复杂流场光学CT理论与实验研究

论文题目: 复杂流场光学CT理论与实验研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 光学工程

作者: 姚红兵

导师: 贺安之

关键词: 光学计算机层析,流场,重建理论,采样,融合

文献来源: 南京理工大学

发表年度: 2005

论文摘要: 本论文是以承担国防科工委重点预研跨行业综合技术项目——先进的气动测量和显示技术研究(复杂气动流场的光学层析技术研究)——为支撑,以解决复杂气动流场的三维层析测量与显示技术及装置研制为背景和目的,在南京理工大学信息物理与工程系完成的。光学计算机层析重建中,由于实际的流场测试中总是存在遮挡物以及观察窗口的限制,使投影数据很不完全,形成严重的不适定或严重病态,因此很难得到确定的解,致使非完全数据问题成为复杂流场CT测量的瓶颈,成为当今亟待解决但仍未解决的一条世界难题。本文在总结国内外光学计算机层析技术研究工作的基础上,着重对非完全数据下多方向干涉层析进行了理论和实验研究,对复杂气动流场的三维温度分布进行了重建和测试,研究工作主要包括以下四个方面: 1.在分析比较了各类光学计算机层析中图像重建的系列算法的基础上,创新地提出了引入属性矩阵和变超松弛系数的代数迭代法,在算法中引入了包含先验知识的属性矩阵,并摒弃了通常所采用的对超松弛系数人为的确定取法,采用了变超松弛系数,实测结果证明该算法是行之有效的,可以较大幅度地提高非完全数据条件下重建精度,减小误差。 2.利用F-P旋转干涉CT仪,首次将光学层析仪应用于飞机发动机叶片所产生的温度场的测试研究中,重建了飞机发动机叶片所产生的三维温度场的分布,为飞机发动机叶片的设计提供了参考。 3.在对待测场特征频谱分析的基础上,在保证重建精度的条件下,创新地提出了采样过程中如何根据相位场的具体特征频谱密度分布确定采样范围,选取采样过程中的有效信息量,从而指导采样过程中,根据相位场的具体特征频谱密度分布确定采样范围,达到在有限采样角仍包含尽可能多的特征频谱密度。通过采样范围的选定原则,只要充分利用待测场的特征频谱密度分布,即使在有限的采样角度范围内,仍可得到满足实际工程要求的重建精度。 4.针对非完全数据的重建方程本身的病态特点,结合计算流体力学(Computational Fluid Dynamics—CFD)和计算流动显示(Computational Flow Imaging—CFI)技术,创新地提出了虚拟实验和真实实验相融合(即CFD,CFI与OCT融合)的三维层析方法。根据实验条件获得有限角范围内的真实实验干涉图,缺失角度范围内的干涉图利用虚拟实验干涉图作为补充,两者进行初始匹配

论文目录:

摘要

Abstract

本文涉及的符号索引及缩写词含义

1 绪论

1.1 引言

1.2 三维流场光学层析术的回顾和发展现状

1.3 三维流场光学层析术存在的困难

1.4 本文的主要研究内容

1.5 本章小结

2 层析的数学理论基础

2.1 Radon变换及其反演

2.1.1 Radon变换

2.1.2 Radon逆变换及其局域特性

2.2 OCT中重建结果的质量评价参数

2.3 本章小结

3 流场中光学层析技术的实现

3.1 Gladstone-Dale公式

3.2 光学计算机层析技术在流场中的实现

3.3 本章小结

4 光学计算机层析中的重建算法研究

4.1 流场中重建算法的概述

4.2 非完全数据重建算法的研究

4.2.1 ART3算法

4.2.2 融入先验知识的基于扩展的最大熵原理重建算法

4.2.3 改进的代数迭代技术重建算法

4.2.4 基于ART3的交替迭代的代数重建方法

4.2.5 引入属性矩阵和变超松驰系数的代数迭代法

4.3 本章小结

5 采样过程中信息量的选取

5.1 OCT中影响重建精度的重建参数

5.2 信号的采样

5.2.1 限带函数

5.2.2 采样定理

5.2.3 光学CT中的采样间隔

5.2.4 采样方向数的选取

5.3 待测场的特征频谱

5.3.1 周期函数的简谐形式展开

5.3.2 函数的频谱分析

5.3.3 数值模拟流场中的频谱讨论

5.3.4 基于频谱密度分布的流场层析实验

5.4 本章小结

6 虚拟实验和真实实验相融合的三维非完全数据层析

6.1 光学流动显示技术及其简单回顾

6.2 光学流动显示的计算光学模型

6.3 虚拟实验和真实实验中的信息融合

6.3.1 信息融合系统的一般模型

6.3.2 信息融合系统的误差估计

6.4 虚拟实验和真实实验相融合的三维层析的实现

6.4.1 融合实现的途径

6.4.2 实例应用及分析

6.5 本章小结

7 总结与展望

致谢

攻读博士期间发表的论文

参考文献

发布时间: 2005-09-12

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