多频电阻抗成像系统设计及成像算法优化

作     者：李文聪 

作者单位：天津工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：汪剑鸣;窦汝振

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：电阻抗成像系统 多频激励测量 现场可编程门阵列 最大期望算法 图像重建 

摘      要：电阻抗层析成像(Electrical Impedance Tomography, EIT)技术是近几十年才出现的新一代无损检测技术。由于该技术具有无辐射、非侵入、响应快、结构简单以及成本低廉等优点,在医学临床监护和工业测量等领域具有广阔的应用前景。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,传统的图像重建方法对重建图像伪影的抑制能力有限。为此,本文提出了一种基于最大期望算法的EIT图像重建算法。将一种统计学方法,即最大期望(Expectation Maximization, EM)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(Gradient Projection-reduced Newton iteration method, GPRN)求解该问题。同时还讨论了算法的参数选择方法。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。与传统的图像重建方法相比,EM算法可有效地抑制重建图像中伪影的产生,提高重建图像的质量。此外,目前大多数EIT系统都是单频EIT系统。因为被测物场物质结构复杂,不同物质对频率响应的敏感度不同,因此单一频率激励下EIT系统获得的信息量有限,无法真实的反映出被测物场中电阻抗的分布。针对该问题,本文设计了一种基于FPGA的多频EIT系统。该系统包括硬件部分和软件部分。系统硬件部分以FPGA为控制核心,由干簧管继电器构成的矩阵结构多路选通模块完成通道选择任务,提高了选通速度。基于数字乘法器实现相敏解调,并通过IIR滤波器对相敏解调信号进行滤波,提高了解调速度及精度。系统的软件部分采用Lab View软件环境设计,主要实现对硬件系统的控制及成像的功能。通过实验验证,该系统具有较高的系统信噪比和良好的通道一致性,有效地拓宽了频率测量的范围,可获得多个激励频率下的实部、虚部信息,全面反映了被测物场的阻抗分布。