噪声干扰,数字解调系统提取信号后,信号频率误差小于0.6％,幅值误差小于0.15％。     

阻抗谱测量系统的设计

论述了单片机控制的阻抗谱测量系统的设计和实现方法,采用直接数字频率合成器(DDS)产生同步的正交信号源,采用双差分减法器实现了阻抗到电压的转换,并利用双相锁定放大器提高了抗干扰性能。由于测量通道的增益会随频率而变化,采取了校准措施,并利用可编程的开关电容低通滤波器,以加速测量。仿真实验结果表明:加入高斯白噪声,信号噪声比为-10~10 dB。频率范围为1Hz~100 kHz,阻抗幅值和相位测量的相对误差小于4%。     

基于FPGA的抖动偏频激光陀螺高精度信号解调

分析了抖动偏频激光陀螺信号的解调原理,提出了一种利用数字信号处理技术并采用FPGA实现的抖动解调方法;通过对激光陀螺脉冲计数值高速采样并采用数字滤波器滤波处理,可以有效消除抖动引起的信号噪声,得到所需的惯性角速率测量信息;增加数字预滤器,以滤除陀螺脉冲输出信号中的尖峰或毛刺干扰,可以进一步提高解调精度;为满足实时性要求,该方法采用FPGA来实现;实验表明,相对整周期采样解调,此方法提高了解调精度。     

基于AD5933的葡萄糖水溶液阻抗分析系统

介绍了基于AD5933的阻抗检测原理和软硬件实现。系统设计采用阻抗测量芯片AD5933,以低功耗高性能处理器STC89C52单片机作为控制器。该检测仪采用AD5933中的数字频率合成器(DDS)产生激励信号,施加在待测阻抗上,ADC采集相应信号并送到片内DFT模块进行数字处理,测量结果通过I2C送至单片机,再由单片机与计算机上位机通信,计算机显示该阻抗值。该仪器能实现电阻、电容、电感阻抗快速、准确地测量,经实验验证,阻抗幅值和相位测量的相对误差较小,(电阻阻抗平均偏差为0.041 1,相位平均偏差为0.152°)。葡萄糖水溶液浓度与阻抗呈线性相关,相关系数大于0.99。     

基于FPGA的高性能三维电阻抗成像系统

构建以FPGA为核心控制器的两层32电极的高性能三维电阻抗成像系统,详细描述了系统的软硬件设计、系统性能测试及成像试验,图像重建采用共轭梯度算法。测试结果表明,系统测量精度达0.082%,系统空间分辨率达0.51%,信噪比达60.3 dB。在盛有盐水的实验盐水槽进行成像试验,结果表明该系统能够准确识别待测区域目标物的个数、位置、大小等信息。系统的构建为深入研究三维电阻抗成像等关键技术提供可靠的硬件平台。     

A review of electrical impedance tomography in lung applications: Theory and algorithms for absolute images

Electrical Impedance Tomography (EIT) is under fast development. The present paper is a review of some procedures that have contributed to improve spatial resolution and material properties accuracy, admitivity or impeditivity accuracy. A review of EIT medical applications is presented and they were classified into three broad categories: ARDS patients, obstructive lung diseases and perioperative patients. The use of absolute EIT image may enable the assessment of absolute lung volume, which may significantly improve clinical acceptance of EIT. The Control Theory, State Observers more specifically, have a developed theory that can be used for designing and operating EIT devices. Electrode placement, current injection strategy and electrode electric potential measurements strategy should maximize the number of observable and controllable directions of the state vector space. A non-linear stochastic state observer, the Unscented Kalman Filter, is used directly for reconstructing absolute EIT images. Historically, difference images were explored first since they are more stable in the presence of modelling errors. Absolute images require more detailed models of contact impedance, stray capacitance and properly refined finite element mesh, where the electric potential gradient is high. Parallelization of the forward program computation is necessary since the solution of the inverse problem often requires frequent solutions of the forward problem. Several reconstruction algorithms benefit from the Bayesian inverse problem approach and the concept of prior information. Anatomic and physiological information are used to form the prior information. An already tested methodology is presented to build the prior probability density function using an ensemble of CT scans and in vivo impedance measurements. Eight absolute EIT image algorithms are presented.     

基于最大期望算法的电阻抗成像系统的图像重建

电阻抗成像EIT(Electrical impedance tomography)技术利用不同媒质具有不同的电导率这一物理基础,通过测量目标场在一定电刺激下所呈现出的电特性,推导出目标场内部的电导率分布信息,进而推知该场中媒质的分布情况。EIT图像重建问题是一个非线性的病态逆问题,且测量系统往往存在噪声,使重建图像中存在伪影,传统的正则化方法对重建图像伪影的抑制能力有限。本文将一种统计学方法,即最大期望EM(expectation maximization)算法应用于EIT逆问题求解。它将EIT的数学模型转化为非负约束极小化问题,并通过梯度投影简化牛顿算法GPRN(gradient projection-reduced Newton iteration method)求解该问题。与传统的Tikhonov算法和共轭梯度算法CG(conjugate gradient)相比,有效地抑制了重建图像中伪影的产生。仿真和实验结果表明,EIT系统可以通过EM算法获得高质量的重建图像。     

基于同步测量的电阻抗层析成像系统研究

针对APT模式EIT系统存在的异步测量、结构复杂、调试困难等问题,研究设计了一种基于同步测量的电阻抗层析成像系统,从硬件和软件两个方面阐述了如何实现同步测量.系统硬件由PXI集成控制器、开关模块、数据采集模块和自制电流源组成,简化了系统结构,提高了系统的稳定性和精确度.本系统采用LabVIEW开发了专用软件包,实现了信号的同步采集,并用改进正则化算法重建了电导率分布图像.对比实验显示了同步测量和异步测量的差异,结果表明同步测量EIT系统图像更清晰,伪影更少,平均相对误差降低了48.99%.本文提供了一种可行的EIT系统同步测量方法,该方法适用于多电极(电极数≥16)场域的无损伤成像应用.     

基于不同尺度增强融合的视网膜血管分割算法

针对现有视网膜血管图像提取细小血管准确率较低的问题,提出了一种基于多尺度线性检测器与局部和全局增强相结合的视网膜血管分割方法.对多尺度线检测器进行研究,将其分为小尺度和大尺度两部分;利用小尺度对局部增强后的图像与大尺度对全局增强后的图像分别进行检测,得到不同尺度下的响应函数;将不同尺度下的响应函数进行融合,得到最终的视网膜血管结构.在STARE和DRIVE两个数据库上进行实验,结果表明:该算法得到的平均血管准确率分别达到96.62％和96.45％,平均真阳性率分别达到75.52％和83.07％,分割准确率高,能够得到较好的血管分割结果.     

基于最大似然估计准则的特征匹配点提纯算法

图像特征匹配的准确度直接影响着图像分析与处理的效率与性能,所以要对图像的特征匹配点进行提纯和过滤。首先使用SIFT算法从图像中提取显著特征,建立粗略的匹配关系,利用最近邻比策略初始化特征匹配点的匹配概率,然后基于混合模型的最大似然估计采用EM算法建立匹配点之间的空间转换模型。EM迭代收敛之后,通过其对应关系过滤掉错误的匹配点。实验数据表明,本方法提纯的平均精度可以达到96.8%,平均召回率为81.6%,平均时间消耗为3.1 s。采用该方法提取到的正确匹配点数高于其他算法,同时对包括大视角差、光线变化和仿射变换等大多数变换具有鲁棒性。     

Recycling Krylov subspaces for efficient large-scale electrical impedance tomography

Electrical impedance tomography (EIT) captures images of internal features of a body. Electrodes are attached to the boundary of the body, low intensity alternating currents are applied, and the resulting electric potentials are measured. Then, based on the measurements, an estimation algorithm obtains the three-dimensional internal admittivity distribution that corresponds to the image. One of the main goals of medical EIT is to achieve high resolution and an accurate result at low computational cost. However, when the finite element method (FEM) is employed and the corresponding mesh is refined to increase resolution and accuracy, the computational cost increases substantially, especially in the estimation of absolute admittivity distributions. Therefore, we consider in this work a fast iterative solver for the forward problem, which was previously reported in the context of structural optimization. We propose several improvements to this solver to increase its performance in the EIT context. The solver is based on the recycling of approximate invariant subspaces, and it is applied to reduce the EIT computation time for a constant and high resolution finite element mesh. In addition, we consider a powerful preconditioner and provide a detailed pseudocode for the improved iterative solver. The numerical results show the effectiveness of our approach: the proposed algorithm is faster than the preconditioned conjugate gradient (CG) algorithm. The results also show that even on a standard PC without parallelization, a high mesh resolution (more than 150,000 degrees of freedom) can be used for image estimation at a relatively low computational cost.     

基于约束模糊聚类的电力系统扰动信号识别方法

传统电力系统扰动信号识别方法只能解决单一扰动问题,无法对多个扰动信号进行高效率识别,为避免传统方法的弊端,提出了基于约束模糊聚类的扰动信号识别方法。计算拟合信号包络平均值,获取拟合信号和包络平均值之差,将差值作为新的拟合信号,获取最小特征尺度分量,不断进行模态分解,可将信号分解成若干个不同特征尺度函数。经过模态分解的信号满足路由信息协议标准,以新的稀疏向量为基础,对混叠的扰动信号进行特征提取。采用傅里叶变换描述扰动信号基本变化情况,计算电力系统中扰动信号的n阶导数,由此获取传输过程中的变换参数,得到采集点空间位置坐标系,依据该坐标系选择最优窗口标准,使用约束模糊聚类方法,将扰动信号全部聚类到中心位置。通过建立权值系数矩阵,设置迭代次数,并进行误差补偿,获取新的聚类中心,对抗噪声扰动信号进行有效识别。由实验结果可知,该方法最高识别精准度可达到98%,为电力系统正常运行提供支持。     

基于F P GA的泥浆电参数测量系统设计

针对石油测井过程中实时获取钻杆周围地层图像信息的问题,详细介绍了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的泥浆电参数测量系统设计和实现过程。整个系统采用模块化设计,主要包括FPGA控制器、幅度/相位检测器、信号调理电路以及直接数字频率合成信号发生器。该系统突破了传统测量泥浆电参数的思路,通过测量盛有泥浆的环形容器复阻抗的方式间接获取泥浆的电参数。实验结果表明,该系统满足了石油测井过程中的实际应用需要。     

电阻抗成像中Jacobi矩阵的一种快速仿真算法

电阻抗成像(FIT)是一种新兴的计算机重构成像技术，它根据物体内部不同物质的导电参数(如电阻率、电容率)的不同，通过对物体表面电流、电压的施加及测量来获知物体内部导电参数的分布，进而重构出反映物体内部结构的仿真图像。作为一种数学物理反问题，EIT技术具有其本身的特点和难点，因而目前还处于探索性研究阶段。而其中涉及到的Jaeobi矩阵计算是大多数EIT重构算法中最重要的环节之一。该文基于微分原理推导了一种该矩阵的快速仿真算法，与其它算法相比，本算法在计算速度和精度上都有很大提高，并且物理概念更清晰、适用范围更广。这对EIT技术走向实用化具有积极意义。