快速成像与反演方法相结合的图像重建方法研究

The high-energy x-ray radiography is the main method to dignose the hydrotest. The primary task of the radiography is to reconstruct the object from one image. In the radiography the scattered photons, spectrum effect, system blur and noise degrade the image quality and cause it very difficult to reconstruct the object in precision. Although many measures have been used to decrease the bad effect of the above factors, the requirement of precise experiment is not reached. The traditional methods of image reconstrcutions do not pay much attention on the factors and can not remove the effects of the factors. In order to improve the reconstruction result, many works will be carried out. Based on the processes of the radiography, the fast radiographic computer program on trace technology will be made, the complex physical model will be introduced, the image reconstructing method considering all kinds of physical factors will form after combining the fast radiographic simulation and the reconstruction method for inversed problem, the improved density reconstruction will be gained by dealing effectively with physical fators. The technology of image reconstruction not only fit for the radiography, but also is suitable for nondestructive detecting and medical CT. And the technology has referrence value for proton radiography, neutron radiography and other particles radiograpgy.

高能闪光照相是流体动力学实验的主要诊断技术。从单幅闪光照相图像重建出照相客体是诊断的首要任务。高能闪光照相中散射X射线、能谱效应、模糊和噪声等物理因素制约了图像品质，使得从图像重建出高精度的结果面临很多难题。尽管实验上采取了一系列措施来降低这些因素对图像品质的影响，但仍然未能达到高精度实验要求；传统图像处理方法对物理因素影响考虑不足，还未形成详细的能够考虑各种物理因素的图像处理模型。本项以闪光照相物理过程为基础，研制基于径迹法的快速成像程序；提出含多种物理因素的图像重建模型；将快速正向成像和反演方法相结合，形成能够考虑各种物理因素的图像重建方法；通过处理各种物理因素的影响来改善重建结果。本项目提出的正向成像与反演方法相结合的闪光照相图像重建技术不仅用于高能闪光照相，还可用于无损检测、医学CT等领域，同时对于质子照相、中子照相以及其它粒子辐射成像也有十分重要的借鉴作用。

高能闪光照相诊断技术是诊断动态流体动力学客体的主要手段，其具有时间短、照射量强等优势，成为了核大国重要的科研诊断技术。近二十年来，闪光照相装置得到了迅猛发展，建成了旗舰型装置——美国的DARHT、法国的ARIX以及中国的神龙等。.高能闪光照相的图像品质受诸多物理因素的影响而显著降低。这些因素和影响为：1、厚客体对X 射线的强衰减使得图像的信噪比差；2、系统中的保护装置增大了非信号量（散射X 射线）强度；3、照相系统的模糊量超过1 mm；4、轫致辐射谱的硬化现象明显。.本项目通过研究含物理因素的正向成像模型来减小闪光照相中物理因素对重建结果的影响。从闪光照相物理过程出发，针对闪光图像的特点，研究多种物理因素的闪光照相图像重建模型、基于径迹法的快速成像技术、快速成像模拟与反演方法相结合的闪光图像重建方法及其物理因素处理技术。主要工作包括：以模拟闪光照相粒子输运的理论为基础，逐步将影响图像的物理因素加入到闪光照相过程，建立了更准确的闪光照相模型——IFP模型，在径迹法投影下IFP模型与反演方法相结合形成了综合的密度反演方法XTRACE－CCG；利用径迹法给出了更加准确的正向投影矩阵；确定了面光源正向成像模型，从实验获得有效的模糊尺寸，考虑模糊的正向投影模糊下的密度重建解决了光源模糊问题；通过图像预处理减小了散射的影响；在后处理中通过使用有效的质量吸收系数减小光源能谱效应的影响；约束反演则利用先验信息、正则化方法等提升重建精度。.研究方法首先通过了以法国客体FTO为模型的模拟实验的验证。数值实验验证了散射系数迭代算法、能谱效应后处理技术以及模糊参数选择方法的适用性。然后，研究方法进一步应用于实验图像。在重建中使用了实验获取的有效模糊参数、有效的先验约束，获得了具有较高精度的重建结果。本研究获得的对模糊的处理方法适用于其它诊断图像的密度重建过程。