基于matlab的电磁层析成像系统灵敏度仿真计算

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1、第一章绪论第一章绪论本论文的主要研究对象为电磁层析成像技术（EMT），隶属于过程层析成像技术中的电学层析成像技术[1]。本论文的主要工作为EMT系统设计的正问题计算推导及仿真的研究，借助MATLAB软件编程与仿真计算，解决了计算截面成像系统的一个重大课题---灵敏度的计算、推导与分析。1.1过程层析成像技术过程层析成像技术[2]（ProcessTomography,缩写为PT）是计算机研究领域与电学检测方法发展相互融合的产物，其研究的目的在于借助不直接接触、不侵入物场的途径实现被测区域的介质分布测量，并以分布灰度图像的形式直观呈现出来，其技术创意来源于医学

2、中的CT成像技术，当今高速发展的电子技术、电路集成工艺技术、计算机技术为数字信号的高速处理提供了有利条件，使得PT技术的硬件实现成为可能，因此，PT技术又被称为“工业CT”[2]。过程层析成像技术已经经历了近几十年的发展，技术逐步趋于成熟化，目前已经有数量不菲的电学成像案例在实际应用中出现了，尤其是在化工石油行业，其专门设计的传感器阵列以不直接接触、电学感应的方式接收到包含物场分布信息的检测信号；对检测信号经过一定信号处理并通过一定的逆向算法可实现物场区域的介质分布重建成像，射线手段、声学手段、电学手段都是常见的激励检测手段[3]。过程层析成像具备了不直接

3、接触、不侵入物场、不影响待测物场运行、设备构造较简单，成像速度响应快、能够优化系统设计等优点。不同设计原理、不同硬件构造的过程层析成像系统凭借自身的技术优势，在实验室研究和工业应用中已经取得了丰硕的成果。1.1.1过程层析成像技术的发展进程1895年1月5日，来自德国的著名学家仑琴发现了人类历史上第一条射线，同年12月22日，伦琴为自己的妻子拍摄了第一张人体手部的X射线照片，这可以视为过程层析成像技术的前身[4]。1920年，苏联科学家萨卡洛夫开始了声学成像技术的研究，并于20世纪30年代研制成功了用于液位成像的声学成像系统[5]。1第一章绪论1940年，

4、英国科学家斯普隆勒研制成功了全球第一台反射式超声波探伤系统，实现了超声检测的集成化设计[6]。1972年，英国电子科学家GT.霍菲尔德发明了全球第一个过程层析成像平台——CT（ComputedTomography）机，由此揭开了过程层析成像技术系统化设计的序幕[7]。1975年，可用于人体全方位检测的CT机进入了商用化阶段。我国医疗系统于1977年也开始逐渐引进了多套CT扫描系统，用于医学研究和检测[8]。同时，诸多科学家投身到CT或者说成像技术的工业应用中。但是，当时的微电子技术水平根本不可能达到如此高速、高精度的计算要求，电学成像难以实现；CT成像复杂

5、的构造、庞大的设备、高昂的价格使得其工业应用之路也面临不可逾越的障碍。1985年，英国曼彻斯特理工大学的Beck教授带领其课题组尝试了包括电学、超声波、红外线等多种技术手段，首次提出了“流体成像”的概念，开始涉足工业设计中的两相流的分相检测课题。随即，欧洲及美国的一些科研机构和高效开展了该领域的课题研究[9]。1990年，该系统的电极数量由8枚增加到12枚，并采用了阵列处理器以增强其系统数字处理的实时性，系统的可行性和可靠性在实际油水两相流实验中得到了验证[11]。与此同时，曼彻斯特理工大学的研究学者也就电阻层析成像技术（ERT）开展了研究工作。20世纪9

6、0年代初，过程层析成像技术的巨大潜力和应用价值被进一步认可，欧共体科学技术委员会评估通过了一项为期四年的“欧洲共同体过程层析成像技术联合研究行动计划”项目，此项目将各个学科领域的专家学者集中到一起研究，大大加快了该技术的研究进程。进入21世纪，过程层析成像技术更是应用广泛：超声成像、电学成像去的开创性进展，成像样机纷纷研制成功；CT、核磁共振技术升级换代，成像精度及可靠性日益完备；而且，各种原理的PT设备在发挥各自优势的基础上开始呈现融合趋势，开始出现多模态的成像系统。1999年，在IEEE组织下，全球工业过程层析成像大会（WorldCongressonI

7、ndustrialProcessTomography，缩写为WCIPT）开始定期召开。其中，第六届全球工业过程层析成像大会与2010年9月5号在中国北京召开[13]。2第一章绪论1.1过程层析成像技术的分类过程层析成像技术按照激励和检测手段的不同，可以分为三大类：射线辐射式、声学式、电学式。具体说来，目前的主流代表性技术主要有X-CT技术、核磁检测共振技术、超声层析检测技术和电学断面成像技术等[14]。X-CT技术[15]，全称为“基于X射线的CT机断面成像科技”，该方案将X射线作为测试手段。因为人体的不同组织对于X射线的吸收效果不一，故，利用X射线发射装

8、置旋转扫描人体，其发射--检测角度的电光子探测器所接收到的射线辐射