基于γ射线CT及ECT的气液两相流成像系统

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气液两相流是一种较为常见的工业多相流体系,广泛存在于各种工业过程中。工业过程成像技术是两相流在线检测的重要工具。计算机层析成像技术(CT)作为一种成功的过程成像技术,在两相流成像领域有着广泛的应用前景。本课题组采用第三代CT系统结构,设计了一套适用于气液两相流的γ射线CT系统。为提高在线成像的实时性,同时开发了一套基于DSP与FPGA的电容层析成像系统(ECT)。本文的主要内容包括以下几点:(1)首先对两相流过程成像技术进行了概括,重点介绍了CT技术的发展历史和研究现状。并对γ射线CT系统的物理基础进行了详细分析,建立了扇形束CT系统的数学模型。同时利用Geant4软件对γ射线在气液两相流流体内的衰减过程、散射过程以及该CT系统的系统结构进行了仿真研究。结果表明,7源17探测器的系统结构可很好的满足两相流实时成像的要求。(2)提出了γ射线CT系统的构架方案,对CT系统的硬件系统进行了详细分析和设计。本系统使用300mCi的241Am源作为射线源,由17个CdZnTe探测器构成的探测器阵列作为光子接收器,并设计了专用的高斯脉冲滤波成形电路和FPGA计数器。同时使用C++语言编写了系统软件TJU_CT,并开发了ART算法、Landweber算法和CG算法进行图像重建。该系统信噪比高,软件界面友好,且具有较高的性价比。(3)对影响γ射线CT系统性能的各种噪声因素进行了分析,给出了消除噪声的方法,重点对系统的空间分辨率和计数值的统计性进行了讨论。实验表明,7源结构可以满足工业现场两相流的成像要求,这与仿真结果是一致的。在模型运动速度低于40mm/s时,该系统具有7mm的空间分辨率,成像速度为每秒33帧。本文还将有限角扫描模式引入到工业CT系统中,由实验结果可知,有限角扫描模式成像效果接近全扫描模式,从而使工业CT系统的应用更加灵活。为了消除动态重建图像中的模糊和条纹,引入小波域去噪方法对计数值进行处理,有效提高了动态图像质量。(4)研制了一套基于DSP和FPGA的16电极ECT系统,以实现对两相流体的实时成像。该系统由FPGA完成逻辑控制和数据解调功能;由DSP完成图像重建和数据通讯功能,降低了对计算机主机的依赖程度。开发了灵敏度系数算法和Landweber迭代算法,并进行了静态实验和动态实验。实验结果表明,该ECT系统具有10mm的空间分辨率,在线成像速度可达每秒416帧/秒,从而提高了两相流成像的实时性。CT/ECT双模态系统两种模态的对比实验表明,当流体运动速度较慢时,CT模态的空间分辨率高于ECT模态,但其成像速度远低于ECT模态。
中文摘要第3-5页
ABSTRACT第5-6页
第一章 绪论第11-19页
    1.1 工业两相流检测第11-14页
        1.1.1 工业两相流及其检测技术概述第11-12页
        1.1.2 工业过程成像技术第12-13页
        1.1.3 双模态成像技术第13-14页
    1.2 CT 发展历史第14-16页
        1.2.1 医学CT 发展历史第14-15页
        1.2.2 工业CT 发展历史第15-16页
    1.3 本文主要内容与创新点第16-19页
第二章 工业CT 系统原理第19-37页
    2.1 放射性计数的统计性第19-21页
    2.2 射线与物质的相互作用第21-24页
        2.2.1 γ光子与物质的相互作用第21-23页
        2.2.2 射线衰减规律第23-24页
    2.3 扇形束CT 原理第24-31页
        2.3.1 扇形束CT 的基本问题第24-28页
        2.3.2 扇形束投影重建算法第28-30页
        2.3.3 基于最优化思想的迭代方法第30-31页
    2.4 系统仿真第31-36页
        2.4.1 仿真模型的建立第31-33页
        2.4.2 射线衰减过程仿真第33页
        2.4.3 射线散射过程仿真第33-35页
        2.4.4 系统结构仿真第35-36页
    2.5 小结第36-37页
第三章 工业CT 系统硬件设计第37-51页
    3.1 系统方案第37-38页
    3.2 扇形结构第38-40页
        3.2.1 扇形束的构成第38-39页
        3.2.2 射线源与探测器的选用第39-40页
    3.3 前端电路第40-44页
        3.3.1 电荷灵敏前置放大器第40-42页
        3.3.2 CR 成形网络和反相驱动电路第42-44页
    3.4 后端电路第44-46页
        3.4.1 四阶低通滤波器第44-45页
        3.4.2 单道脉冲幅度分析器第45-46页
    3.5 FPGA 计数器第46-49页
        3.5.1 计数器方案的选用第46-48页
        3.5.2 FPGA 计数器开发流程第48-49页
    3.6 机电系统第49-50页
    3.7 小结第50-51页
第四章 系统软件设计与性能分析第51-65页
    4.1 系统软件设计第51-54页
        4.1.1 系统软件介绍第51-52页
        4.1.2 数据采集模块第52-53页
        4.1.3 图像重建模块第53-54页
    4.2 图像重建算法第54-58页
        4.2.1 ART 算法第54-55页
        4.2.2 Landweber 迭代算法第55-57页
        4.2.3 共轭梯度算法第57-58页
    4.3 系统性能分析第58-64页
        4.3.1 空间分辨率第58-60页
        4.3.2 噪声因素分析第60-62页
        4.3.3 伪迹第62-63页
        4.3.4 计数值的统计性第63-64页
    4.4 小结第64-65页
第五章 工业CT 系统实验第65-81页
    5.1 系统静态实验第65-69页
        5.1.1 实验准备工作第65页
        5.1.2 ART 算法实验第65-68页
        5.1.3 各算法对比实验第68-69页
    5.2 改变扫描模式实验第69-71页
    5.3 系统动态试验第71-75页
        5.3.1 动态模型成像第71-72页
        5.3.2 计数时间变化实验第72-74页
        5.3.3 运动速度变化实验第74-75页
    5.4 信号去噪与成像第75-79页
    5.5 小结第79-81页
第六章 ECT 系统设计第81-111页
    6.1 CT/ECT 双模态方案第81-82页
    6.2 ECT 系统的数学基础第82-87页
        6.2.1 ECT 系统原理第82-85页
        6.2.2 ECT 成像算法第85-87页
    6.3 ECT 系统硬件设计第87-92页
        6.3.1 ECT 系统结构第87-88页
        6.3.2 前端数据采集电路第88-90页
        6.3.3 后端信号处理电路第90-92页
    6.4 数据解调与算法实现第92-98页
        6.4.1 FPGA 正交序列解调第93-94页
        6.4.2 DSP 滤波解调第94-97页
        6.4.3 成像时间估计第97-98页
    6.5 ECT 系统软件设计第98-100页
        6.5.1 上位机系统软件设计第98-99页
        6.5.2 DSP 与FPGA 软件设计第99-100页
    6.6 ECT 系统性能测试第100-106页
        6.6.1 系统重复性测试第100-101页
        6.6.2 静态性能测试第101-102页
        6.6.3 动态性能测试第102-103页
        6.6.4 多频实验第103-106页
    6.7 CT/ECT 双模态实验第106-109页
    6.8 小结第109-111页
第七章 总结与建议第111-113页
    7.1 总结第111-112页
    7.2 建议第112-113页
参考文献第113-125页
发表论文和参加科研情况说明第125-127页
致谢第127页
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