CN115079073B - 频率差分准静态磁感应成像方法、系统、设备以及介质 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种频率差分准静态磁感应成像方法、系统、设备以及介质，其方法包括，获取多个频率下的成像区域内的空气帧数据；当目标置于成像区域时，获取多个频率下的目标帧数据；通过求取空气帧数据和目标帧数据之间的差值，确定每个频率下的校准数据帧；对每个频率下的校准数据帧进行线性拟合，得到线性关系参数；依据线性关系参数并结合选取的任意一频率下的校准数据帧，得到标准背景帧；基于标准背景帧和校准数据帧，进行准静态成像。因此，本发明相较于现有的不能实现当前状态的成像，只能实现以当前为零点的变化状态的成像方式、以及试图进行当前状态的成像的实际效果不好且精度不高的方案，具有较大的进步和优异之处，具备一定的应用前景。

Description

频率差分准静态磁感应成像方法、系统、设备以及介质

技术领域

本发明涉及磁感应成像技术领域，尤其涉及一种频率差分准静态磁感应成像方法、系统、设备以及介质。

背景技术

现有磁感应成像和电阻抗成像技术都是动态成像，或者叫做时间差分成像。时间差分成像的问题是不能对测量对象的现状进行评估，而只能对测量对象随时间的变化进行评估。而在大部分情况下，需要对测量对象的现状进行评估。因此大量研究者对静态成像和准静态成像进行了研究。

由于测量精度的影响，对于静态成像的实现变得极其不易，即很难对目标的绝对阻抗分布进行成像。人们转而对空间相对阻抗分布进行成像，这就是所谓的准静态成像，频率差分成像就是一种准静态成像。有关准静态成像的现有技术一方面是进行频率的精确校准，实际上这很难实现，因此这种方法精度并不高；另一方面是通过软件校准，一般是按照频差的比例进行成像，但是实际效果也很差。

发明内容

（一）要解决的技术问题

鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种频率差分准静态磁感应成像方法、系统、设备以及介质，其解决了现有的准静态成像技术的精度和成像效果均不佳的技术问题。

（二）技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

第一方面，本发明实施例提供一种频率差分准静态磁感应成像方法，包括：

获取多个频率下的预设成像区域内的空气帧数据；

当目标置于所述成像区域时，获取所述多个频率下的目标帧数据；

通过求取所述空气帧数据和所述目标帧数据之间的差值，确定每个频率下的校准数据帧；

对所述每个频率下的校准数据帧进行线性拟合，得到线性关系参数；

依据所述线性关系参数并结合选取的任意一频率下的校准数据帧，得到标准背景帧；

基于所述标准背景帧和所述校准数据帧，进行准静态成像；

其中，所述预设成像区域形成有多个沿着圆周均匀分布的天线。

可选地，获取多个频率下的预设成像区域内的空气帧数据包括：

对第一天线进行激励，除所述第一天线之外的其他15个天线均作为检测端，15个天线检测到的第一频率下的数据和第二频率下的数据分别为：

f _1a_1_2、 f _1a_1_3、 f _1a_1_4、... f _1a_1_16；

f _2a_1_2、 f _2a_1_3、 f _2a_1_4、... f _2a_1_16；

再对下一个天线进行激励，其他天线15个也均作为检测端，15个天线检测到的第一频率下的数据和第二频率下的数据分别为：

f _1a_2_1、 f _1a_2_3、 f _1a_2_4、... f _1a_2_16；

f _2a_2_1、 f _2a_2_3、 f _2a_2_4、... f _2a_2_16；

依次对每一个天线进行激励，最终获得第一频率下的空气帧数据 f _1a和第二频率下的空气帧数据 f _2a；

其中，所述天线的数量为16个；所述多个频率包括第一频率和第二频率，在所述第一频率下和在所述第二频率下均可获得240个检测数据。

可选地，当目标置于所述成像区域时，获取所述多个频率下的目标帧数据包括：当目标置于所述成像区域时，执行所述获取多个频率下的预设成像区域内的空气帧数据的相同步骤，获得第一频率下的目标帧数据 f _1o和第一频率下的目标帧数据 f _2o。

可选地，通过求取所述空气帧数据和所述目标帧数据之间的差值，确定每个频率下的校准数据帧包括：

依据如下公式分别得到第一频率下的校准数据帧和第二频率下的校准数据帧：

f _1d= f _1o- f _1a；

f _2d= f _2o- f _2a。

可选地，对所述每个频率下的校准数据帧进行线性拟合，得到线性关系参数包括：

对于第一频率下的校准数据帧 f _1d和第二频率下的校准数据帧 f _2d进行线性拟合，通过如下公式得到包含斜率 a和截距 b的线性关系参数；

，

，

其中， m为测量样本数， n是天线数， m= n( n-1)。

可选地，依据所述线性关系参数并结合选取的任意一频率下的校准数据帧，得到标准背景帧包括：

依据所述斜率 a和所述截距 b并结合所述第一频率下的校准数据帧 f _1d，通过如下公式得到标准背景帧：

。

可选地，基于所述标准背景帧和所述校准数据帧，进行准静态成像包括：

依据所述标准背景帧

和第二频率下的校准数据帧 f _2d通过如下公式进行差分成像：

其中，  G为天线包围的区域的电导率分布矩阵， H是雅克比矩阵， λ是正则化参数， I是单位矩阵。

第二方面，本发明实施例提供一种频率差分准静态磁感应成像系统，包括：

数据获取模块，用于获取多个频率下的预设成像区域内的空气帧数据；也用于当目标置于所述成像区域时，获取所述多个频率下的目标帧数据；

校准数据帧确定模块，用于通过求取所述空气帧数据和所述目标帧数据之间的差值，确定每个频率下的校准数据帧；

线性拟合模块，用于对所述每个频率下的校准数据帧进行线性拟合，得到线性关系参数；

背景帧确定模块，依据所述线性关系参数并结合选取的任意一频率下的校准数据帧，得到标准背景帧；

准静态成像模块，用于基于所述标准背景帧和所述校准数据帧，进行准静态成像；

其中，所述预设成像区域形成有多个沿着圆周均匀分布的天线。

第三方面，本发明实施例提供一种频率差分准静态磁感应成像设备，包括：

至少一个数据库；

以及与所述至少一个数据库通信连接的存储器；

其中，所述存储器存储有可被所述至少一个数据库执行的指令，所述指令被所述至少一个数据库执行，以使所述至少一个数据库能够执行如上所述的一种频率差分准静态磁感应成像方法。

第四方面，本发明实施例提供一种计算机可读介质，其上存储有计算机可执行指令，所述可执行指令被处理器执行时实现如上所述的一种频率差分准静态磁感应成像方法。

（三）有益效果

本发明的有益效果是：本发明实现了一种基于依靠目标分布阻抗的频率响应的差异进行准静态成像（二维显示测量区域的电导率空间分布）的方法；其所公开的方案是通过多个频率来实现准静态成像，依据评估频率响应不同的检测目标的当前状态；如果要评估变化状态，仅需多次测量来比较即可。值得一提的是，本发明可以通过调整两个频率确定的基准斜率和截距，强化被测目标的单一状态；并通过分析线性关系的强弱，确定测量数据受干扰的程度。因此，本发明相较于现有的不能实现当前状态的成像，只能实现以当前为零点的变化状态的成像方式、以及试图进行当前状态的成像的实际效果不好且精度不高的方案，具有较大的进步和优异之处，具备一定的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种频率差分准静态磁感应成像方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种频率差分准静态磁感应成像方法的步骤S1的具体流程示意图；

图3为本发明实施例提供的一种频率差分准静态磁感应成像方法的一成像示意图。

图4为本发明实施例提供的一种频率差分准静态磁感应成像方法的另一成像示意图；

图5为本发明实施例提供的一种频率差分准静态磁感应成像系统的组成示意图。

【附图标记说明】

100：频率差分准静态磁感应成像系统；

110：数据获取模块；

120；校准数据帧确定模块；

130：线性拟合模块；

140：背景帧确定模块；

150：准静态成像模块。

具体实施方式

为了更好地解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

如图1所示，针对于现有的磁感应断层扫描用于通过测量交变一次磁场的扰动来重建复电导率分布的变化，本发明实施例提出的一种频率差分准静态磁感应成像方法，包括：首先，获取多个频率下的预设成像区域内的空气帧数据；其次，当目标置于成像区域时，获取多个频率下的目标帧数据；接着，通过求取空气帧数据和目标帧数据之间的差值，确定每个频率下的校准数据帧；再者，对每个频率下的校准数据帧进行线性拟合，得到线性关系参数；继而，依据线性关系参数并结合选取的任意一频率下的校准数据帧，得到标准背景帧；最后，基于标准背景帧和校准数据帧，进行准静态成像；其中，如图3所示，预设成像区域形成有多个沿着圆周均匀分布的天线。

本发明实现了一种基于依靠目标分布阻抗的频率响应的差异进行准静态成像（二维显示测量区域的电导率空间分布）的方法；其所公开的方案是通过多个频率来实现准静态成像，依据评估频率响应不同的检测目标的当前状态；如果要评估变化状态，仅需多次测量来比较即可。值得一提的是，本发明可以通过调整两个频率确定的基准斜率和截距，强化被测目标的单一状态；并通过分析线性关系的强弱，确定测量数据受干扰的程度。因此，本发明相较于现有的不能实现当前状态的成像，只能实现以当前为零点的变化状态的成像方式、以及试图进行当前状态的成像的实际效果不好且精度不高的方案，具有较大的进步和优异之处，具备一定的应用前景。

为了更好地理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

具体地，本发明提出一种频率差分准静态磁感应成像方法，包括：

S1、获取多个频率下的预设成像区域内的空气帧数据。

建立一个圆形的0-15号的16个个均匀分布的天线，以 f ₁=20Mhz、 f ₂=25Mhz为例，频率的选择可以根据检测目标的频率特性选择：两个频率分别在成像区域没有目标的状态下激励16个天线，获得240个 f _1a和240个 f _2a作为空气校准数据。

如图2所示，步骤S1包括：

S11、对第一天线进行激励，除第一天线之外的其他15个天线均作为检测端，15个天线检测到的第一频率下的数据和第二频率下的数据分别为：

f _1a_1_2、 f _1a_1_3、 f _1a_1_4、... f _1a_1_16；

f _2a_1_2、 f _2a_1_3、 f _2a_1_4、... f _2a_1_16；

S12、再对下一个天线进行激励，其他天线15个也均作为检测端，15个天线检测到的第一频率下的数据和第二频率下的数据分别为：

f _1a_2_1、 f _1a_2_3、 f _1a_2_4、... f _1a_2_16；

f _2a_2_1、 f _2a_2_3、 f _2a_2_4、... f _2a_2_16；

S13、依次对每一个天线进行激励，最终获得第一频率下的空气帧数据 f _1a和第二频率下的空气帧数据 f _2a。

其中，天线的数量为16个（本发明实施例不仅仅是针对16个天线，可以写成 n个天线，16个天线只是一个实现例子而已。也可以是8、12、24、32、48等等，甚至可以15个天线，仅需针对不同的天线数量进行相应调整即可）；多个频率包括第一频率和第二频率，在第一频率下和第二频率下均可获得240个检测数据。

S2、当目标置于成像区域时，获取多个频率下的目标帧数据。将含有针对 f ₁和 f ₂频率响应相同的背景和不同的扰动的目标同时放入检测区域，进行第二次与空气测量相同的检测，获得240个 f _1o和240个 f _2o。

步骤S2包括：

当目标置于成像区域时，执行获取多个频率下的预设成像区域内的空气帧数据的相同步骤，获得第一频率下的目标帧数据 f _1o和第一频率下的目标帧数据 f _2o。

S3、通过求取空气帧数据和目标帧数据之间的差值，确定每个频率下的校准数据帧。

步骤S3包括：

依据如下公式分别得到第一频率下的校准数据帧和第二频率下的校准数据帧：

f _1d= f _1o- f _1a；

f _2d= f _2o- f _2a。

S4、对每个频率下的校准数据帧进行线性拟合，得到线性关系参数。

步骤S4包括：

对于第一频率下的校准数据帧 f _1d和第二频率下的校准数据帧 f _2d进行线性拟合，通过如下公式得到包含斜率 a和截距 b的线性关系参数；

，

。

其中， m为测量样本数， n是天线数， m= n( n-1)。

S5、依据线性关系参数并结合选取的任意一频率下的校准数据帧，得到标准背景帧。

步骤S5包括：

依据斜率 a和截距 b并结合第一频率下的校准数据帧 f _1d，通过如下公式得到标准背景帧：

。

S6、基于标准背景帧和校准数据帧，进行准静态成像。参考图3和图4，图中的1是成像区域，2是目标背景，3是目标中的扰动。本发明目的是剔除成像区域中的目标背景的影响，显示出扰动的位置和影响力（注意这里不是结构面积大小的显示，是一个与背景影响力不同的区别显示。成像的大小是可以根据应用需要强调或者减弱。）

步骤S6包括：

依据标准背景帧

和第二频率下的校准数据帧 f _2d通过如下公式进行差分成像：

其中，  H是雅克比矩阵（该矩阵将电导率分布的变化映射到在天线区域中感应到的电压变化）， λ是正则化参数， I是单位矩阵。

在上述公式中， G为天线包围的区域的电导率分布矩阵，而区域边缘电压测量值矩阵为

；

则 V是 G的一个线性变换：用

；

已知 V求 G，则：

因为线性变换是对问题的简化，因此需要对上式进行正则化处理。这里 λ是正则化参数。最终得到：

。

如图5所示，本发明实施例还提供一种频率差分准静态磁感应成像系统100，包括：

数据获取模块110，用于获取多个频率下的预设成像区域内的空气帧数据；也用于当目标置于成像区域时，获取多个频率下的目标帧数据。

校准数据帧确定模块120，用于通过求取空气帧数据和目标帧数据之间的差值，确定每个频率下的校准数据帧。

线性拟合模块130，用于对每个频率下的校准数据帧进行线性拟合，得到线性关系参数。

背景帧确定模块140，依据线性关系参数并结合选取的任意一频率下的校准数据帧，得到标准背景帧。

准静态成像模块150，用于基于标准背景帧和校准数据帧，进行准静态成像。

其中，预设成像区域形成有多个沿着圆周均匀分布的天线。

此外，本发明实施例还提供一种频率差分准静态磁感应成像设备，包括：至少一个数据库；以及与至少一个数据库通信连接的存储器；其中，存储器存储有可被至少一个数据库执行的指令，指令被至少一个数据库执行，以使至少一个数据库能够执行如上所述的一种频率差分准静态磁感应成像方法。

以及，本发明实施例还提供一种计算机可读介质，其上存储有计算机可执行指令，可执行指令被处理器执行时实现如上所述的一种频率差分准静态磁感应成像方法。

综上所述，本发明公开一种频率差分准静态磁感应成像方法、系统、设备以及介质，本发明所公开的方案建立了一种多天线磁感应信号激励和采集系统，以多频率（至少2个频率）采集的空气帧数据 f _1a、 f _2a作为基准，并采集放置于采集系统测量区域的目标采集目标帧数据 f _1o、 f _2o。使用目标帧与空气帧的差值 f _1d= f _1o- f _1a、 f _2d= f _2o- f _2a为校准的数据帧。对于第二频率数下据帧 f _2d和第一频率下数据帧 f _1d进行线性拟合，计算出两个频率的斜率 a和截距 b。将第一频率的数据拟合后计算的标准数据（ f _1d*a+b）作为背景帧，进而，以第二频率的数据帧的差值[ f _2d-（ f _1d*a+b）]进行成像反演计算。

基于上述描述，可知本发明用一个频率的测量数据与另一个频率的测量数据的线性关系作为标准背景帧的，频率差值成像；并且本发明可以调整两个频率的线性关系值 a和 b，以便单一的显示目标的变化方向，由 f ₁生成的背景帧（ f _1d* a+ b）当中的 a和 b的调整，会突出 f ₂原数据与 f ₁生成的标准背景帧的正向变化部分，或者突出 f ₂源数据与 f ₁生成的标准背景帧的反向变化的部分。从而单一的强化目标中的感兴趣点。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征 “上”或“下”，可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”，可以是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”，可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种频率差分准静态磁感应成像方法，其特征在于，包括：

获取多个频率下的预设成像区域内的空气帧数据，所述多个频率包括第一频率和第二频率；

当目标置于所述成像区域时，获取所述多个频率下的目标帧数据；

通过求取所述空气帧数据和所述目标帧数据之间的差值，确定每个频率下的校准数据帧；

依据第一频率下的校准数据帧和第二频率下的校准数据帧进行线性拟合，得到线性关系参数；

依据所述线性关系参数并结合选取的任意一频率下的校准数据帧，得到标准背景帧；

基于所述标准背景帧和所述校准数据帧，进行准静态成像；

其中，所述预设成像区域形成有多个沿着圆周均匀分布的天线。

2.如权利要求1所述的一种频率差分准静态磁感应成像方法，其特征在于，获取多个频率下的预设成像区域内的空气帧数据包括：

对第一天线进行激励，除所述第一天线之外的其他15个天线均作为检测端，15个天线检测到的第一频率下的数据和第二频率下的数据分别为：

f_1a_1_2、f_1a_1_3、f_1a_1_4、...f_1a_1_16；

f_2a_1_2、f_2a_1_3、f_2a_1_4、...f_2a_1_16；

再对下一个天线进行激励，其他天线15个也均作为检测端，15个天线检测到的第一频率下的数据和第二频率下的数据分别为：

f_1a_2_1、f_1a_2_3、f_1a_2_4、...f_1a_2_16；

f_2a_2_1、f_2a_2_3、f_2a_2_4、...f_2a_2_16；

依次对每一个天线进行激励，最终获得第一频率下的空气帧数据f_1a和第二频率下的空气帧数据f_2a；

其中，所述天线的数量为16个；在所述第一频率下和在所述第二频率下均可获得240个检测数据。

3.如权利要求2所述的一种频率差分准静态磁感应成像方法，其特征在于，当目标置于所述成像区域时，获取所述多个频率下的目标帧数据包括：当目标置于所述成像区域时，执行所述获取多个频率下的预设成像区域内的空气帧数据的相同步骤，获得第一频率下的目标帧数据f_1o和第一频率下的目标帧数据f_2o。

4.如权利要求3所述的一种频率差分准静态磁感应成像方法，其特征在于，通过求取所述空气帧数据和所述目标帧数据之间的差值，确定每个频率下的校准数据帧包括：

依据如下公式分别得到第一频率下的校准数据帧和第二频率下的校准数据帧：

f_1d＝f_1o-f_1a；

f_2d＝f_2o-f_2a。

5.如权利要求4所述的一种频率差分准静态磁感应成像方法，其特征在于，对所述每个频率下的校准数据帧进行线性拟合，得到线性关系参数包括：

对于第一频率下的校准数据帧f_1d和第二频率下的校准数据帧f_2d进行线性拟合，通过如下公式得到包含斜率a和截距b的线性关系参数；

其中，m为测量样本数，n是天线数，m＝n(n-1)。

6.如权利要求5所述的一种频率差分准静态磁感应成像方法，其特征在于，依据所述线性关系参数并结合选取的任意一频率下的校准数据帧，得到标准背景帧包括：

依据所述斜率a和所述截距b并结合所述第一频率下的校准数据帧f_1d，通过如下公式得到标准背景帧：

f′_2d＝a×f_1d+b。

7.如权利要求6所述的一种频率差分准静态磁感应成像方法，其特征在于，基于所述标准背景帧和所述校准数据帧，进行准静态成像包括：

依据所述标准背景帧f′_2d和第二频率下的校准数据帧f_2d通过如下公式进行差分成像：

G＝(H^T×H+λ×I)^-1×H^T×(f_2d-f′_2d)

其中，G为天线包围的区域的电导率分布矩阵，H是雅克比矩阵，λ是正则化参数，I是单位矩阵。

8.一种频率差分准静态磁感应成像系统，其特征在于，包括：

数据获取模块，用于获取多个频率下的预设成像区域内的空气帧数据；也用于当目标置于所述成像区域时，获取所述多个频率下的目标帧数据，所述多个频率包括第一频率和第二频率；

校准数据帧确定模块，用于通过求取所述空气帧数据和所述目标帧数据之间的差值，确定每个频率下的校准数据帧；

线性拟合模块，用于依据第一频率下的校准数据帧和第二频率下的校准数据帧，得到线性关系参数；

背景帧确定模块，依据所述线性关系参数并结合选取的任意一频率下的校准数据帧，得到标准背景帧；

准静态成像模块，用于基于所述标准背景帧和所述校准数据帧，进行准静态成像；

其中，所述预设成像区域形成有多个沿着圆周均匀分布的天线。

9.一种频率差分准静态磁感应成像设备，其特征在于，包括：

至少一个数据库；

以及与所述至少一个数据库通信连接的存储器；

其中，所述存储器存储有可被所述至少一个数据库执行的指令，所述指令被所述至少一个数据库执行，以使所述至少一个数据库能够执行如权利要求1-7任一项所述的一种频率差分准静态磁感应成像方法。

10.一种计算机可读介质，其上存储有计算机可执行指令，其特征在于，所述可执行指令被处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述的一种频率差分准静态磁感应成像方法。

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