[发明专利]一种接地网状态电极聚焦式电阻抗成像系统及方法

权利要求书

1.一种接地网状态电极聚焦式电阻抗成像系统的成像方法，所述的成像系统包括聚焦式电极阵列(2)、主电极激励电流源模块(3)、聚焦电极激励电流源模块(4)、主电极通道控制模块(5)、聚焦电极通道控制模块(6)、电压测量通道控制模块(7)、电压测量模块(8)、控制模块(9)和接地网状态电极聚焦式电阻抗成像算法模块(10)；所述的聚焦式电极阵列(2)均匀分布在三维接地网(1)周围，聚焦式电极阵列(2)中的主电极与主电极通道控制模块(5)的电极端连接，主电极通道控制模块(5)的电流输入端与主电极激励电流源模块(3)的电流输出端连接；聚焦式电极阵列(2)中的聚焦电极与聚焦电极通道控制模块(6)的电极端连接，聚焦电极通道控制模块(6)的电流输入端与聚焦电极激励电流源模块(4)的电流输出端连接；主电极同时与电压测量通道控制模块(7)的电压输入端连接，电压测量通道控制模块(7)的电压输出端与电压测量模块(8)的测量信号输入端连接；控制模块(9)的各个控制信号引脚分别与主电极激励电流源模块(3)的控制信号端、聚焦电极激励电流源模块(4)的控制信号端、主电极通道控制模块(5)的控制信号端、聚焦电极通道控制模块(6)的控制信号端、电压测量通道控制模块(7)的控制信号端、电压测量模块(8)的控制信号端及数据输出端连接；

所述的激励电流源电路共使用三路运算放大器，分别构成电压跟随电路、减法电路和正反馈电路；

场效应管由控制信号的电压和基准电阻下端的反馈电压共同控制，以达到压控恒流输出的目的；主电极激励电流源模块(3)和聚焦电极激励电流源模块(4)电路相同，电路中VCC_IN为直流5V电源输入，作为恒流源的供电电源；VP为主电极激励电流源的控制信号引脚，与控制器的主电极DAC输出通道相连；VP0为聚焦电极激励电流源的控制信号引脚，与控制器的聚焦电极DAC输出通道相连；Current+为主电极电流输出，与主电极通道控制模块(5)电路的电流输入端相连；Current0+为聚焦电极电流输出，与聚焦电极通道控制模块(6)电路的电流输入端相连；所述的聚焦式电极阵列(2)由电气上相互独立的多组聚焦式电极组成，每组聚焦式电极阵列由一个独立的主电极和两个聚焦电极组成；主电极位于聚焦式电极阵列的中间位置，两个聚焦电极分别位于聚焦式电极阵列的上下两端；多组聚焦式电极阵列(2)均匀分布在三维接地网(1)场域的外周，位于同一平面；每一个主电极都分别与主电极通道控制模块(5)的电流输出端以及电压测量通道控制模块(7)的测量信号输入端对应相连，每一个聚焦电极与聚焦电极通道控制模块(6)的电流输出端对应相连；主电极通道控制模块(5)控制主电极其中的一部分作为激励电极，用于向接地网场域注入激励电流信号，其余主电极作为检测电极，用于检测电压信号；聚焦电极作为激励电极，用于向接地网场域注入聚焦电流信号；

所述的成像方法工作过程如下：

1)电极阵列中的一个主电极在主电极通道控制模块的控制下，向三维接地网注入由主电极激励电流源产生的电流，同时，聚焦电极在聚焦电极通道控制模块的控制下，向三维接地网注入由聚焦电极激励电流源产生的电流，用于形成平行的电流屏蔽面；

2)主电极注入的电流在聚焦电极注入电流的束缚下，不存在垂直电流屏蔽面方向上的电流发散，主电极的电流在聚焦电极的两个电流屏蔽面之间形成了电流的流通界面；

3)未注入电流的主电极在电压测量通道控制模块的控制下，将电极的电压信号直接传输至电压测量模块，用于电压信号的检测处理；

4)控制模块控制电压测量模块将电压信号的模拟量转换为数字量，并由控制模块进行滤波处理，即得到电极聚焦式接地网场域边界电压测量值为V₀；

5)以电极聚焦式接地网场域内电阻率均匀分布作为电阻率分布的初始估计值ρ⁽⁰⁾，算电极聚焦式接地网场域电阻抗成像正问题获得的场域边界电压计算值，设牛顿-拉夫逊电极聚焦式接地网电阻率分布重建算法第k步迭代时，接地网场域内电阻率分布为ρ^(k)，计算正问题得到对应的接地网场域边界电压计算值为V_k，记为

(1)

6)将5)所得电极聚焦式接地网场域边界电压计算值为V_k与4)所得电极聚焦式接地网场域边界电压测量值V₀代入下式计算算法误差ε，即

(2)

7)从算法迭代次数与允许误差两方面判断算法是否满足结束条件；如果满足，算法返回电极聚焦式接地网场域内电阻率分布的最优值，否则进入步骤8)；

8)按下式修正电极聚焦式接地网场域内电阻率分布ρ^(k+1)，并返回至5)；

(3)

式中：δρ^(k+1)为修正量，按如下形式求解，即

(4)

式中：f′(ρ^(k))为电极聚焦式接地网场域内电阻率分布为ρ^(k)时对应的雅克比矩阵，即

（5）

9)输出电极聚焦式接地网场域内电阻率分布的最优值ρ^(k)，进行接地网场域归一化成像。