三投影钢管CT在线检测技术研究

论文摘要

钢管检测是保证其质量的重要环节。要提高钢管质量,必须对其进行在线检测和控制,以便实时校正生产中可能出现的各种偏差。目前已有的检测技术大多只能离线检测,并且功能单一,无法满足钢管在线全面检测的需要。本论文就是要利用射线检测的手段,通过对三投影钢管CT图像重建技术的研究,开发能够在线全面检测钢管各质量参数的检测系统,满足钢管生产的实际需要。钢管CT检测系统采用了三源三探测器的扫描方式,可以同时采集运动钢管同一截面上的三组投影数据,大大减少了投影数据的采集时间。在此基础上参照清华大学核技术应用实验室的CT装置建立了系统仿真平台,确定了钢管截面的模型和投影数据的获取方法,为下一步研究奠定了基础。模拟试验结果表明,无论解析算法还是迭代算法都无法在三组投影下重建出钢管的截面图像。为此我们利用钢管截面空间域和象素值域的先验知识,对迭代算法进行修正,实现了三组投影下钢管截面的图像重建。通过模拟试验和实际试验对几种修正迭代算法进行比较,发现MEEM算法具有最好的钢管截面重建效果。为了进一步提高算法的性能,我们提出了IMPEEM算法,该算法用收敛速度更快的PEEM算法代替EEM算法,并在迭代过程中使用了一些重建技巧,从而减少了图像重建时间,提高了截面检测精度。旋转极坐标法是一种图像重建技巧,它可以减少重建过程中的运算量,加快图像重建速度。把旋转极坐标法应用于钢管CT检测中,通过模拟试验和实际试验分别得到了少投影下钢管截面的重建图像。将所得结果与直角坐标算法的结果进行分析比较,明确了各自的适用范围和重建性能。之后介绍了一种DT图像重建算法并探讨了其可能的应用前景。分析CT系统空间分辨率的主要影响因素和计算方法。在此基础上根据待检钢管的精度要求,对CT系统的主要重建参数进行优化设计,并用蒙特卡罗方法进行模拟仿真试验,得到了更好的钢管截面重建效果。最后研究了重建参数与检测精度及重建时间的关系,并总结了参数选取的方法,对实际系统设计具有一定的指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 研究背景和意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 目的和意义
• 1.2 国内外研究动态
• 1.2.1 钢管概述
• 1.2.2 钢管检测技术
• 1.2.3 CT 图像重建技术
• 1.3 研究内容
• 第2章 钢管CT 在线检测系统的初步设计及仿真
• 2.1 钢管CT 检测系统的初步设计
• 2.1.1 CT 系统的扫描方式
• 2.1.2 检测系统的总体设计
• 2.1.3 检测系统的工作流程
• 2.2 钢管CT 检测系统的仿真
• 2.2.1 仿真平台概述
• 2.2.2 钢管截面模型
• 2.2.3 投影数据获取
• 2.3 本章小结
• 第3章 修正迭代算法重建钢管截面图像
• 3.1 算法修正前重建的截面图像
• 3.1.1 CT 图像重建算法
• 3.1.2 重建结果的分析比较
• 3.2 迭代重建算法的修正
• 3.2.1 钢管截面的先验知识
• 3.2.2 迭代重建算法的修正
• 3.2.3 修正迭代算法重建的截面图像
• 3.3 修正迭代算法的改进
• 3.3.1 截面图像重建技巧
• 3.3.2 PEEM 图像重建算法
• 3.3.3 IMPEEM 算法重建的截面图像
• 3.4 修正迭代算法相关问题分析
• 3.4.1 空间范围限制的影响
• 3.4.2 噪声的影响
• 3.4.3 投影数目的影响
• 3.4.4 钢管缺陷检测
• 3.5 本章小结
• 第4章 旋转极坐标法重建钢管截面图像
• 4.1 旋转极坐标法重建的截面图像
• 4.1.1 旋转极坐标法
• 4.1.2 仿真试验的结果
• 4.1.3 实际试验的结果
• 4.2 旋转极坐标法相关问题分析
• 4.2.1 钢管截面的极坐标图像
• 4.2.2 旋转极坐标法与修正迭代算法的比较
• 4.3 两组投影下的二值图像重建
• 4.3.1 二值图像重建算法
• 4.3.2 二值图像重建算法的应用
• 4.4 本章小结
• 第5章 钢管CT 在线检测系统的性能分析和优化设计
• 5.1 空间分辨率的影响因素
• 5.1.1 系统结构参数
• 5.1.2 图像象素尺寸
• 5.1.3 图像重建算法
• 5.1.4 空间分辨率的计算
• 5.2 检测系统的优化设计
• 5.2.1 钢管的精度要求
• 5.2.2 系统的优化设计
• 5.2.3 系统优化后重建的截面图像
• 5.3 系统重建参数的选取
• 5.3.1 重建参数的选取
• 5.3.2 图像重建时间
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果