[發(fā)明專利]一種基于序貫蒙特卡洛原理的EMT圖像重建方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202111306336.7
• 申請(qǐng)日: 2021-11-05
• 公開（公告）號(hào): CN114373024A
• 公開（公告）日: 2022-04-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃國(guó)興;錢文情;盧為黨;彭宏;張昱
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G06T11/00
• 分類號(hào): G06T11/00
• 代理公司: 浙江千克知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 33246
• 代理人: 趙芳

一種基于序貫蒙特卡洛原理的EMT圖像重建方法，包括以下步驟：步驟一，EMT圖像重建過程建模；步驟二，初始化狀態(tài)空間；步驟三，狀態(tài)空間采樣及樣本權(quán)值更新：得到初始樣本空間后，對(duì)其進(jìn)行重要性采樣，根據(jù)樣本的觀測(cè)距離設(shè)置相應(yīng)的權(quán)重；步驟四，最優(yōu)狀態(tài)估計(jì)：基于獲得的粒子及其權(quán)重，計(jì)算系統(tǒng)的狀態(tài)空間估計(jì)，并通過迭代更新的方式搜索最優(yōu)解，最后作為全局最優(yōu)估計(jì)輸出進(jìn)行圖像重建。本發(fā)明在圖像誤差和相關(guān)系數(shù)方面優(yōu)于現(xiàn)有的其他方法，具有更好的成像質(zhì)量。因此，它是一種高效、準(zhǔn)確的EMT圖像重建方法，也為EMT技術(shù)的研究提供了一種新的方法和手段。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及多相流檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于序貫蒙特卡洛原理的EMT圖像重建方法。

背景技術(shù)

電磁層析成像技術(shù)(Electromagnetic Tomography，EMT)是一種應(yīng)用于多相流檢測(cè)的新型電學(xué)層析成像技術(shù)，其基于電磁感應(yīng)原理通過對(duì)具有電導(dǎo)性和磁導(dǎo)性的材料在管道周圍的電學(xué)特性檢測(cè)來(lái)重建管道內(nèi)目標(biāo)物的分布情況。由于電磁層析成像技術(shù)具有非侵入性、非接觸性、安全性能佳和響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，近年來(lái)在工業(yè)過程控制、異物監(jiān)測(cè)及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用及發(fā)展。

EMT系統(tǒng)整體框架如圖1所示，100為計(jì)算機(jī)，200是檢測(cè)線圈， 300是屏蔽層，400是勵(lì)磁線圈，EMT系統(tǒng)由傳感器陣列，電子控制單元和計(jì)算機(jī)成像單元三部分組成。其中傳感器陣列包括勵(lì)磁線圈和檢測(cè)線圈，勵(lì)磁線圈作為激勵(lì)源產(chǎn)生勵(lì)磁信號(hào)，勵(lì)磁信號(hào)穿透被測(cè)物體產(chǎn)生時(shí)變磁場(chǎng)，時(shí)變磁場(chǎng)產(chǎn)生的渦流場(chǎng)再產(chǎn)生二次磁場(chǎng)，使檢測(cè)線圈中的電流與電壓產(chǎn)生變化，這些變化反映了目標(biāo)物體內(nèi)部電導(dǎo)率的分布情況，通過檢測(cè)線圈將反映物場(chǎng)變化的檢測(cè)信號(hào)發(fā)送至電子控制單元進(jìn)行分析。電子控制單元也稱信號(hào)處理電路，其主要功能是對(duì)接收到的信號(hào)采用解調(diào)、濾波等處理手段將其轉(zhuǎn)化為能被計(jì)算機(jī)讀取的有效數(shù)據(jù)信號(hào)。計(jì)算機(jī)成像單元得到包含物場(chǎng)分布信息的數(shù)據(jù)信號(hào)后通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像重建，復(fù)現(xiàn)被測(cè)物場(chǎng)的內(nèi)部分布情況。作為電磁層析成像中最為復(fù)雜及關(guān)鍵的部分，如何快速準(zhǔn)確重建被研究目標(biāo)的復(fù)雜電導(dǎo)率分布是研究的主要問題。

近年來(lái)，已有多種基于EMT的重建算法被提出，諸如線性反投影(Linear back-projection,LBP)算法、Tikhonov正則化算法、全變分 (Total variation，TV)正則化算法等。其中LBP算法是提出時(shí)間最早的快速在線重建算法，由于其簡(jiǎn)單快速的優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用也最廣泛，但其局限性在于對(duì)復(fù)雜流型重建的圖像精度較低，所以基本應(yīng)用于定性分析管道內(nèi)流體的分布狀況。Tikhonov正則化算法是應(yīng)用最普遍的解決病態(tài)逆問題的正則化算法之一，但其圖像重建效果對(duì)正則化參數(shù)的依賴性很強(qiáng)，較小的正則化參數(shù)可以對(duì)原始問題給出好的近似解，但誤差的影響可能使得解在物理上無(wú)法接受；而另一方面較大的正則化參數(shù)減小了解對(duì)誤差的敏感性，但所得到的近似解與真實(shí)值的偏離程度又較大，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)權(quán)衡二者加以選擇。因而如果參數(shù)合適，它將得到比LBP算法更好的結(jié)果，但是目前正則化參數(shù)的選擇基本依靠經(jīng)驗(yàn)值，準(zhǔn)確并高效地確定其取值較難。全變分(TV)正則化算法與Tikhonov 正則化算法相似，同樣是通過正則化來(lái)求解EMT系統(tǒng)的不適定逆問題，因此也同樣存在對(duì)正則化參數(shù)的依賴問題。此外，TV是不可微的，通常使用近似來(lái)避免，但算法的平滑近似會(huì)影響重建圖像的質(zhì)量，模糊尖銳的邊界。這種影響在一定程度上可以通過調(diào)節(jié)近似參數(shù)來(lái)降低，但同時(shí)又會(huì)導(dǎo)致算法收斂速度變慢，因而如何選擇正則化參數(shù)和控制TV近似參數(shù)以達(dá)到整體系統(tǒng)的平衡還需要進(jìn)一步的研究探索。綜上所述，由于EMT系統(tǒng)的嚴(yán)重非線性、病態(tài)性和軟場(chǎng)特性，現(xiàn)有算法重建的圖像精度較低且對(duì)不同流型的重構(gòu)效果不穩(wěn)定，因而圖像重建問題仍是目前EMT系統(tǒng)研究的主要重難點(diǎn)之一。

發(fā)明內(nèi)容