基于p向量等差下降的電學(xué)層析成像Lp正則化重建方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電學(xué)層析成像技術(shù)領(lǐng)域，涉及利用Lp正則化方法實(shí)現(xiàn)圖像重建及 Gauss-Newton迭代方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 多相流指包含明顯分界面的流體系統(tǒng)，如含氣泡（液滴）的液體（氣體）、不混溶 的液體、含固體顆粒的氣體或液體等，它們經(jīng)常出現(xiàn)在動(dòng)力、化工、石油、核能、冶金工程等 過(guò)程中，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)與科學(xué)研宄有著十分重要的作用。多相流的流型指的是其管道中呈現(xiàn) 出的幾何與動(dòng)力特征各異的流動(dòng)形態(tài)，它可通過(guò)組分或相的形態(tài)來(lái)定性描述，兩相流中常 見(jiàn)的流型包括泡狀流、彈狀流、環(huán)狀流等。
[0003] 電學(xué)層析成像技術(shù)（ElectricalTomography，ET)是自上世紀(jì)80年代后期出 現(xiàn)的一種新的基于電特性敏感機(jī)理的過(guò)程層析成像技術(shù)，它的物理基礎(chǔ)是不同的媒質(zhì)具 有不同的電特性（電導(dǎo)率/介電系數(shù)/復(fù)導(dǎo)納/磁導(dǎo)率），通過(guò)判斷敏感場(chǎng)內(nèi)物體的電 特性分布便可推知該場(chǎng)中媒質(zhì)的分布情況。電學(xué)層析成像技術(shù)主要包括電阻層析成像 (ElectricalResistanceTomography,ERT)、電容層析成像（ElectricalCapacitance Tomography,ECT)、電阻抗層析成像（ElectricalImpedanceTomography,EIT)和電磁層析 成像（ElectricalMagneticTomography,EMT)。電學(xué)層析成像在多相流及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有 廣泛的應(yīng)用前景，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期、持續(xù)監(jiān)測(cè)。
[0004] 電學(xué)層析成像逆問(wèn)題（即圖像重建問(wèn)題）求解具有非線性。通過(guò)線性化處理，可 以將問(wèn)題轉(zhuǎn)化為線性逆問(wèn)題求解。針對(duì)逆問(wèn)題求解的不適定性，通常選取正則化方法處 理逆問(wèn)題。正則化方法的思想是尋找一個(gè)由先驗(yàn)信息約束的穩(wěn)定解集來(lái)逼近真實(shí)解。先 驗(yàn)信息的選取不同和正則化函數(shù)形式的不同使得正則化方法具有不同的應(yīng)用形式，例如 以解的2范數(shù)為正則化函數(shù)實(shí)現(xiàn)逆問(wèn)題的穩(wěn)定求解的L2正則化方法：Vauhkonen?M等人 在 1998 年發(fā)表于《IEEE醫(yī)學(xué)成像》（MedicalImaging,IEEETransactions)第 17 卷，第 285-293頁(yè)，題為《基于電阻抗層析成像的Tikhonov正則化及先驗(yàn)信息選擇》（Tikhonov regularizationandpriorinformationinelectricalimpedancetomography)的文 章；以解的1范數(shù)為正則化函數(shù)實(shí)現(xiàn)逆問(wèn)題穩(wěn)定求解的LI正則化方法：Jin，Bangti等人 在2012年發(fā)表于《工程中的數(shù)值計(jì)算》（InternationalJournalForNumericalMethods InEngineering)第89卷，第337-353頁(yè)，題為《基于稀疏正則化的電阻抗層析成像重建 算法》（Areconstructionalgorithmforelectricalimpedancetomographybasedon sparsityregularization)的文章。
[0005] 但是采用L2正則化求解逆問(wèn)題所得解會(huì)出現(xiàn)過(guò)光滑現(xiàn)象，所成圖像具有較大的 尾影；而L1正則化對(duì)具有光滑物體分布的場(chǎng)域所求解會(huì)出現(xiàn)過(guò)稀疏的問(wèn)題，不能充分體 現(xiàn)場(chǎng)域物體的真實(shí)大小，因此引入以P范數(shù)為正則化函數(shù)的Lp正則化方法（一般在電 學(xué)層析成像中取pe[1，2])。DaubechiesI等人于2004年發(fā)表于《數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)》 (CommunicationsonPureandAppliedMathematics)第 57 卷，第 1413-1457 頁(yè)，題為 《針對(duì)線性逆問(wèn)題稀疏約束的迭代閾值算法》(Aniterativethresholdingalgorithmfor linearinverseproblemswithasparsityconstraint)的文章提供了求角軍Lp正貝丨」化 的迭代算法。張玲玲等人于2013年發(fā)表于《多相流檢測(cè)與儀器儀表》（FlowMeasurement andInstrumentation)第33卷，第244-250頁(yè)，題為《電阻層析成像逆問(wèn)題迭代閾值算 法〉〉（Aniterativethresholdingalgorithmfortheinverseproblemofelectrical resistancetomography)的文章將迭代閾值算法應(yīng)用于電阻層析成像中，并對(duì)p= 1. 5時(shí) 的成像結(jié)果進(jìn)行討論，驗(yàn)證了方法的有效性。
[0006] 然而現(xiàn)有研宄中，利用Lp正則化進(jìn)行電學(xué)層析成像逆問(wèn)題求解通常對(duì)整個(gè)場(chǎng)域 選擇一個(gè)固定的P值，且不同物體分布的場(chǎng)域需要給定不同的P值，以獲得更好的穩(wěn)定解。 這種方法忽略了不同物體分布的場(chǎng)域的空間特性，不能突出場(chǎng)域自身的特點(diǎn)，且P值的調(diào) 節(jié)給問(wèn)題的求解帶來(lái)額外的工作量，不利于方法的推廣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提出一種電學(xué)層析成像Lp正則化 重建方法，本發(fā)明以Lp正則化為基礎(chǔ)，結(jié)合Gauss-Newton迭代，解決了L2正則化解過(guò)光滑 而L1正則化解過(guò)稀疏的問(wèn)題，提高電學(xué)層析成像逆問(wèn)題的求解精度和圖像重建質(zhì)量。本發(fā) 明的技術(shù)方案如下：
[0008] 一種基于P向量等差下降的電學(xué)層析成像Lp正則化重建方法，適用于泡狀流層析 成像，該方法將電學(xué)層析成像問(wèn)題看作一個(gè)線性不適定問(wèn)題Ax=b，其中A為靈敏度矩陣， b為相對(duì)邊界測(cè)量值向量，x為與場(chǎng)域物質(zhì)電特性分布對(duì)應(yīng)的成像灰度值向量，稱(chēng)其為解向 量，采用Lp正則化逆問(wèn)題求解的方法進(jìn)行圖像重建。其特征在于，
[0009] 利用Gauss-Newton迭代進(jìn)行Lp正則化逆問(wèn)題求解的每步迭代中根據(jù)所得解更新 由圖像中各個(gè)像素點(diǎn)上的P值構(gòu)成的P向量，得到具有場(chǎng)域物體空間分布特性的P分布，最 終完成計(jì)算獲取重建圖像，步驟如下：
[0010] (1)根據(jù)對(duì)被測(cè)場(chǎng)域的測(cè)量，獲取重建所需的相對(duì)邊界測(cè)量值向量b和靈敏度矩 陣A;
[0011] ⑵建立Lp正則化的目標(biāo)函數(shù)；
[0012] (3)設(shè)置初始化參數(shù)：解向量x的初始值0，p向量初始值pf2，p向量終止 值Pst〇P= 1 ;設(shè)定迭代次數(shù)N ;
[0013] (4)計(jì)算等差下降因子a= (PcrPst()p)/N;
[0014] (5)利用Gauss-Newton迭代公式進(jìn)行求解；
[0015] (6)利用所求解更新p向量：判斷解向量中各個(gè)元素是否為零，若是則對(duì)應(yīng)像素點(diǎn) 的P值保持前一步P值不變；若否，則對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的P值更新為前一步P值與等差下降因子 的差；
[0016] (7)判斷迭代是否完成，若是則迭代終止，進(jìn)行下一步操作，若否，則跳回第（5)步 繼續(xù)求解；
[0017] (8)根據(jù)最終求解所得灰度值，進(jìn)行成像。
[0018] 作為優(yōu)選實(shí)施方式，所述的Lp正則化的目標(biāo)函數(shù)為：minF⑴= ||A-Z|+l||xp，其中 入> 0是正則化系數(shù)，N? 11為歐幾里得范數(shù)，P向量滿足任一元素屬于[1，2];考慮到p =1時(shí)目標(biāo)函數(shù)不可微，利用
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于P向量等差下降的電學(xué)層析成像Lp正則化重建方法，適用于泡狀流層析 成像，該方法將電學(xué)層析成像問(wèn)題看作一個(gè)線性不適定問(wèn)題Ax=b，其中A為靈敏度矩陣， b為相對(duì)邊界測(cè)量值向量，x為與場(chǎng)域物質(zhì)電特性分布對(duì)應(yīng)的成像灰度值向量，稱(chēng)其為解向 量，采用Lp正則化逆問(wèn)題求解的方法進(jìn)行圖像重建。其特征在于， 利用Gauss-Newton迭代進(jìn)行Lp正則化逆問(wèn)題求解的每步迭代中根據(jù)所得解更新由圖 像中各個(gè)像素點(diǎn)上的P值構(gòu)成的P向量，得到具有場(chǎng)域物體空間分布特性的P分布，最終完 成計(jì)算獲取重建圖像，步驟如下： (1) 根據(jù)對(duì)被測(cè)場(chǎng)域的測(cè)量，獲取重建所需的相對(duì)邊界測(cè)量值向量b和靈敏度矩陣A; (2) 建立Lp正則化的目標(biāo)函數(shù)； (3) 設(shè)置初始化參數(shù)：解向量x的初始值Xdi0,p向量初始值p(!= 2,p向量終止值 pst()p= 1 ;設(shè)定迭代次數(shù)N; ⑷計(jì)算等差下降因子a= (PcrPstop)/N; (5) 利用Gauss-Newton迭代公式進(jìn)行求解； (6) 利用所求解更新p向量：判斷解向量中各個(gè)元素是否為零，若是則對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的p 值保持前一步P值不變；若否，則對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的P值更新為前一步P值與等差下降因子的 差； (7) 判斷迭代是否完成，若是則迭代終止，進(jìn)行下一步操作，若否，則跳回第（5)步繼續(xù) 求解； (8) 根據(jù)最終求解所得灰度值，進(jìn)行成像。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于p向量等差下降的電學(xué)層析成像Lp正則化重建方法，其 特征在于，所述的Lp正則化的目標(biāo)函數(shù)為：= ||也-Z>|g+l|.r|t其中A> 〇是正則化 系數(shù)，N?II為歐幾里得范數(shù)，P向量滿足任一元素屬于[1，2];考慮到p= 1時(shí)目標(biāo)函數(shù) 不可微，利月
'近似上述的目標(biāo)函數(shù)，其中n為解向量x的維 數(shù)，j為從1到n的計(jì)數(shù)整數(shù)，Xj為解向量x中第j個(gè)元素，0是微小的可調(diào)參數(shù)，滿足0 > 0〇
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于p向量等差下降的電學(xué)層析成像Lp正則化重建方法，其 特征在于：利用Gauss-Newton迭代公式為： Xk= X k_「[ ▽ Wxh) rv F(x H) 其中k是當(dāng)前的迭代次數(shù)，滿足1 <k<N;xk是第k次迭代得到的解，xH是第（k-1) 次迭代得到的解；▽FUh)為當(dāng)x=Xh時(shí)目標(biāo)函數(shù)的一階微分，▽ ^(Xh)為x=Xh時(shí) 目標(biāo)函數(shù)的二階微分，分別通過(guò)下面兩個(gè)公式獲得：
其中Ph是前一步即第（k_l)次迭代更新獲得的p向量；diag( ?)是通過(guò)向量構(gòu)造對(duì) 角陣的函數(shù)，向量的各個(gè)元素構(gòu)成對(duì)角陣的對(duì)角元素，對(duì)角陣的非對(duì)角元素均為零。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種基于p向量等差下降的電學(xué)層析成像Lp正則化重建方法，適用于泡狀流層析成像，利用Gauss-Newton迭代進(jìn)行Lp正則化逆問(wèn)題求解的每步迭代中根據(jù)所得解更新由圖像中各個(gè)像素點(diǎn)上的p值構(gòu)成的p向量，得到具有場(chǎng)域物體空間分布特性的p分布，最終完成計(jì)算獲取重建圖像，步驟如下：獲取重建所需的相對(duì)邊界測(cè)量值向量b和靈敏度矩陣A；建立Lp正則化的目標(biāo)函數(shù)；計(jì)算等差下降因子；利用Gauss-Newton迭代公式進(jìn)行求解；在每次迭代中，利用所求解更新p向量；成像。本發(fā)明有利于電學(xué)層析成像逆問(wèn)題的精確求解，提高圖像重建質(zhì)量。
【IPC分類(lèi)】G01N27-08
【公開(kāi)號(hào)】CN104614411
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510084393
【發(fā)明人】許燕斌, 裴仰, 董峰
【申請(qǐng)人】天津大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年5月13日
【申請(qǐng)日】2015年2月16日