[發明專利]基于流型識別和變化靈敏度矩陣的EMT圖像重構方法

在審

• 申請號: 202211240859.0
• 申請日: 2022-10-11
• 公開（公告）號: CN115578479A
• 公開（公告）日: 2023-01-06
• 發明（設計）人: 黃國興;錢文情;孫峻濤;盧為黨;彭宏;張昱;徐禺昕
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: G06T11/00
• 分類號: G06T11/00
• 代理公司: 浙江千克知識產權代理有限公司 33246
• 代理人: 冷紅梅

一種基于流型識別和變化靈敏度矩陣的EMT圖像重構方法，首先，通過對k種不同流型的測量電壓數據樣本添加隨機噪聲得到每個流型各100個樣本總計共100k個流型樣本庫V和k個原始流型所對應的靈敏度矩陣S；其次借助壓縮感知理論中的正交匹配追蹤算法(OMP)分別求出測試樣本和標準樣本在過完備訓練樣本集V投影下的稀疏解，并計算測試樣本與所有標準樣本對應的稀疏解之間的線性相關系數，將線性相關系數最大值所對應的流型確定為測試樣本的歸屬流型；最后根據辨識出來的歸屬流型選擇對應的流型靈敏度矩陣進行圖像重建。本發明有效提高EMT系統的圖像重構精度。

技術領域

本發明屬于圖像處理技術領域，具體涉及一種基于流型識別和變化靈敏度矩陣的EMT圖像重構方法。

背景技術

電磁層析成像技術(Electromagnetic Tomography，EMT)是一種應用于多相流檢測的新型電學層析成像技術，其基于電磁感應原理通過對具有電導性和磁導性的材料在管道周圍的電學特性檢測來重建管道內目標物的分布情況。由于電磁層析成像技術具有非侵入性、非接觸性、安全性能佳和響應速度快等特點，近年來在工業過程控制、異物監測及生物醫學領域得到廣泛應用及發展。

EMT系統整體框架如圖1所示，EMT系統由傳感器陣列，數據包處理單元和計算機成像單元三部分組成。其中傳感器陣列包括激勵線圈和檢測線圈，激勵線圈作為激勵源產生勵磁信號，勵磁信號穿透被測物體產生時變磁場，時變磁場產生的渦流場再產生二次磁場，使檢測線圈中的電流與電壓產生變化，這些變化反映了目標物體內部電導率的分布情況，通過檢測線圈將反映物場變化的檢測信號發送至數據處理單元進行分析。數據處理單元也稱電子控制單元，其主要功能是接收檢測線圈上的電壓信號并通過解調濾波等手段將原始信號轉化為計算機可讀取的有效數據。計算機成像單元得到包含物場分布信息的數據信號后通過計算機進行圖像重建，復現被測物場的內部分布情況。作為電磁層析成像中最為復雜及關鍵的部分，如何快速準確重建被研究目標的復雜電導率分布是研究的主要問題。

近年來，針對EMT重建圖像精度的優化算法不斷被提出，諸如線性反投影(Linearback-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算法是提出時間最早的快速在線重建算法，由于其簡單快速的優點應用也最廣泛，但其局限性在于對復雜流型重建的圖像精度較低，所以基本應用于定性分析管道內流體的分布狀況。Tikhonov正則化算法是應用最普遍的解決病態逆問題的正則化算法之一，但其圖像重建效果對正則化參數的依賴性很強，較小的正則化參數可以對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法接受；而另一方面較大的正則化參數減小了解對誤差的敏感性，但所得到的近似解與真實值的偏離程度又較大，實際應用中應權衡二者加以選擇。因而如果參數合適，它將得到比LBP算法更好的結果，但是目前正則化參數的選擇基本依靠經驗值，準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求解EMT系統的不適定逆問題，因此也同樣存在對正則化參數的依賴問題。此外，TV是不可微的，通常使用近似來避免，但算法的平滑近似會影響重建圖像的質量，模糊尖銳的邊界。這種影響在一定程度上可以通過調節近似參數來降低，但同時又會導致算法收斂速度變慢，因而如何選擇正則化參數和控制TV近似參數以達到整體系統的平衡還需要進一步的研究探索。以上算法皆是通過調整EMT逆問題的解法來達到優化重建圖像質量的目的，但由于EMT系統的嚴重非線性、病態性和軟場特性，現有的這些算法優化程度非常有限，重建的圖像精度較低且對不同流型的重構效果不穩定，因而如何拓展優化思路和方向以更好解決圖像重建問題仍是目前EMT系統研究的主要重難點之一。

EMT的成像問題是通過測量傳感器陣列的檢測電壓和敏感場分布函數從而反向求解出電導率分布向量來解決的。一般成像問題的優化方向是提高反演問題的求解準確率，敏感場分布函數基本采用空場狀態下的靈敏度矩陣作為圖像重構的先驗條件。由于EMT系統的敏感場具有欠定性、病態性和軟場特性，其分布情況易受被測物場內介質的變化影響，因此固定的靈敏度矩陣無法很好地反映不同流型情況下的敏感場分布情況。

發明內容