光学CT诊断技术图像重建算法研究-热能工程专业论文.docxVIP

华中科技大学博士学位论文摘 华中科技大学博士学位论文 摘 要 随着科学技术的发展，对物理量场的测量要求越来越高，不仅要能实现动态场测量， 而且还要能实现计算机实时数据采集和处理，实现测量结果的三维直观显示。目前，真 正能实现场分布测量的可以说只有层析技术。 光学层析技术是建立在激光扫描测量和计算机信息处理及图像显示这两个现代高 技术基础上的一项新颖诊断技术。它采用激光对透明介质的某一断面进行多方位扫描测 量，通过计算机信息处理后，将这一断面的物理量图像显示出来。其突出的优点是在不 干扰被测场分布的情况下，高精度地测量出某一层面的瞬态物理量分布，并将其直观地 显示出来。正因为如此，光学层析技术越来越受到广泛的重视，在许多领域中具有非常 广阔的应用前景。 层析技术的核心内容是重建算法。重建算法大致可以分为两大类，即变换法和级数 展开法。卷积反投影法要求对所拍摄的物场进行180度范围内的全方位扫描，它需要长 时间采集大量数据，使得其应用受到严重限制。代数迭代法适用于“非完全数据”的图 像重建，在瞬态场测量中显示出巨大优越性，许多学者在此基础上提出了多种形式的改 进算法，如：联合代数重建法、神经网络重建法、最大熵重建法、乘代数重建法等。其 中，联合代数重建法通过改进误差修正计算，克服了代数重建法的图像模糊及效率不高 的缺点，因而得到不断发展和完善，是当前最常用的重建算法。 目前，基于经济和实用考虑，光学层析技术正在向少数投影和有限角方向发展。然 而，当投影方向数减少时，联合代数重建法存在明显的边缘效应，不能精确地重建出原 物理量场。尽管通过采用多种约束条件和优化准则，也能达到一定的精度要求，但由于 数据处理耗时过长，无法实现动态场的实时监控，严重阻碍了层析技术的实用化发展， 为此我们提出了三种新算法。 (1)神经网络重建法。它将两种神经网络模型套用进行图像重建，且将图像重建问题 转化为神经网络优化计算，利用Hopfield网络将峰值函数最小和最小方差两种优化准则 转化为该模型的能量函数，并应用ADALINE网络调整各准则在能量函数中所占的比重， 从而求取图像重建的最优解。将其应用于少数投影图像重建，体现出重建精度高、收敛 华中科技大学博士学位论文快等特点，是一种很有发展前途的重建算法。 华中科技大学博士学位论文 快等特点，是一种很有发展前途的重建算法。 (2)改进的联合代数重建法。该算法将穿过像素的射线长度和像素的灰度值综合考虑 进误差分配公式。有效地抑制了联合迭代重建法的边缘效应．同时，还设计了实际测量 的信息处理方法，避免像素值“囚于”零处，使得重建精度大大提高。即使在少数投影 有限角图像重建中，通过选择合适的投影方向．也能达到最大误差不大于5％，平均误 差不大于l％的重建效果。 (3)频谱分析重建算法。其基本思想是利用二维傅里叶级数的各正交基函数的投影向 量，去逼近图像函数的投影向量，并利用最小二乘优化准则，得到各函数投影向量的权 系数，即各正交基函数的傅里叶系数，再经过二维傅里叶反变换即可重建出原始的图像 函数。计算机数值摸拟表明，此方法快速、有效。 在此基础上，我们设计了实用光学层析诊断技术重建算法，它以固定近似阶数的频 谱分析重建算法为初级算法、以改进的联合代数重建法为二级算法，能够实现复杂流场 的快速、精确测量。同时，应用正交有限角全息干涉系统，对双烛火焰的三维瞬态温度 场进行了实际铡量，根据干涉条纹计算机自动处理测量系统和复合算法重建出了温度场 中两个截面内的温度分布，将重建值与热电偶实测值进行了比较，取得了满意的结果， 并对实验和重建误差作了分析。 关键词：计算机层析，重建算法，联合代数重建技术，神经网络，频谱，傅里叶变换。 Ⅱ 华中科技大学博士学位论文Abstract 华中科技大学博士学位论文 Abstract With the development of science and technology,the requirement of measuring physical field is becoming more and more higher,not only in rapidity and precision，but also in display It is only computerized tomography(C1)that can measure distribution field． Opticai CT is a novel diagnostic technique based on laser scanning measurement and computer information processing．In this technique，projE矧don rays penetra