基于磁声电效应的电导率成像方法研究

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电磁检测式磁声成像,也叫磁声电成像,是一种利用磁场、声场和电场三场耦合作用实现的非侵入式电导率成像方法。它适合对低电导率的流体或近似流体的声学介质进行电导率成像检测。可用于生物医学电阻抗成像、多相流过程层析成像和过套管电导率测井等领域。根据检测方法不同又分为电极检测式磁声电成像和线圈检测式磁声电成像两种模式。  本文在现有研究的基础上,针对电极检测式磁声电成像的正、逆问题展开研究,建立并完善了一套基于互易定理的磁声电成像正、逆问题的理论框架。在正问题研究中,以声波波动方程和麦克斯韦方程组为基础,研究了磁场、声场、电场相互作用的物理机制,利用互易定理推导了电极检测式磁声电成像正问题的积分表达式。针对电导率成像逆问题的,研究了求解第一类Fredholm积分方程的方法,借助波动方程的格林函数解和时间反转法实现了互易电流密度的重建。针对生物医学电阻抗成像、油水两相流电导率过程层析成像和电导率成像测井等领域的具体问题建立了磁声电成像的仿真模型,通过大量的理论推导和数值计算,验证了该方法的正确性和可靠性。  本文在理论上首次提出并完善了线圈检测式磁声电成像(也称为感应式磁声电成像)的互易定理,将感应式磁声成像和感应式磁声电成像两种互易的方法在理论上关联了起来。在正问题的研究中,分析了线圈检测式磁声电成像多物理场耦合的理论基础,利用低电导率介质中感应电场时空分离的特性,借助电磁场空间分量导出了描述互易定理的积分方程。在逆问题研究中,证明了线圈检测式磁声电成像的逆问题可以通过感应式磁声成像逆问题的求解方法进行求解,并通过数值仿真进行了验证。  将压缩感知算法引入到磁声电成像逆问题中来,利用正交匹配追踪算法在二维平面模型中重建了互易电流密度的旋度及其互易电流密度矢量的两个分量。研究了利用拟牛顿法和阻尼最小二乘算法从互易电流密度矢量及其旋度中重建电导率的方法;为了解决电导率成像逆问题的不适定性,同时也为了提高电导率成像的计算速度,研究了快速重建电导率的对数法、递推法等方法。  设计并制作了线圈检测式磁声电成像的实验验证系统。该系统包括同步触发控制与数据采集系统、超声激励系统、前置低噪声放大器、磁体与屏蔽式旋转扫描测试平台、检测线圈和电源系统六大部分。利用自制的电导率仿体进行了感应式磁声电成像实验,成像结果与仿体原始电导率分布基本吻合,验证了感应式磁声电成像方法的可行性。
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