基于球投影的面阵探测器扭转角测量与校正

为了消除基于面阵探测器的锥束X射线计算机断层成像(XCT,X-ray Computed Tomography)检测系统中探测器的安装误差对重建断层图像的影响,使投影坐标系准确建立,并与重建坐标系精确配准,提出了基于椭圆拟合的平板探测器位姿参数的估计方法.并在此基础上,从锥束XCT的近似重建算法FDK(Feldkamp)出发,结合空间坐标变换原理,改进了重建算法中投影地址的计算方式,使之能在存在安装误差的情况下准确计算投影地址,重建出正确的断层图像.该方法简单有效,计算量小,无需对系统硬件进行调整.实验结果表明,利用该方法可以有效地消除由于探测器位姿引起的图像伪影.     

空间材料科学实验中的X光三维成像仿真

用于空间材料科学研究的X射线观察设备已列入空间站材料科学实验规划,仿真实现X光三维成像的流程可为X射线观察设备的研制提供设计依据.仿真流程主要包括三个步骤:使用锥束X光照射被扫描对象并旋转对象,获取多角度下的投影影像;根据投影影像和几何信息重建扫描对象,获取对象空间点数据;将扫描对象三维显示出来.使用线衰减系数不同且相互重叠的多个椭球组成的三维Shepp-Logan模型对算法进行了仿真测试,仿真结果能很好地将模型重建并显示出来.      

基于正弦图的计算机断层图像配准

为了解决工业X射线无损检测中图像配准的问题,以计算机断层(CT,Computerized Tomography)图像中物体的位置变化与采集的投影数据之间的理论关系为基础,提出了基于正弦图的CT图像配准算法.该算法结合实际的投影采集系统对投影信号进行预处理,并利用投影信号的相关性寻找物体的位置变化,可以解决二维平行束和扇束投影采集方式下物体二维刚性变换的配准问题.由于提出的算法是在重建之前的投影域内进行,因此相比传统的图像域内的配准算法适用性更高,尤其当投影数据不足、质量不高、噪声较大、重建图像有严重的伪影时,该方法更加有效可靠.对某一封装零件的配准结果证明了算法的可行性.      

极稀疏投影数据的CT图像重建

从稀疏投影数据足够精确地重建断层图像,从而能够在显著降低计算机断层成像（CT）检查X-射线辐射剂量的前提下,提供充分适宜影像学临床诊断需求的重建图像。针对圆周扫描扇束投影的二维CT图像重建,提出了投影驱动的系统模型,并将CT迭代图像重建与压缩感知（CS）理论相结合,设计了一种CT迭代图像重建算法,且将算法扩展到圆周扫描锥束投影的三维CT图像重建。仿真实验结果表明:在极稀疏投影数据的条件下（[0,2π）范围内扇束/锥束扫描不超过20个投影角度）,算法数值精度高,计算复杂度低,内存开销少,有很强的工程实用性。      

基于原始投影正弦图的X-CT硬化校正

在X射线层析成像(X-CT,X-ray Computed Tomography)技术中,X射线束能谱的多色性将导致层析重建图像出现杯状或条状等射束硬化伪迹,降低成像质量.在分析射束硬化现象具有的3个物理属性基础上,提出了一种对原始多色投影正弦图进行操作的硬化校正方法,并从数学上证明了其校正原理. 针对该方法带来的噪声放大问题,研究了一种基于高、低频信息分类处理的噪声抑制方法.计算机仿真和2种典型试件的实际CT扫描数据的硬化校正结果表明了该方法的有效性.与传统基于多项式拟合技术的校正法相比,该方法不需要事先进行建模扫描和计算,校正程序简单、实时,校正结果具有更高信噪比,且不受扫描条件限制.      

利用图像相关法精确测量3D-CT成像系统焦距

对于实际的3D-CT成像系统,射线源焦点和物体旋转轴中心的位置不能直接测量,如何采取简单易行的方法精确测量二者之间的距离(即系统焦距)成为一项工程技术难点.通过双圆目标体二次成像获得射线数字成像(DR,Digital Radiography)图像,对各DR图像进行自相关处理,获得双圆投影中心距,再通过解析方法求解出系统焦距值.实验结果表明,测量精度达到了实际扫描系统的重建要求.该方法实现简单, 具有较强的抗噪能力,可实现自动测量.      

太阳X-EUV成像望远镜波长选择装置

太阳X射线-极紫外射线(X-EUV,X rays-Extreme Ultraviolet)成像望远镜是我国专门服务于空间天气预报研究的太阳短波成像监测仪器,望远镜工作在0.4~10 nm的X射线波段和19.5 nm的极紫外谱段,能够提供全日面、高分辨率的成像观测.波长选择装置是该望远镜的一个重要子系统,可以增强望远镜动态响应范围,有助于获取更多的反演日冕等离子体参数,这些参数可用来诊断日冕活动.该装置的运动控制具有低功耗的特点,能够满足空间应用环境的特殊要求.其中,步进电机精位置控制是设计的重点,有2种光电编码矩阵可以用于位置检测,从工程可实现角度优选出其中一种,并且从工程可靠性角度分析了该光电编码矩阵的故障模式,提出了在轨故障处理的预案.      

大尺寸构件工业CT成像方法

为解决大尺寸构件快速ICT(Industrial Computed Tomography)成像问题,提出了一种通过检台2次偏置扩大扫描视场的ICT成像方法,并基于三代ICT投影数据存在的冗余特征,推导了它的投影数据重排预处理方法和滤波反投影(FBP,Filter Back-Projection)重建算法.该重排预处理方法建立了扇束投影数据与平行束投影数据间的函数映射关系,可将探测器在2个扫描位置采集的2组不完整扇形射束投影数据重排成一组完整的平行射束投影,从而使后续重建得以进行.计算机仿真结果表明,该方法在重构大尺寸构件图像时,获得了满意的质量.分析表明,在增加一次360°回转扫描情况下,其有效扫描视野达到标准三代ICT方法的2.8倍左右.该方法仅需CT扫描台具备平移和旋转自由度,易于与现有三代ICT兼容,工程实现方便.      

三维CT重建几何参数的非线性最小二乘估计

重建几何参数的精度是3D-CT(Three Dimensional Computed Tomography)重建中严格控制的指标,在实际的X射线扫描成像中,这些参数无法直接测量得到,从而难以保证其精度.介绍了利用非线性最小二乘估计Feldkamp三维重建几何参数的方法,根据空间质点质心的投影位置与其投影的质心位置重合的原理,通过计算空间质点(实验中采用近似质点的目标体)投影质心坐标,求解非线性方程组估计重建几何参数的最优解.计算机模拟结果表明,在参数向量初始值接近于真值的情况下,估计所得参数值有较好的精度和重复性.利用此方法估计所得实际扫描系统的几何参数值进行三维重建,也得到了很好的重建结果.     

近前视弹载SAR的改进后向投影成像算法

针对现有的弹载合成孔径雷达(SAR)大斜视算法所处理的斜视角度受限,传统的后向投影(BP)算法运算量大以及已有的快速后向投影算法不能进行并行处理等问题,提出了一种适于并行处理的近前视弹载SAR的改进后向投影算法.首先根据近前视弹载SAR的几何关系,建立回波信号模型,然后在距离方向上对弹载SAR扫描场景进行等间隔分割,在合并子孔径的同时分裂图像,达到所需图像精度时停止合并和分裂,再相干叠加反向投影到扫描场景的分割小区域内的回波,这样就会得到扫描区域的弹载SAR图像.对于各个条带可以采取并行处理来分别成像,可以进一步提高成像速度.最后利用仿真回波数据和实测回波数据对本文改进算法进行验证,通过与其他算法的比较,证明了本文改进算法可以处理高达86°的近前视场景,并且处理速度大大快于传统BP算法的处理速度,再配合并行处理划分的条带,处理速度会快于现有的改进BP算法的处理速度.      

Tomographic reconstruction of the ionospheric electron density as a function of space and time

Electron density distribution is the major determining parameter of the ionosphere. Computerized Ionospheric Tomography (CIT) is a method to reconstruct ionospheric electron density image by computing Total Electron Content (TEC) values from the recorded Global Positioning Satellite System (GPS) signals. Due to the multi-scale variability of the ionosphere and inherent biases and errors in the computation of TEC, CIT constitutes an underdetermined ill-posed inverse problem. In this study, a novel Singular Value Decomposition (SVD) based CIT reconstruction technique is proposed for the imaging of electron density in both space (latitude, longitude, altitude) and time. The underlying model is obtained from International Reference Ionosphere (IRI) and the necessary measurements are obtained from earth based and satellite based GPS recordings. Based on the IRI-2007 model, a basis is formed by SVD for the required location and the time of interest. Selecting the first few basis vectors corresponding to the most significant singular values, the 3-D CIT is formulated as a weighted least squares estimation problem of the basis coefficients. By providing significant regularization to the tomographic inversion problem with limited projections, the proposed technique provides robust and reliable 3-D reconstructions of ionospheric electron density.     

基于Stolt插值的近场三维雷达合成孔径成像

提出了一种准单站模式雷达以步进频方式工作条件下微波三维全息成像算法,克服了传统成像算法要求远场条件的限制,通过对雷达接收目标回波数据进行合成孔径处理,提高了雷达成像的分辨力以及雷达对目标的探测能力.采用一种新的Stolt插值实现方法,提高插值精度、减少插值的计算时间,通过插值,可以利用快速傅里叶变换来实现目标三维图像的快速重构.给出了实验和模拟目标的三维图像重构结果,表明基于该插值方式的三维图像重构算法可以重构出目标的三维像,实现对目标的探测并具有良好的分辨率.      

基于混合稀疏表示的二维压缩感知SAR成像

压缩感知(CS)理论在合成孔径雷达(SAR)成像中应用广泛。针对包含城市、河流等区域的非稀疏场景压缩感知SAR成像,提出基于近似观测模型的混合稀疏表示(MSR)压缩感知SAR成像方法。该方法将复杂的SAR图像分解成点、线、面,并将线、面分别通过离散余弦变换和曲波变换转换到稀疏域,使压缩感知的稀疏性条件得以满足,通过求解基于近似观测模型的二维压缩感知优化问题重建非稀疏场景的SAR图像。所提方法能够实现降采样率条件下对包含城市、河流等非稀疏场景区域的成像,仿真场景和实测场景成像结果表明了所提方法的有效性。     

基于光场成像技术的散射性火焰温度场重建

光场成像是一项新兴的非接触式测温技术,针对传统辐射成像温度场重构效率低的问题,开展了基于光场成像的散射性火焰温度场重建研究。在火焰光场成像模型的基础上,以广义源项多流法为正问题模型,利用Landweber算法重构吸收散射性火焰的三维温度场,同时引入最小二乘QR（LSQR）分解算法作为对比以衡量Landweber算法的性能。分析了测量误差对于重建精度的影响,重建结果表明,即使在添加5%测量误差的情况下温度场的平均重建相对误差也仅为0.91%和0.92%,重建结果仍然是合理的。Landweber算法和LSQR算法具有相当的计算精度,但Landweber算法的计算时间是LSQR算法的1/10,其计算效率明显优于LSQR算法。      

聚焦光场成像三维粒子场重建方法

层析重建是层析粒子图像测速(Tomo-PIV)技术实现三维粒子位置和强度信息(三维粒子场)重构的核心步骤。相比于多相机的Tomo-PIV技术,单聚焦光场相机通过一次成像能够同时采集示踪粒子的散射光的方向和位置信息。因此,提出一种单聚焦光场相机的层析重建技术用于重构流场中的三维粒子场信息。为了验证本文方法的可行性及准确性,利用几何光学建立了示踪粒子的光场成像模型,利用光线追迹技术计算了粒子在聚焦光场相机中的成像,对比了被测流场中位于不同深度位置的粒子在聚焦光场相机中的成像差异;建立了基于单聚焦光场相机的层析重建数学模型,利用乘法代数重构技术(MART)对模拟所得的光场图像进行反演计算,实现了三维粒子场的重构,并利用归一化互相关系数来表征粒子的重建质量。结果表明,单个粒子在Z轴方向上的位置精度为±0.35 mm,初步证明了基于聚焦光场成像理论的三维粒子场重建方法的可行性。     

编码孔径中红外光谱成像系统的光谱重构算法

针对一款基于双DMD的光谱维编码中波红外光谱成像系统的应用需求,在经典的Hadamard变换完备编码理论基础上,提出了一种具有最大信噪比增益的编码矩阵。结合基于双DMD的光谱维编码中波红外光谱成像系统的光路结构和工作原理,探讨了光谱维DMD所加载的编码模板的设计方法。建立了区块化光谱重构算法的数学模型,并进行了实验验证。实验结果表明,原理样机在具有良好的光谱成像能力的基础上,能够实现较高实时性的凝视成像,其在低光谱分辨率模式下光谱数据立方体帧频能够达到22.35帧/s,验证了区块化光谱重构算法的有效性。     

基于序列图像的空间目标三维重建

空间目标三维重建对空间态势感知和理论研究具有重要意义。针对空间目标图像存在的由纹理重复导致的错误重建问题,提出了一种新的基于运动信息恢复三维场景结构策略。该策略将序列目标图像的成像时间顺序作为先验信息,顺序地加入新图像进行迭代,以避免因目标结构对称、纹理重复所导致的重建错误。同时针对空间目标成像数据匮乏的问题,进行了空间目标图像仿真,并开展了空间目标地面模拟成像实验研究。结果表明:运动分析结果精确,对噪声有较强的鲁棒性,恢复出的目标三维点云能在一定程度上表达目标的结构信息。同时给出了进行空间目标三维重建时图像序列应满足的边界条件。      

基于对抗神经网络有限角度的磁层边界CT重构技术

对地球磁层进行软X射线成像探测是近年来磁层研究的前沿方向.由二维X射线成像图重构三维磁层边界的方法研究是与成像探测相关的重要研究课题.传统的计算机断层成像技术(CT)重构方法在图像数据很少时无法得到较好的重构结果,甚至无法重构三维结构.考虑到地球磁层空间分布范围方面的约束,当前卫星任务的轨道设计很难满足扫描角度的全方位...