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基于γ射线CT及ECT的气液两相流成像系统

辛山  
【摘要】:气液两相流是一种较为常见的工业多相流体系,广泛存在于各种工业过程中。工业过程成像技术是两相流在线检测的重要工具。计算机层析成像技术(CT)作为一种成功的过程成像技术,在两相流成像领域有着广泛的应用前景。本课题组采用第三代CT系统结构,设计了一套适用于气液两相流的γ射线CT系统。为提高在线成像的实时性,同时开发了一套基于DSP与FPGA的电容层析成像系统(ECT)。本文的主要内容包括以下几点: (1)首先对两相流过程成像技术进行了概括,重点介绍了CT技术的发展历史和研究现状。并对γ射线CT系统的物理基础进行了详细分析,建立了扇形束CT系统的数学模型。同时利用Geant4软件对γ射线在气液两相流流体内的衰减过程、散射过程以及该CT系统的系统结构进行了仿真研究。结果表明,7源17探测器的系统结构可很好的满足两相流实时成像的要求。 (2)提出了γ射线CT系统的构架方案,对CT系统的硬件系统进行了详细分析和设计。本系统使用300mCi的241Am源作为射线源,由17个CdZnTe探测器构成的探测器阵列作为光子接收器,并设计了专用的高斯脉冲滤波成形电路和FPGA计数器。同时使用C++语言编写了系统软件TJU_CT,并开发了ART算法、Landweber算法和CG算法进行图像重建。该系统信噪比高,软件界面友好,且具有较高的性价比。 (3)对影响γ射线CT系统性能的各种噪声因素进行了分析,给出了消除噪声的方法,重点对系统的空间分辨率和计数值的统计性进行了讨论。实验表明,7源结构可以满足工业现场两相流的成像要求,这与仿真结果是一致的。在模型运动速度低于40mm/s时,该系统具有7mm的空间分辨率,成像速度为每秒33帧。本文还将有限角扫描模式引入到工业CT系统中,由实验结果可知,有限角扫描模式成像效果接近全扫描模式,从而使工业CT系统的应用更加灵活。为了消除动态重建图像中的模糊和条纹,引入小波域去噪方法对计数值进行处理,有效提高了动态图像质量。 (4)研制了一套基于DSP和FPGA的16电极ECT系统,以实现对两相流体的实时成像。该系统由FPGA完成逻辑控制和数据解调功能;由DSP完成图像重建和数据通讯功能,降低了对计算机主机的依赖程度。开发了灵敏度系数算法和Landweber迭代算法,并进行了静态实验和动态实验。实验结果表明,该ECT系统具有10mm的空间分辨率,在线成像速度可达每秒416帧/秒,从而提高了两相流成像的实时性。CT/ECT双模态系统两种模态的对比实验表明,当流体运动速度较慢时,CT模态的空间分辨率高于ECT模态,但其成像速度远低于ECT模态。


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