多相流CT系统成像算法研究

论文摘要

多相流测量广泛地存在于石油、化工等工业领域,高精度、实时在线多相流测量对于生产过程安全高效地运行、控制与管理具有重要意义。CT技术通过扫描和图像重建算法,获取被检物场的断层图像。由于具有非侵入性、可视化、高清晰度等特点,该技术在医学领域和工业领域均获得广泛的应用。本文的主要研究内容是应用CT技术观测多相流的流型。文章首先对多相流测量技术、CT系统的基本理论及仿真建模进行了简要的叙述,之后重点对图像重建算法进行了研究。最后,通过图像处理方法,对重建图像进行了优化。主要从以下几个方面进行了研究。1)运用Geant4软件包对多相流CT系统进行仿真建模,模拟实现了射线在系统中作用的物理过程,并在原有基础上对多相流CT成像系统进行进一步优化设计,模拟了泡状流、层流、芯状流等多种流型。2)研究了传统的反投影重建(LBP)算法以及代数迭代(ART)算法,并在此基础上运用共轭梯度(CG)算法和同时迭代重建(SIRT)算法对仿真和实验数据进行了图像重建,有效提高了重建图像的分辨率。3)运用统计学方法进行图像重建,给出了两种最小交叉熵算法。与传统方法相比,该方法可以得到非负解和低噪声,不仅改进了重建图像质量,而且提高了实时性。4)由于重建算法及测量方法的局限性,需要对重建图像进行图像修复和图像增强处理,本文中主要运用了平滑滤波和锐化的方法,并对比了图像处理前后的变化。5)针对重建图像由于信息缺失而存在部分图像模糊的现状,提出两种信息扩充方法,分别对每个探测器阵列的投影数和整个探测器阵列进行扩充,使图像重建信息量增大。该方法有效克服了边缘伪影,降低了重建问题的病态性。最后,作者对多相流CT系统的仿真和图像重建方法提出了进一步改进的意见。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.2 多相流的基本理论及检测技术发展现状
• 1.2.1 多相流的概念及分类
• 1.2.2 多相流检测技术发展现状
• 1.3 CT 技术及成像算法简介
• 1.3.1 变换重建方法
• 1.3.2 级数展开重建方法
• 1.3.3 变换法与级数展开法相结合
• 1.4 本论文的主要研究内容
• 1.5 本论文的组织
• 第二章 多相流CT 系统仿真及成像原理
• 2.1 CT 系统的理论基础
• 2.1.1 射线与物质的相互作用
• 2.1.2 射线衰减规律
• 2.2 多相流CT 系统的仿真
• 2.2.1 多相流CT 系统结构
• 2.2.2 Geant4 仿真软件
• 2.2.3 多相流CT 系统仿真
• 2.3 多相流CT 系统结构优化
• 2.4 多相流CT 系统的物理模型
• 第三章 多相流CT 图像重建算法研究
• 3.1 CT 图像重建算法基础
• 3.1.1 投影
• 3.1.2 图像重建与Radon 变换
• 3.2 从投影重建图像
• 3.2.1 傅里叶重建——傅里叶切片定理
• 3.3 滤波反投影图像重建算法
• 3.3.1 扇形束图像重建算法
• 3.3.2 离散的直接反投影算法
• 3.4 代数迭代算法（ART）
• 3.5 同时迭代重建算法（SIRT）
• 3.6 共轭梯度算法（CG）
• 3.7 数值仿真结果
• 3.8 实验结果
• 第四章 统计学图像重建算法
• 4.1 交叉熵
• 4.2 加入先验估计的最小交叉熵方法
• 4.3 先验估计p 的选择
• 4.4 加权系数α的选择
• 4.5 数值仿真结果
• 4.6 实验结果
• 第五章 图像处理
• 5.1 图像的噪声分析
• 5.2 图像处理的基本方法
• 5.2.1 图像修复
• 5.2.2 图像增强
• 5.3 信息扩充算法
• 5.3.1 扩充探测器阵列上的投影数
• 5.3.2 扩充探测器阵列
• 5.3.3 同时扩充
• 5.4 平滑滤波
• 5.4.1 平滑线性滤波器
• 5.4.2 中值滤波器
• 5.4.3 维纳滤波器
• 5.5 锐化滤波
• 5.5.1 拉普拉斯算子
• 5.5.2 梯度算子
• 5.6 数值仿真结果
• 5.7 实验结果
• 第六章 总结与展望
• 6.1 系统的仿真和优化
• 6.2 图像重建算法
• 6.3 图像处理
• 6.4 总结与展望
• 6.4.1 工作总结
• 6.4.2 课题展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢