[发明专利]电容与超声层析成像多模态融合的三维变分方法

说明书

本发明属于多相流测量技术领域，尤其涉及一种电容与超声层析成像多模态融合的三维变分方法，包括：针对两相流体，采用电容层析成像方法，得到计算结果，以所述计算结果作为背景场，结合观测资料，建立后验状态的概率分布函数；假设观测资料、背景场的概率分布函数都服从高斯分布，计算出高斯分布假定条件下的后验模式状态概率分布函数，采用三维变分法，得到目标函数，结合背景场误差和观测场误差的不同权重，得到考虑权重的目标函数；采用共轭梯度法，对考虑权重的目标函数进行求解，得到最优状态估计值。本发明将三维变分方法应用于电容层析成像与超声层析成像融合，结合两种层析成像技术的优点，提高图像重建的整体分辨率。

技术领域

本发明属于多相流测量技术领域，尤其涉及一种电容与超声层析成像多模态融合的三维变分方法。

背景技术

电容层析成像(Electrical Capacitance Tomography，ECT)是20世纪80年代以来开始快速发展的新型多相流测量方法。其原理是依靠围绕被测区域的一组电极板来检测区域内物质浓度分布变化而引起的电容变化，利用图像重建算法再现多相流体在管道内某一截面上的分布状态。因其具有非干扰、非侵入、快速、廉价、无放射性和可视化等优点，近年来广泛应用于气/油、水/油、气/固等两相流动测量。

超声层析成像(Ultrasonic Computed Tomography,UCT)有能成像双组分流动的特点，能提供全工业过程中的化学介质量化和实时数据测量.主要的优点是能可视化在线监测和可以非侵入非接触对系统进行测量。超声传感器对声波变化的密度敏感，能测量其它方法不容易获得的物体的动态图像，能成像经常发生在石油工业中的油气水混合物的组分流动。超声层析成像能测量声阻抗的变化，声阻抗与介质的密度密切相关，因此能补充其它的层析成像技术，如电容和电阻成像。

ECT尝试重建感兴趣区域的介电常数分布。它对体积敏感而对细节和物质分布不敏感。获得的图像比较模糊，尤其是在相边界处非常模糊。UCT产生一个慢度分布的图像，获得的图像存在伪迹，但UCT对相边界比较敏感。二者在实际中得到的空间分辨率都很有限。在工业实时应用中，由于几何和时间限制，观测量的数目受到严重限制。如果没有已知的先验信息，稀疏的矩阵会导致较差的分辨率。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种电容与超声层析成像多模态融合的三维变分方法，包括：

步骤1：针对两相流体，采用电容层析成像方法，得到计算结果，以所述计算结果作为背景场，结合观测资料，建立后验状态的概率分布函数；

步骤2：假设观测资料、背景场的概率分布函数都服从高斯分布，计算出高斯分布假定条件下的后验模式状态概率分布函数，采用三维变分法，得到与所述后验状态的概率分布函数的最大似然估计等价的目标函数，结合背景场误差和观测场误差的不同权重，得到考虑权重的目标函数；

步骤3：采用共轭梯度法，对步骤2所得的考虑权重的目标函数进行求解，得到最优状态估计值，实现对两相流截面分布图像的重建。

所述步骤1具体包括：将采用由电容层析成像的快速投影方法得到的结果G来作为三维变分方法的背景场F_b，观测资料为T_O，背景场F_b和观测资料T_O的概率分布函数分别为P_b(F|F_b)和P_o(T|T_o)，

假定背景场误差、观测资料误差互不相关，则后验状态的概率分布函数为它们的联合密度函数，表达式为：

P(F,T)＝P_b(F|F_b)P_o(T|T_o) (1)

其中，F为超声成像重建参数，为待求变量；T为超声成像观测资料的真值。